21世紀初鋼鐵工業(yè)自動化發(fā)展趨勢

21世紀初鋼鐵工業(yè)自動化發(fā)展趨勢、進展和對策2009-4-215:16:00網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載供稿（1）遵循和滿足鋼鐵工業(yè)發(fā)展的趨勢和需要在市場經(jīng)濟體系下，鋼鐵工業(yè)面臨激烈的市場競爭（產(chǎn)品競爭、質(zhì)量競爭、成本競爭和服務(wù)競爭），為了提高企業(yè)競爭能力，采用新工藝、新流程、新設(shè)備、新技術(shù)（自動化是其主要的一環(huán)）和新思想是當代鋼鐵工業(yè)的主要趨向，因而也使鋼鐵價格自1974年至今保持不變（其他如塑料、鋁、水泥價格均直線上升），而保持強大的競爭力。鋼鐵工業(yè)自動化是為鋼鐵工業(yè)服務(wù)的，自然其發(fā)展趨勢是既遵從自動化科學(xué)發(fā)展趨勢，也遵從鋼鐵工業(yè)發(fā)展趨勢。（2）利用有關(guān)自動化的國內(nèi)外資源、先進技術(shù)、運行經(jīng)驗等來組成自動化系統(tǒng)在開放環(huán)境下，世界各國都是互相借鑒，參照發(fā)達國家如西門子、ABB、施耐德、阿爾斯通、GE、日立、三菱、安薩爾多等電氣公司的裝備、解決方案以及日德英法美芬蘭各鋼鐵公司和奧鋼聯(lián)的經(jīng)驗、先進系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型等，經(jīng)過創(chuàng)新而組成先進的和本國自主知識產(chǎn)權(quán)的監(jiān)控系統(tǒng)與裝備是當前各國鋼鐵工業(yè)自動化發(fā)展的另一趨向。（3）繼續(xù)開發(fā)更多的鋼鐵工業(yè)自動化專用技術(shù)包括檢測方法和儀表傳感器、電控裝置和技術(shù)、包括智能控制的先進自動化系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型以至無人車間與工廠等，特別是提高質(zhì)量的系統(tǒng)是另一趨向。（4）不同類型的一體化裝備成為鋼鐵工業(yè)自動化的當前發(fā)展趨向在市場經(jīng)濟規(guī)律下，導(dǎo)致國內(nèi)外的鋼鐵公司、電氣公司除了生產(chǎn)各種不同類型的自動化裝備外，還生產(chǎn)各種不同類型的一體化裝備和IT（產(chǎn)品）。包括：-從單體的自動化裝備趨向于多個并組成專用功能的系統(tǒng)：如美國Allegany公司的適合于連鑄的中間包稱重和液位測量以及其他過程的電子秤系統(tǒng)，北京中遠通科技公司的攝像儀非接觸式連鑄定尺切割控制系統(tǒng)、軋鋼用的非接觸式冷床輥道集群自動控制系統(tǒng)、非接觸式中厚板自動長寬測量系統(tǒng)等；美國Ronan公司、國內(nèi)鐳目公司、武鋼計控公司、紅河谷公司的連鑄結(jié)晶器液位控制儀，冶金自動化研究院的高爐靜壓測量系統(tǒng)、北京科技大學(xué)的燒結(jié)機尾圖象儀等；-機電一體化裝備，如儀表類型的有：德國DDS公司的高爐微波料面計、日本NEC的高爐料面熱成象溫度儀、國內(nèi)的高爐料面熱成象溫度及觀測儀、鋼板測厚、測寬、板形儀等；設(shè)備類型的有：方坯連鑄的打號機、板坯連鑄噴印機、連鑄的火焰切割機、型鋼的飛剪、鋼材打捆機等；-機-電-工藝一體化：大規(guī)模的如國內(nèi)北京鳳凰公司、神霧公司等的軋鋼加熱爐包括機-電-工藝和數(shù)學(xué)模型的成套設(shè)備等；泰龍公司的軋鋼的八輥軋機包括機-電-工藝和數(shù)學(xué)模型的成套設(shè)備；小規(guī)模的如線材的控軋控冷包括機-電-工藝和數(shù)學(xué)模型的成套設(shè)備、液壓站成套設(shè)備、潤滑站成套設(shè)備等）；-數(shù)學(xué)模型、技術(shù)訣竅軟件包化：如奧鋼聯(lián)的燒結(jié)生產(chǎn)率控制模型、高爐專家系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐的基于副槍模型、連鑄的包括漏鋼預(yù)報的結(jié)晶器專家系統(tǒng)、動態(tài)冷卻DYNASC、動態(tài)鑄坯錐度控制ASTC等；-平臺和IT產(chǎn)業(yè)，如模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)元網(wǎng)羅的平臺；ERP及MES供貨商的有關(guān)這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺，如德國PSI（SMS-DEMAG/ALSTOM）公司提供的鋼鐵MES系統(tǒng)的全套開發(fā)平臺PPS-METAL，韓國POSDATA公司的鋼鐵MES集成解決方案STEELPIA，英國BRONER公司的鋼鐵工業(yè)企業(yè)供應(yīng)鏈和生產(chǎn)計劃排程方面的通用開發(fā)平臺PPS，國內(nèi)寶信的MES中間軟件產(chǎn)品Plature99、Xcom和Multilink等；先進控制軟件包有：法國Adersa公司的AdvanTrol-Hiecon多變量預(yù)測軟件包、AdvanTrol-PFC預(yù)測函數(shù)控制軟件包等，美國AspenTech公司生產(chǎn)的IDCOM-M、CyboSoft公司的CyboCon軟件（適用于無模型自適應(yīng)控制的軟件）、HoneywellProfimatics生產(chǎn)的RMPCT多變量預(yù)測控制軟件包等）。鋼鐵工業(yè)自動化的進展鋼鐵工業(yè)自動化的進展大致可以分為如附表所示的五個階段。附表信息與自動化進展的五個階段1自動化與信息化相結(jié)合鋼鐵工業(yè)自動化從簡單的熱管理和單參數(shù)自動控制系統(tǒng)開始，經(jīng)歷了初期的EIC一體化系統(tǒng)、1964年英國人D.H.Kelley提出的分層計算機系統(tǒng)、1969年日本鋼鐵公司（新日鐵）君津廠的AOL系統(tǒng)及70年代新日鐵的把其下屬的9個鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的多級計算機系統(tǒng)與其東京總部的計算機系統(tǒng)相連成為當時世界最大規(guī)模的多級計算機系統(tǒng)、80年代的CIMS化等幾個階段；現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)都是按照圖1所示CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)，我國亦有稱之為管理控制一體化系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的多級分層計算機系統(tǒng)。圖1CIM結(jié)構(gòu)流程工業(yè)的CIMS體系結(jié)構(gòu)按ISO（國際標準化組織）是如圖1（a）所示分成6級的，后來又有5級、3級之分。雖然5級體系結(jié)構(gòu)在流程工業(yè)CIMS的發(fā)展過程中起過很大的推動作用，但它忽視了生產(chǎn)過程中的物耗、能耗及設(shè)備在線控制與管理，難以推廣。因此，近來提出BPS/MES/PCS3級結(jié)構(gòu)。其中BPS（Businessplanningsystem）級是單純考慮企業(yè)經(jīng)營管理問題，近來應(yīng)用ERP（企業(yè)資源規(guī)劃），它主要是利用以財務(wù)分析決策為核心的整體資源優(yōu)化技術(shù)；MES（Manufacturingexecutionsystem，即制造執(zhí)行系統(tǒng)）級是考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問題的中間層制造執(zhí)行系統(tǒng)，主要利用以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為指標的先進控制技術(shù)和以生產(chǎn)綜合指標為目標的生產(chǎn)過程優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理技術(shù)，使CIMS中原本難以處理的具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問題得到了解決。近年來由于要適應(yīng)激烈的市場競爭需要，互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，全球化的趨勢，鋼鐵公司的自動化已從公司內(nèi)部到顧客和社會。實行生產(chǎn)－物流－銷售一體化，不僅內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，且與最終用戶（汽車、機電制造等工廠）以至稅務(wù)部門和海關(guān)聯(lián)網(wǎng)，使信息更廣域化和高效化，甚至通過衛(wèi)星監(jiān)視船舶到達地點，以向用戶報告使之作接受準備。此外，電子商務(wù)的發(fā)展等等，這就要求自動化系統(tǒng)能適應(yīng)這些進展。為此，出現(xiàn)如圖2所示的WIMS（網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）。WIMS是以Web和智能技術(shù)為基礎(chǔ)，能充分利用互聯(lián)網(wǎng)的資源，能實現(xiàn)全球化供銷鏈、遠程技術(shù)支持和遠程診斷等，M2-N2是常規(guī)控制和智能控制等，M3-N3可進行監(jiān)控、復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和人工智能等運算，M4-N4以上是智能信息處理系統(tǒng)，M4-N5服務(wù)器將運行生產(chǎn)經(jīng)營管理軟件如ERP、MES等，M5-N5是電子商務(wù)，運行其軟件的服務(wù)器與互連網(wǎng)相連。圖2WIM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息化發(fā)展主要有：企業(yè)內(nèi)部信息化、企業(yè)與外部有關(guān)部門信息化和全球化的電子商務(wù)。企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)包括企業(yè)內(nèi)部的計劃、生產(chǎn)、采購、庫存、運輸、銷售、供應(yīng)、人力資源、財務(wù)、質(zhì)量、設(shè)備運行和維修、工程等內(nèi)容的涵蓋整個企業(yè)的管理信息系統(tǒng)。目前國際大企業(yè)主要實行企業(yè)資源計劃（簡稱ERP），該系統(tǒng)是在企業(yè)已有的供銷管理、制造管理、質(zhì)量管理等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由計算機網(wǎng)絡(luò)把相互獨立的各個管理的系統(tǒng)連接起來，在共同的信息平臺上，對內(nèi)實行企業(yè)設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)等方面所涉及的人力、資金、物料、信息資源的統(tǒng)一規(guī)劃、管理、配置和協(xié)調(diào)，通過對管理業(yè)務(wù)流程的整合，提高了企業(yè)管理效率。對外實行公開的原材料、零配件的網(wǎng)上招標采購，利用互聯(lián)網(wǎng)進行產(chǎn)品交易，大大降低了采購成本和銷售成本，提高了企業(yè)的市場競爭能力。企業(yè)信息化是數(shù)據(jù)源及其集成、管理和應(yīng)用。近來發(fā)展的重要技術(shù)是數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，其功能包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)預(yù)處理、可視化探索、聚類分析、模型建立、數(shù)據(jù)預(yù)報、優(yōu)化設(shè)計、趨勢分析以及規(guī)范管理等。2檢測技術(shù)與儀表的進步檢測技術(shù)與儀表的進步主要表現(xiàn)在：（1）虛擬化在自動化領(lǐng)域中，用硬件與軟件組成的虛擬儀器儀表，因便宜、高效、靈活使得應(yīng)用日益廣泛。虛擬儀器儀表最重要的應(yīng)用是軟測量領(lǐng)域。軟測量的基本概念是通過數(shù)學(xué)模型、狀態(tài)估計等方法通過運算來對無法在線測量的參數(shù)進行在線估計。在鋼鐵工業(yè)如高爐的軟熔帶形狀與位置、高爐爐缸渣鐵液位，轉(zhuǎn)爐熔池鋼水含碳量和溫度的連續(xù)測量（用數(shù)學(xué)模型及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)），連鑄的結(jié)晶器鋼坯拉漏預(yù)報（用數(shù)學(xué)模型及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)）等都采用軟測量方法并嵌入工業(yè)控制系統(tǒng)及監(jiān)視器中來解決的。（2）網(wǎng)絡(luò)化通過Ethernet（以太網(wǎng)）或現(xiàn)場總線可把各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表與計算機連接在同一網(wǎng)絡(luò)上，其優(yōu)點是：可使各自的潛力和資源得以充分發(fā)揮以及合理配置、可使有關(guān)部門數(shù)據(jù)共享、能使遠方部門進行監(jiān)控和診斷以及遠距離調(diào)整（甚至洲際）、可節(jié)省大量人力和降低成本。因此許多大型和復(fù)雜的儀表都數(shù)字化并設(shè)有通信接口，可把數(shù)據(jù)送到相應(yīng)分廠的計算機系統(tǒng)供監(jiān)控或數(shù)學(xué)模型使用。生產(chǎn)科和技術(shù)科也通過網(wǎng)絡(luò)直接下載這些數(shù)據(jù)或表格。（3）智能化除了傳統(tǒng)的使用電腦執(zhí)行各種運算（如自動校零、線性化、補償環(huán)境影響、量程切換、自診斷等）外，主要是人工智能的利用，例如利用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、反饋求精、黑箱映射、權(quán)值平衡、動態(tài)逼近和全息容錯防失等技術(shù)以及模糊邏輯、專家系統(tǒng)、遺傳算法、仿人智能、模式識別、混沌理論、物元可拓法、小波分析、分形系統(tǒng)等等使儀器儀表智能水平大大提高，從而提高精度和解決過去難以解決的問題。鋼鐵工業(yè)的例子有：利用邏輯樹或統(tǒng)計式模式識別、BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)以及自學(xué)習(xí)功能好、調(diào)整時間短的概率法神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來識別冷軋板表面缺陷，基于Beckman理論的在線鋼板表面粗度測量儀，利用圖象處理技術(shù)顯示并定量測量燒結(jié)焦粒粒度及分布的儀表，為解決高合金鋼的板管探傷問題使用SSP法，即把頻譜分離并分別濾波，放大后再合成以提高信噪比，并利用超聲波傳播頻率特性與結(jié)晶晶粒有關(guān)的特點等，采用最優(yōu)頻率方法以提高探傷精度等等。（4）高精度化鋼鐵生產(chǎn)中，一臺150t轉(zhuǎn)爐裝入鐵水稱量誤差為1％時，出鋼溫度將差5℃，石灰稱量誤差5％時，出鋼溫度將差7℃；高爐煉鐵時，如要將鐵水溫度控制在±10℃以內(nèi)，就要求高爐煤氣中N2的分析精度高于0.1%，因而要求檢測和控制的精確度要高。在鋼鐵工業(yè)除了提高傳感器及儀表的測量精確度外，還注意安裝方法和環(huán)境條件，特別是周圍溫度超過允許范圍時會帶來誤差，因而先進的冷卻設(shè)備是很重要的一環(huán)。兩類冷卻裝置值得注意。其一是按流體力學(xué)和熱傳導(dǎo)理論制成的熱管，它比最良好的導(dǎo)熱物質(zhì)—銅所制成的同樣尺寸的管子，其導(dǎo)熱要快幾倍，把成組的熱管裝在大型儀表箱子或晶閘管箱子外壁將大大提高其散熱性，它特別適用于要求密封防塵的場合。另一種冷卻設(shè)備是致冷旋渦管（CoolSureVortexTube），國外如美國的Transonix、EXAIR等公司均生產(chǎn)，是一種小型致冷器。它是根據(jù)Ranque-Hisch管原理制作的，把一般壓縮空氣引進一個小型旋渦管中，氣體在旋渦管中轉(zhuǎn)動前進并分離成兩股不同溫度的旋渦氣流分別輸出，一股比氣源溫度高11～38.9℃，另一股則遠比氣源溫度低，甚至達-61℃。這種小型致冷器只需壓縮空氣即可。這種致冷旋渦管在國外鋼鐵工業(yè)已廣泛應(yīng)用，國內(nèi)的引進工程和設(shè)備（如寶鋼，成都無縫鋼管廠的連鑄機）也在使用。特別適合于難以引進冷卻水的場合和使用水會引起安全問題的場合，前者如行走吊車的連續(xù)測量鐵水或鋼水重量的電子吊鉤秤（雖用擋板來隔熱，但最好有冷卻），后者如監(jiān)視高爐鐵水溝出鐵狀態(tài)的工業(yè)電視（使用水冷，不僅水套笨大，且會結(jié)垢和漏水，水漏到鐵水中更會出現(xiàn)爆炸事故，用風(fēng)冷效果不佳）等冷卻問題。其他如測量連續(xù)鑄鋼的中間包液位所用的壓頭，測量連鑄坯表面溫度、測量熱軋鋼板帶溫度等所用的傳感器，跟蹤熱物料的熱金屬探測器等等都已使用這種致冷旋渦管。（5）機電一體化與在線化在鋼鐵工業(yè)中典型的機電一體化多功能化檢測儀表有：高爐軟融帶形狀探測器，高爐水平探測器，高爐垂直探測器，高爐微波料面形狀測量儀，爐外精煉，H2含量在線分析，鐵水含硅量在線分析，轉(zhuǎn)爐測溫定碳副槍，連鑄多功能輥縫測量儀、結(jié)晶器錐度測量儀，鋼板形狀測量儀，冷熱軋鋼帶板形測量儀，鋼管質(zhì)量多功能檢測儀，線材直徑及橢園度測量儀等等。（6）全球衛(wèi)星定位等高技術(shù)的應(yīng)用近年來則用于測量移動物體的位置，其典型的例子是在鐵水調(diào)度過程中測量鐵水車的位置。如寶鋼鐵水運輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，由中心站（內(nèi)設(shè)接收裝置即DGPS基準接收機、無線通訊機、計算機以及16.5m2大屏幕顯示裝置）、車載設(shè)備（包括DGPS接收機、無線通訊機、導(dǎo)航工控機、工位車號發(fā)送裝置等）和工位車號接收機組成。接收天空中可見的DGPS衛(wèi)星信號，車輛定位是將衛(wèi)星在基準點實測位置與預(yù)先精確測量的位置值進行比較，得出偏差并成為差分量，并通過數(shù)傳發(fā)送到各個車載的DGPS接收機，中心站的計算機將車輛定位信號經(jīng)過處理（包括坐標變換）顯示在大屏幕上。3自動化裝備的進步包括現(xiàn)代工業(yè)控制裝備的進展，主要是PLC、DCS的進一步發(fā)展、FCS的出現(xiàn)與IPC應(yīng)用的擴展、現(xiàn)場總線的出現(xiàn)與以太網(wǎng)應(yīng)用的擴展。過去PLC主要是適宜于開關(guān)量和順序控制以及不是特大規(guī)模的回路控制與數(shù)據(jù)采集。分散控制系統(tǒng)DCS是集通信、計算、控制與顯示（CRT）4C技術(shù)于一體的控制裝置。FCS（現(xiàn)場控制系統(tǒng)）是由PLC和DCS發(fā)展而來的，它是全數(shù)字化、智能化和多功能的取代模擬式單功能儀表和控制器的裝置，它本質(zhì)上是信息處理現(xiàn)場化的裝置與系統(tǒng)。其特點是比較便宜，適宜于中規(guī)模的回路控制、數(shù)據(jù)采集以及量不大的開關(guān)量和順序控制。由于新型的PLC和DCS都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢，即PLC加強了回路控制的功能，DCS也有很強的順序控制功能。至于選哪一種系統(tǒng)還需看具體情況而定，但由于方便連網(wǎng)、設(shè)備統(tǒng)一、減少備件，故鋼鐵工業(yè)EIC系統(tǒng)已由過去的回路控制采用DCS、順序控制采用PLC，而變?yōu)镮E一體化系統(tǒng)，也有用全PLC系統(tǒng)（如上海寶鋼集團梅山冶金公司高爐、本鋼一鐵廠高爐等）的，由于價格原因近來趨向于全PLC系統(tǒng)，如新建的小高爐、甚至大型高爐如天鐵2000m3高爐（2003年投產(chǎn)）都是全PLC系統(tǒng)。隨著PC機的進展，主頻已超過了1GB，硬盤已超過20GB，內(nèi)存也可達256MB，且可以使用更通用的、價格較低廉的系統(tǒng)軟件，如Windows-NT以及各種開發(fā)工具等，在工業(yè)控制中越來越多采用。工業(yè)控制計算機（IPC）就是加固的個人計算機（即PC機）硬件與控制軟件的組合。（1）目前IPC的三個趨勢lIPC采用通用的I/O裝置（如采用西門子公司S7系列PLC的S7-200、S7-300、ET200等I/O裝置）及監(jiān)視器，嵌入通用的、商品化的支持軟件（如控制和數(shù)據(jù)處理軟件以及雙機熱備和冗余配置軟件、監(jiān)視軟件等）組成自動化系統(tǒng)，而且可連網(wǎng)組成大規(guī)模分布式系統(tǒng)、多級計算機系統(tǒng)等。有許多公司生產(chǎn)這種軟件，如美國的Entivity、Think&Do、Steeplechase等公司。PC-based的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)已在許多領(lǐng)域中應(yīng)用。重慶鋼鐵公司這樣的大企業(yè)，幾乎全部大型加熱爐也拆除了原來的DCS或單回路數(shù)字式調(diào)節(jié)器，而改用PC-based工控機來組成控制系統(tǒng)，并采用模糊控制算法而獲得良好效果，節(jié)約了大量投資、方便了維護和取得了顯著經(jīng)濟效益；-在增加可靠性方面，IPC機也可借助于軟件（如美國的Entivity公司的軟件）而作到CPU冗余配置，過去冗余配置只是CPU、網(wǎng)絡(luò)及其通信器，但很少有冗余配置I/O，而事實上CPU更可靠，I/O卻經(jīng)常出毛病，目前不僅I/O可冗余，而且可使I/O部分即只是重要的某些點冗余，這就大大節(jié)省投資；-IPC機也作為過程計算機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的VAX型過程計算機或Alpha系列的小型機，甚至MES級的計算機。近來也已在鋼鐵工業(yè)采用，如寶鋼集團公司上海第一鋼鐵廠的2500m3高爐（過程自動化級采用IPC為核心的工作站）、上海寶鋼集團梅山冶金公司的1250m3高爐（基礎(chǔ)自動化使用西門子S5-155H型PLC，過程自動化級采用兩臺工控機）、寶鋼集團公司上海第一鋼鐵廠新建不銹鋼生產(chǎn)線，采用德國SMS-DEMAG推薦系統(tǒng)包括超高功率電弧爐、AOD爐和VOD爐各一座，后配連鑄機。自動化由西門子承包的其過程自動化級包括4臺PC機，每臺設(shè)奔騰處理器，10GB硬盤，256MB內(nèi)存，CD-ROM驅(qū)動器，內(nèi)部鍵盤和鼠標，系統(tǒng)總線接口板，軟件為Windows-NT，分別作為中央數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、EAF（電弧爐）/AOD爐/VOD爐的過程計算機、開發(fā)試驗計算機和供技術(shù)專家使用的開發(fā)計算機。其功能相當復(fù)雜，包括電弧爐、AOD爐和VOD爐的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型及在線控制。該系統(tǒng)的特點還有無論是操作員終端還是過程計算機、OS服務(wù)器都全部使用PC機，系統(tǒng)軟件也是通用的，因而造價低廉，但功能強大。4控制策略與先進控制的進步隨著工藝優(yōu)化，用戶要求高質(zhì)量、多品種、小批量且價格合理的產(chǎn)品，要求開發(fā)更多高精度、適應(yīng)性更強的系統(tǒng)。經(jīng)典自控理論難以適應(yīng)多參數(shù)、非線性和高度不確定的對象。過去由于快速計算機、CAD環(huán)境、數(shù)值計算法等不具備，使現(xiàn)代控制理論構(gòu)成的系統(tǒng)應(yīng)用不多，80年代后，上述問題相繼得到解決，使現(xiàn)代控制理論得以實用化。（1）先進的控制策略-復(fù)合或改進PID算法（這在鋼鐵工業(yè)使用較多，如連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制等等）；-H∞控制理論以及構(gòu)成魯棒控制方法。按此理論構(gòu)成比較成功的有：連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制、板帶熱連軋厚度自動控制（AGC）和軋機傳動系統(tǒng)軸承振動控制等系統(tǒng)；-預(yù)測控制。預(yù)測控制有多種形式，如：模型預(yù)測控制、綜合預(yù)測控制、recedinghorizon預(yù)測控制、模型預(yù)測啟發(fā)控制、廣義預(yù)測控制、多參量預(yù)測控制等；-自適應(yīng)控制。在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)工程中，不少過程是時變的，若采用的結(jié)構(gòu)與參數(shù)是固定的，則在過程參數(shù)改變時，調(diào)節(jié)品質(zhì)將惡化，甚至失控，這就需要使用自適應(yīng)控制。目前流行的有：自整定控制器及其他簡單的自適應(yīng)控制器（最常見的是自整定PID參數(shù)的控制器，目前大多數(shù)DCS或數(shù)字式傳動系統(tǒng)的電子控制器都有這種功能）、帶有參考模型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)（由于建模困難，目前出現(xiàn)“無模型控制算法”，這種方法其實也是有模型的，不過不需要用戶自己建立而是由自適應(yīng)算法來建立，這種無模型控制算法（NMACA）已有商品化的軟件，據(jù)報道使用NMACA算法比之PID算法控制結(jié)果精度高得多，波動減小到一半以上）、自校正控制（它在理論上是很完善的，但在鋼鐵工業(yè)實踐中，如在退火爐群控制和高爐熱風(fēng)爐控制中效果不理想，且沒有商品化的軟件）；-協(xié)調(diào)控制。它的基本概念是整個生產(chǎn)管理綜合協(xié)調(diào)，包括人機協(xié)調(diào)、人與人協(xié)調(diào)、機與機協(xié)調(diào)、現(xiàn)場與辦公室的協(xié)調(diào)以及管理與控制的協(xié)調(diào)，全盤考慮以獲得最大的經(jīng)濟效益，協(xié)調(diào)控制已在日本的連鑄生產(chǎn)中使用；-多輸入多輸出控制。在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用也日益增多，如日本住友金屬公司鹿島鋼鐵廠3號高爐的熱風(fēng)爐優(yōu)化模型。為了保證送風(fēng)溫度和控制硅磚接縫溫度不低于耐火磚相變點溫度，采用了熱風(fēng)爐動態(tài)模型，把熱并聯(lián)的熱風(fēng)爐動態(tài)特性格式化，用積分式最佳調(diào)節(jié)器多變量控制法來構(gòu)成無論熱并聯(lián)送風(fēng)或低溫送風(fēng)都適合的投入熱量控制系統(tǒng)；-智能控制。主要有3種方式：即：模糊控制（已成功用于高爐熱風(fēng)爐燃燒、加熱爐燃燒、燒結(jié)的配料、爐外精煉的鋼包爐加熱和攪拌、連鑄的結(jié)晶器鋼水液面，冷軋板形等控制，無論調(diào)節(jié)時間和波動幅度都比PID控制好得多）、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制（已用于電弧爐煉鋼以及爐外精煉鋼包爐的電極升降控制、優(yōu)化設(shè)定、電參數(shù)預(yù)測和智能PID控制，熱軋板帶連軋機的優(yōu)化設(shè)定等）、專家系統(tǒng)（它是一種基于專家知識及其推理方法對被控對象進行控制的技術(shù)，過去是單項（如高爐異常爐況診斷、爐熱診斷等）或少數(shù)功能（高爐的爐熱預(yù)報和爐況預(yù)報，以及短、中、長期診斷、突發(fā)性異常預(yù)報、休風(fēng)指導(dǎo)及設(shè)備故障指導(dǎo)等功能）僅作為操作指導(dǎo)的專家系統(tǒng)，近來的進展是綜合化（多目標或全面的專家系統(tǒng)，如芬蘭羅德洛基-日本川崎專家系統(tǒng)并為我國武鋼、本鋼和首鋼引進，它對爐溫、爐型、順行、爐缸中渣鐵平衡進行監(jiān)控與管理，它除了使用知識和產(chǎn)生式規(guī)則外，還使用數(shù)學(xué)模型運算）與閉環(huán)化（如奧鋼聯(lián)的高爐VAIRON自動化系統(tǒng)，其專家系統(tǒng)是閉環(huán)控制的，是世界上第1個實行閉環(huán)控制的的高爐專家系統(tǒng)。它直接按爐子狀況，閉環(huán)控制爐料及其裝入和分布、焦比、堿度、噴煤和噴蒸汽等）。（2）數(shù)學(xué)模型的進展現(xiàn)在在生產(chǎn)過程中應(yīng)用的模型已包括一般模型和模擬模型以及控制模型。一般模型是指帶有技術(shù)計算性質(zhì)的模型如配料優(yōu)化模型等，模擬模型是指模擬對象動態(tài)行為包括工藝過程和設(shè)備性能仿真等，控制模型主要供實時控制或操作指導(dǎo)之用。如高爐過程數(shù)學(xué)模型已由只有控制模型轉(zhuǎn)而為包括：-一般模型：配料模型及質(zhì)量預(yù)測、配料優(yōu)化模型等。-模擬模型：熱化學(xué)模型（操作線圖、碳-直接還原圖即C-DRR圖等）、風(fēng)口循環(huán)區(qū)模型、爐底侵蝕推斷模型、軟熔帶位置推斷模型、高爐操作預(yù)測模型、熱風(fēng)爐操作預(yù)測模型；其他模型還有研究高爐行為的一維、二維和三維模型等。-控制模型：熱風(fēng)爐燃燒模型、無料鐘布料控制模型、爐熱判定模型、多目標綜合控制模型等等。5設(shè)備診斷技術(shù)的進步與人工免疫系統(tǒng)上世紀50年代以前發(fā)達國家的設(shè)備管理都是發(fā)生故障后停車檢修，50年代開始使用預(yù)防性維護（TBM），即安排定期檢修，60年代增加了生產(chǎn)維護，70年代又引入全員生產(chǎn)維護（TPM），80年代發(fā)展為預(yù)報維護（CBM）。預(yù)報維護主要的基礎(chǔ)是狀態(tài)檢測技術(shù)與分析技術(shù)，近年的進展有：（1）電腦化與大規(guī)模信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備診斷近來使用大規(guī)模包括有分析模型的全廠性設(shè)備診斷網(wǎng)絡(luò)和計算機系統(tǒng)，如日本鋼鐵公司八幡廠的熱軋分廠的從加熱爐至卷取設(shè)有設(shè)備診斷專用的多個工作站，進行全廠設(shè)備監(jiān)測、評價、分析和預(yù)報，連鑄生產(chǎn)也使用類似的系統(tǒng)。（2）使用模型進行故障診斷與預(yù)報近來使用數(shù)學(xué)模型進行診斷，主要有兩類模型：-基于解析方法的模型。如參數(shù)估計法、狀態(tài)估計法、等價空間法等，由于大多數(shù)系統(tǒng)都是非線性的，故近來更多研究基于非線性模型，如基于區(qū)間參數(shù)模型、基于有不確定環(huán)節(jié)模型等，但大都很復(fù)雜，多科學(xué)技術(shù)的交叉，使用觀測器、知識工程、自適應(yīng)、魯棒控制技術(shù)等甚至混合技術(shù)，故在鋼鐵工業(yè)成功并商品化的不多；-基于知識方法的模型。如專家系統(tǒng)、模糊技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、peri網(wǎng)、符號有向圖、模式識別等。在鋼鐵工業(yè)主要是使用專家系統(tǒng)，它使沒有經(jīng)驗的人員借此也可以達到專家水平而大受歡迎，它可以是單項的商品化的專家系統(tǒng)，例如旋轉(zhuǎn)機械故障診斷專家系統(tǒng)、電機故障診斷專家系統(tǒng)等，也可以是實現(xiàn)在線計算機系統(tǒng)中的一個功能的專家系統(tǒng)，如冷軋計算機系統(tǒng)中的軋機液壓壓下設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)，還可以是更大的專門機組的AI系統(tǒng)，如高爐余壓發(fā)電故障診斷專家系統(tǒng)等。模式識別也廣泛使用，因為某些記錄曲線，專家一看就知道是會出現(xiàn)故障，例如連鑄鋼包回轉(zhuǎn)臺軸承故障診斷和預(yù)報是很關(guān)鍵的，特別是回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到中間但未到位，如果軸承出故障，停車更換要很長時間，那鋼水會凍住凝結(jié)，損失就很大，而回轉(zhuǎn)臺是旋轉(zhuǎn)極慢（0.7rpm），一般方法無法預(yù)報故障，但可用比較其振動時序曲線的方法解決，專家很容易識別正常與將破損的曲線。（3）大力發(fā)展過程診斷技術(shù)。設(shè)備診斷與過程診斷密切相關(guān)，如軋鋼產(chǎn)品尺寸不良，有操作原因，有設(shè)備劣化原因，冷軋機監(jiān)視系統(tǒng)包括過程診斷與設(shè)備診斷，前者主要是監(jiān)視鋼帶尺寸、質(zhì)量數(shù)據(jù)以及如軋制壓力等操作數(shù)據(jù)，后者監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)，并有分析支持功能以便進行設(shè)備和過程的綜合分析。（4）人工免疫系統(tǒng)。是研究生物免疫系統(tǒng)發(fā)展起來的一門科學(xué)，包括免疫系統(tǒng)模型（如獨特型免疫網(wǎng)絡(luò)模型、多值網(wǎng)絡(luò)免疫模型、免疫聯(lián)想記憶模型等）、免疫學(xué)習(xí)算法（如反向選擇算法、免疫遺傳算法、克隆選擇算法、基于疫苗的免疫算法、基于免疫網(wǎng)絡(luò)的免疫算法等）等。它已開始用于設(shè)備診斷。6機器人的應(yīng)用機器人早已進入鋼鐵工業(yè)，特別是在鋼鐵冶煉的高溫、粉塵大等惡劣環(huán)境，用于渣鐵槽中取樣、更換風(fēng)口和打出鐵口、鐵水罐車噴漿等。日本住友金屬工業(yè)公司用作高爐泥泡投入泥漿、鐵水溝取樣等，但多為機械手或重演式機器人，采用順序控制方式。近來主要發(fā)展是智能機器人，并與工廠控制網(wǎng)相連，甚至作為CIMS的一部分，如日本鋼鐵公司的連鑄機器人，它使用專業(yè)機器人制造廠生產(chǎn)的SCARA型機器人，進行應(yīng)用開發(fā)，該機器人包括眼睛（兩個CCD攝像機及一個圖象處理機）、大腦（內(nèi)含專家系統(tǒng)）、手（六軸負載傳感器和執(zhí)行器），它能辨別結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位，保護渣是否不足并加入和分布保護渣，除去邊渣和渣殼，防止反流卷渣等。除了連鑄機器人外，近來還有砌爐拆爐的機器人，用于拆砌轉(zhuǎn)爐和電爐的耐火磚，不僅省力而且可以使人免除在塵埃環(huán)境下工作。7綜合管理控制系統(tǒng)的發(fā)展與MES系統(tǒng)的廣泛化CIMS（流程工業(yè)稱CIPS，國內(nèi)在鋼鐵工業(yè)有學(xué)者稱為綜合管理控制系統(tǒng)）過去主要是6級或5級結(jié)構(gòu)，近來使3級結(jié)構(gòu)。國外如美鋼聯(lián)、德國的蒂森、英鋼聯(lián)、日本五大鋼鐵公司均已在80年代中、末實現(xiàn)CIMS了。國內(nèi)80年代末在個別廠（如引進的寶鋼熱連軋廠、無縫鋼管廠）實現(xiàn)了CIMS的生產(chǎn)控制級，其后寶鋼和外商合作建成了全公司的CIMS。近來CIMS體系結(jié)構(gòu)主要是3級體系結(jié)構(gòu)。其中以MES為關(guān)鍵，MES起著將從生產(chǎn)過程產(chǎn)生的信息和從經(jīng)營管理活動中產(chǎn)生的信息，以及生產(chǎn)管理活動中產(chǎn)生的信息進行轉(zhuǎn)換、加工、傳遞的作用，是生產(chǎn)活動與管理活動信息集成的重要橋梁和紐帶。據(jù)美國ARC公司（AutomationResearchCorp.）調(diào)查，在采用以BPS/MES/PCS三級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的MES技術(shù)后，可獲得的效益為：質(zhì)量提高19.2%，勞動生產(chǎn)率提高13.5%，產(chǎn)量提高11.5%。因此，MES已成為鋼鐵工業(yè)信息化的熱門。近年來鋼鐵工業(yè)信息化，國內(nèi)已有許多廠礦在建設(shè)并應(yīng)用ERP，為了使ERP更有效和各分廠連接并獲得MES系統(tǒng)的效益，紛紛完善PCS和建立MES，例如唐鋼燒結(jié)廠的MES、江陰錫澄鋼鐵公司的煉鋼MES（含電爐、爐外精煉等）、南鋼煉鋼-中板的MES、漣鋼的煉鐵MES、濟鋼的煉鋼-中板及其一體化MES、濟鋼焦化MES等。8可視化技術(shù)的出現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)的革新高爐是密閉的，只能靠儀表檢測數(shù)據(jù)進行推測，連鑄過程表面看是敞開的，但其內(nèi)部冷卻過程、渣的影響仍然靠推斷，故長期以來技術(shù)的發(fā)展，主要是靠試驗、失敗、再試驗直到成功而取得。近來由于測試技術(shù)、計算技術(shù)、圖象處理技術(shù)、工藝理論、特別是模型化的進步，使人們能了解過程的進展，并實行定量控制。利用上述技術(shù)并結(jié)合多媒體虛擬技術(shù)，把本來模糊的過程，變成透明化、可視化以方便操作，例如日本名古屋鋼鐵廠開發(fā)的連鑄結(jié)晶器可視化系統(tǒng)便是一例。它把傳感器群的數(shù)據(jù)送入專門的可視化用的計算機，在那里經(jīng)數(shù)據(jù)處理和模型運算得出顯示中間品質(zhì)指標數(shù)據(jù)，并與預(yù)設(shè)定鋼種中每個鑄坯消除缺陷所需的適宜作業(yè)比較，然后直接成為可視化畫面，并提出保證鑄坯品質(zhì)的作業(yè)和動作建議。近代高爐重大技術(shù)之一是利用傳感器群的數(shù)據(jù)，經(jīng)多個模型綜合，并利用多媒體虛擬技術(shù)，把密封的、不可窺視的高爐內(nèi)部情況變成開放的、可視化高爐，將內(nèi)部情況用不同顏色的三維畫面顯示，并使用大尺寸投背式屏幕使操作者一目了然，便于操作。9優(yōu)化、無人化與準無人化工廠的進展（1）優(yōu)化生產(chǎn)-公司性的優(yōu)化生產(chǎn)。例如芬蘭羅得洛基鋼鐵集團公司的鋼鐵廠管理決策系統(tǒng)，它包括3個模型：生產(chǎn)能力模型（包括鐵、鋼、坯、軋制過程，估算事故和維修停頓持續(xù)時間分布因數(shù)，亦即每個工序生產(chǎn)多少，是否需滿負荷，是否需減產(chǎn)、是否需停產(chǎn)，要考慮整體效益）、費用模型（按各過程階段計算出物料平衡和能耗平衡來建立）以及優(yōu)化模型（按產(chǎn)品類別