冶金自动化发展的策略与思考

冶金自动化发展的策略与思考作者简介：郭雨春，首钢自动化信息技术有限公司研究所总工程师，计算机与自动化控制高级工程师，长期从事冶金企业的自动化、信息化工作，主持并参加了多项大型冶金自动化、信息化项目，并获得北京市及冶金系统的科技进步奖，多篇专业学术文章在国内大型专业刊物上发表，并担任中国计算机用户协会常委理事等职务。

其他作者：陈志，首钢自动化信息技术有限公司副总经理兼副总工程师，计算机应用高级工程师。

摘

要：本文结合我国冶金自动化及作者所在单位——首钢的自动化现状，对我国冶金自动化的发展做了客观的评价与探讨，特别对构成自动化核心的数学模型的发展现状及趋势进行了更进一步的研究。

关键词：冶金；自动化；数学模型

Abstract：Inthispaper,weappraiseanddiscusseimpersonallythedevelopmentofthedomesticmetallurgicalautomationcombinedwiththestatusquoofmetallurgicalautomationinourcountryandourcompany——ShouGang.Especiallyweconductfurtherresearchonthedevelopmentandtrendofmathematicalmodelwhichisthecoreofautomation.

Keywords：metallurgy；automation；mathematicalmodel

中国冶金自动化产业伴随着现代化钢铁工业的发展而发展。就首钢而言，从1919年成立至今已经九十年了，前四十年受历史时代的影响，首钢冶金自动化工作几乎没有发展，从1959年算起，水银整流器、直流调速装置等开始应用于钢铁生产，这也标志着首钢自动化应用开始走入人们的视野。

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首钢自动化应用的历史与现状

首钢自动化发展的春天，是从我国改革开发算起，灿烂的改革开发之花，结出了丰硕的经济之果。

1982年首钢率先在全国将自动化技术应用于高炉、烧结及炼钢等主要生产工艺环节。在高炉自动化技术改造中，结合新工艺的采用，实现了高炉上料、喷煤、热风炉和高炉主体的全过程计算机控制，实现了高炉炉内均匀布料，自动化调整风温、自动喷煤等先进的技术目标。可以随时检测高炉冶炼过程和各种工艺参数，各项工艺技术指标创造了历史的最好水平！达到了世界先进水平。在高炉自动化改造的同时利用大修时机，将集散型控制系统成功应用于烧结生产，实现了对3500多个输入输出点的控制。在线800多套设备也全部实现了自动控制，特别值得一提的是将环保系统也实现了计算机控制。使得多年没有解决的设备排尘问题得到了基本解决。排尘量大大低于当时的国家标准。烧结矿一级品率大大提高，取得的经济效益得到了大家的一致公认。在炼钢方面，采用微型机对转炉生产过程进行监测，为加强管理和稳定操作，提供了准确的数据。

多年的努力，一批具有行业特色的自动化产品与技术相继问世，并投入生产，如中子水分子仪，γ闪烁料位计，氧化锆残氧分析仪等，在钢铁生产中都发挥了重要作用。

进入21世纪以来，首钢自动化应用与开发工作再上新台阶，并产生了质的飞跃，所有设计都实现了三级CAD设计，彻底甩掉了图纸，以具有21世纪先进水平的首钢京唐钢铁公司的投产，标志着又迎来了一个首钢自动化应用与开发的春天。目前在首钢冶金自动化已经成为冶金工艺的一个重要组成部分。换句话说，没有自动化就无法炼钢、轧钢，这已经成为首钢冶金工艺一条新的准则与条件。冶金自动化也正是靠着本身的实力与优势，不断提升在生产中的地位与作用。

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新型工业化道路为首钢自动化产业的发展指明了方向

“走新型工业化道路”实现两化的融合，首先我们要在工业化方面取得重大突破。而衡量一个国家是否实现工业化，主要看其工业自动化水平。在当代，自动化是工业化的重要标志。我国钢铁工业经过几十年的发展主体工艺设备不比国外的差，但钢铁工业的整体水平和国外相比，差距仍然较大，差在哪里，一是管理水平，二就是工艺软件上，而这两者我们可以分别看成是在信息化与自动化方面的差距。

信息化与自动化不是两个独立的概念，某种意义上讲，信息化是自动化发展的一个新阶段。如果我们把传统自动化称为基础自动化或过程自动化的话，那么信息化就是将管理的内容与自动化有机地结合成一个整体，我们也可以称为“集成式自动化”，所以我们常把企业信息化建设分成四级或者五级。如图1所示。

图1

企业信息化架构

所以，我们也可以说，由于我们在“集成自动化”方面存在着差距，所以影响了我国钢铁工业的进一步发展。成为制约我国钢铁工业发展的瓶颈。

进入新世纪以来，首钢总公司结合整体发展战略，具体描绘出了首钢走新型工业化道路的三步走战略。

第一阶段是在目前首钢产线基础之上通过双高产品，拳头产品的战略在现有的产线和基本工装条件下通过技术进步提升经济效益，积累技术储备，培养人才团队，构建企业管理信息化平台，使得信息化作为两个转变的载体理念和作用基本形成。第二阶段是在第一阶段的基础上，通过首钢在钢铁高端产品的新产线的建设过程中进一步消化吸收国内国际先进技术、管理经验，通过开放合作的技术路线，进一步系统固化、优化首钢在钢铁工业高端产品方面的技术、管理基础，企业管理信息化达到国内先进水平，充分发挥信息化作为两个转变的载体的作用，首钢技术管理团队对于首钢四级自动化结构达到全面的把握；第三阶段是在前两个阶段之上，发挥后发优势，自主集成，通过曹妃甸钢铁基地的建设，以信息化作为全面创新的载体，全面达到当代钢铁工业的制高点，构建中国钢铁工业21世纪的概念工厂，以信息化引领竞争优势的构建。目前首钢是在第三阶段上进行着拼搏，东方的地平线上已经露出胜利的曙光。

通过人工智能领域的专家系统技术、神经元网络算法、遗传算法等新兴学科技术，将高炉专家知识和经验进行量化，用智能推理技术将量化结果进行综合分析来预报和处理炉况，尤其对异常炉况的征兆进行详细的分析和预报，并提出相应的处理措施。通过神经元网络来预报铁水温度。通过有限差分和遗传算法来构建炉缸侵蚀模型，通过运动轨道方程，应用土坡塌陷及堆积原理来构建炉料分布模型，并采用三段法来分析炉内径向负荷分布，最终通过模型的协同来综合治理高炉，以达到高炉顺行的目的。

图2

高炉专家系统结构图

经过两年的探索、开发与实践，首钢高炉专家系统终于研制成功并应用于高炉生产领域，在原料多变的状态下，通过对异常炉况判断和原料质量模块的开发应用，预报命中率又得到了进一步提升。炉况判断准确全面实时，模型整体的技术性能达到了国际先进水平。

4.2

首钢烧结智能化控制系统

烧结是钢铁生产工艺过程中的一个重要环节，就是将精矿粉与其它粉状原料、回收的冶金工业粉尘，按一定比例混合，并烧制成块状的原料，供高炉生产使用。

首钢烧结智能化控制系统是首钢自动化信息技术公司自行设计，开发完成的具有完全自主知识产权的控制模型软件，该系统从配料开始到烧结全过程，针对各个关键控制点建立模型，并有机的组成一个整体，进行智能控制，整个模型智能化控制系统包括了优化配料模型、动态配料模型、成分预报模型、点火模型、燃料模型、BTP（烧结终点）控制模型、BTP偏差控制模型等数10个子模型，实现了首钢烧结生产智能化控制，达到了节能降耗，绿色生产、提高产品与质量等新的目标，各项技术经济指标也在上一个新台阶。

其中BRP（温度上升点）斜率判断法，利用燃烧速度一致性指数改善布料，消除终点偏差等技术内容，都是首次提出并应用于生产实际。使用效果良好，达到国内领先水平。

4.3

首钢高品质钢一体化冶炼智能化集成系统

首钢高品质钢一体化冶炼智能化集成系统是首钢自动化信息技术公司经过多年研究，全部自行设计，自主开发完成的具有完全自主知识产权的转炉炼钢冶炼自动化模型软件。

这套系统是以动静态冶炼模型为核心，以冶炼全过程（包括精炼）科学管理为基础，以数据挖掘技术为支撑的现代化转炉冶炼全过程的自动控制技术。系统开发了自动化炼钢静态模型和动态模型，部分功能可以根据现场实际进行定制设计开发。

这套模型结合机理模型和统计模型的特点，是通过主进程模型协调各分数学模型计算进程的开始和结束，将烟气分析与副枪技术有效地结合在一起，并将转炉炼钢与RH炉精炼、LF炉的自动控制与判断做为一个系统中的三个要素有机地进行统一分析，判断及处理，实现了协同职能化炼钢。特别是对钢水、炉渣和合金为研究体系，利用机理模型分析影响钢水温度的主要因素，在此基础上，通过数据挖掘，基于热平衡理论建立温度预报模型，利用质量守恒定律和线性规划方法，建立成分预报模型和控制模型，充分利用转炉、LF炉冶炼工艺操作的经验，优化工艺参数，提高钢水温度和成分预报的准确性。该系统同时还具有强大的自学习功能，进一步提高了系统的稳定性和使用效果。系统稳定运行率超过99?8%，钢水终点温度和成分预报命中率双双达到90%以上。以年产量500万吨钢设计，使用该系统创造的经济效益要比未使用前高达1400万元，整体达到了国内领先水平。

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过程控制数学模型的未来发展

过程控制数学模型在国内钢铁行业的应用与发展，目前还刚刚起步，方兴未艾，随着需求的发展，未来的数学模型还有着极大的发展空间。从现在起，形成社会的关注，这对数学模型的未来发展，是会起到一定的积极作用的。

5.1

继续做好过程控制数学模型的应用工作

我国冶金行业数学模型的应用还不算十分广泛，在轧钢方面应用的较好，但其他工艺环节相对薄弱，所以，要充分利用现有的自动化资源，做好数学模型的应用工作。

（1）打破数学模型的神秘感。相信自己的力量，鼓足自己的信心，不等不靠，模型应用从低级向高级逐步发展，不断积累技术，不断培养人才，踏下心来，抓上几个项目，就一定能搞出名堂来，收到明显的经济效益与社会效益。

（2）选准数学模型应用的切入点，万事开头难，也最招人瞩目，所以，根据本单位的实际情况，选准自己模型应用的切入点，至关重要。

（3）不要怕失败。企业搞研发，由于资金投入的主体是企业自己，所以对投资回报比较关注，这也就客观造成了科研开发工作只许成功，不许失败的尴尬境界。所以，在数学模型应用过程中，要允许失败，不要怕失败，解除束缚科技人员发展的条件限制，才能激发科技人员更大的工作热情。

（4）积极开展对外合作。通过对外合作交流，扩大视野，可以缩短数学模型应用开发的时间，培养出自己的队伍。特别是和兄弟企业的合作交流，和科研院所的合作交流，效果会更明显。

5.2

开发自主的数学模型研发平台和相关技术

以数学模型开发平台为原创型技术开发的突破口，对现有的二级数学模型的开发模式进行新的变革与调整，将现有的手工开发模式，改造成自动化工厂式开发生产。即将现有命题式开发的组织方式改造成“系统架构→模型设计→算法设计→软件开发→应用服务”这样一个全新的模型开发模式。同时建设好两个平台，一个是使用平台，在这个平台上保证满足用户的各种需求，一个是开发平台，将所有的模型开发都置于这个平台管理之中。

5.3

提升与数学模型相关技术与产品的质量与水平

数学模型和与之相配套的产品与技术，构成了一个系统的产业链，或称之为一个完整的产业群。根据“木桶效应”的原理，如果与数学模型相关的产品与技术水平相对较低，那么也会影响数学模型水平的发挥。比如数学模型的计算精度为1%，而执行机构的精度为5%，那么整体的精度则就为5%。所以要把短板加长，保证数学模型正常水平的发挥，在这个问题上，我们要有“愚公移山”的精神，旧的短板解决了，新的短板问题又会出现。所以我们要用“愚公移山”的精神，不断解决新出现的短板问题。也就在这个不断解决短板的过程中，数学模型的研发与应用水平才会不断得到新的提高。

5.4

加强数学模型研发与应用的组织工作

目前我国数学模型的研发与应用工作，处于各自为战