摘要：闡述了下世紀初葉冶金自動化裝備在系統技術、檢測儀表、人工智能應用和電力電子技術等方面的發展趨勢，提出了發展和促進我國冶金自動化裝備技術和工程承包能力的對策。
關鍵詞：21世紀　冶金自動化　發展　對策

　　自本世紀60年代冶金自動化裝備問世以來，取得了極其迅猛的發展。特別是80年代種類繁多的PLC和DCS的出現，冶金自動化裝備的可靠性和實時性，可操作性和可維護性都得到極大的改善。方便的軟件編制和友好的人機界面，不斷提高的性能價格比使冶金自動化裝備技術得到極快的推廣和使用。從單元控制裝置、單體設備自動化以至于全線的自動化系統和全廠全公司的生產管理的控制系統遍布冶金工業的各個工藝流程。冶金自動化裝備技術的發展與應用推廣，使冶金產品的質量和冶金生產線的作業率獲得極大的提高，新產品、新工藝的開發周期大為縮短，獲得了極其顯著的經濟效益。在我國冶金工業產量已基本滿足，主要是增加品種和改善質量的發展期，冶金自動化就變得更為重要，并且提出了更高要求。我國冶金自動化行業也從普及發展階段進入提高階段，要加強適應于冶金自動化需求的軟硬件產品的開發，著力發展具有自主產權的產品和成套工程應用技術為主的高技術產業，減少對國外技術的依賴性。
　　自90年代以來，隨著電子技術、計算機技術、電力電子技術和檢測技術的不斷發展和普及，冶金工藝和自動化更加密切的結合，冶金自動化裝備技術必將得到進一步的發展和提高。
1　自動化系統技術發展
　　縱觀自動化系統的發展方向是集成化和徹底的開放。70年代PLC和DCS系統問世以來，有了極其迅猛的發展，已經成為自動化系統的主流產品，但是各個廠家的PLC產品和DCS產品都屬于專用的系統，有各自的總線標準和通信標準及系列產品，編程軟件和運行支持軟件，開放性較差，致使用戶長期依賴某一廠家的產品，這嚴重損害了用戶的利益，用戶要求是開放的、多廠家產品的集成。在這種形熱下，以PC(個人計算機)為基礎的分布式控制系統及現場總線正在嶄露頭角，進軍工業自動化的領域。
　　在開放和集成這兩個方面，目前流行的PLC和DCS系統同以PC為基礎的分布式控制系統是無法相比的，PC開放的體系結構和無與倫比的市場占有率，使之吸引了全世界幾乎所有著名的電子產品制造商和計算機軟件制造商，形成了產值達上百億美元PC機制造業和幾百億美元的軟件產業，形成了極其強大的市場產品支持和技術支持。
　　近幾年來，PC機技術迅速地滲透到工業控制領域，PC機在工控領域的角色已由最初的人機界面工業過渡到已可以覆蓋從現場設備的I／O、基礎自動化、過程控制直至生產控制和生產管理的全部工廠自動化領域。美國最早引入PLC進行生產過程控制的通用汽車公司從1994年起采用基于PC技術的控制系統逐步淘汰其PLC系統，這也表明以PC為基礎的控制系統已經得到了用戶的認可。
　　開放的PC總線導致了豐富多采的種類繁多的硬件模板的產生，用于數據采集與控制的板級產品已幾乎可以覆蓋所有用戶需求。新一代PC的總線如PCI、EISA、微通道等提供了更高性能，并為一些小型計算機廠商所采用，如DEC公司的α機。開放的PC總線的產品是以通用商品OEM的方式向市場供貨，因而它比專用性的PLC或DCS產品有更高的性能價格比。
　　PC開放的軟件結構和日趨標準化的軟件生產方式，使得高性能多用戶的軟件產品層出不窮，如動態數據交換DDE，對象的鏈接和嵌入PLE。開放的數據庫結ODBC、遠程過程調用RPC、32位機的多用戶多任務操作系統等已為系統集成提供了可供充分選擇的基礎軟件。
　　在工程工具一級，越來越多的第3方軟件公司為工業控制提供了控制算法、控制器編程手段、組態工具和數據管理、專家系統直到CIMS等不同層次的軟件產品，這些軟件大都具有開放的軟件結構，為二次開發與軟件系統集成提供極其便捷的途徑，同OEM硬件產品一樣，第3方軟件產品較某一硬件設備廠家提供的專用軟件有著更高的性能價格比。
　　PC機大受歡迎的另一個重要原因是開放的聯結，進入90年代后，PC的聯網已成為PC的最基本能力之一，基于PC的網絡產品極大地豐富，為用戶使用多家的產品集成自己的系統提供了可靠保證。
　　當然PC本身也在吸收PLC和DCS產品的特點，在框架結構、防塵、抗干擾等方面不斷改進和提高，在用戶強烈要求開放和集成的推動下，以PC為基礎的分布式控制系統逐步取代目前流行的PLC和DCS成為發展趨勢。
　　支持集成和開放發展的另一個重要方向是現場總線。現場總線是一種徹底開放的現場設備網絡，它試圖用數字化通信代替4～20mA的連接標準，現場總線下連接的檢測控制裝置對于工藝設備具有控制、報警等多種功能。
　　通過兩根網絡線能把來自不同廠家的數量龐大的傳感器、執行器、回路調節器和其它儀表連接起來，實現數據交互，極大地簡化了集中式控制系統的走線，降低了系統造價，提高了工程進度和系統的可靠性。
　　由于基于現場總線的控制系統是一種更加分散的控制結構，連接現場總線上的多個廠家產品具有互操作性，導致控制系統的結構發生重大變革，如圖1、圖2所示。

　　以PC為基礎的分布式控制系統，不僅可以取代PLC或DCS實現基礎自動化級控制，而且由于客戶和服務器結構模式的出現，各種檔次PC機既可以作為服務器也可以作為客戶機，形成按區域或流程的PC機群，通過網絡構成管理和控制一體化的信息系統，不僅實現企業內部的互連和信息交換，而且可以同客戶、管理部門、金融業等信息系統互連形成廣泛化的信息系統。
2　檢測儀表的發展
　　檢測儀表的種類不斷增加，特別是用于質量檢測的儀表如鐵水定硅、定硫探頭，鋼水的定碳、定磷、定氧、定氮探頭，型鋼尺寸檢測儀，鋼板涂油層厚度儀，鋼板表面缺陷檢測儀，板、管超聲探傷儀，線棒橢圓度儀，激光測厚儀等專用儀表增加較快。新一代的檢測儀表主要特點是智能和數字。這些檢測儀表均是以微型計算機為核心，可以自動校零、線性化、補償環境因素變化，配置圖形顯示裝置，直觀表達測量的結果。存儲瞬變信息和歷史數據，自測試、自診斷甚至包括模型運算和人工智能的應用，如測量冷軋鋼板表面缺陷的檢測儀采用了BP神經元網絡技術。在一次檢測技術方面，超聲波、微波、激光等新技術大量被采用。這些新型的儀表被采用，使自動控制的精度得到進一步提高，如采用激光測速儀可以實測軋制過程的前滑量，用激光測速儀檢測平整機的延伸率可以獲得很高精度，使延伸率控制性能得到極大的改善。
　　檢測儀表的智能化、數字化，使檢測儀表同控制裝置可以實現網絡的連接，采用現場總線，實現多方向、多變量的數據通信，替代傳統的單變量、單方向的直接輸入、直接輸出的模擬或離散的裝置，實現EIC(電控、儀表、計算機)一體化是發展的必然趨勢。
3　人工智能技術的應用
　　本世紀末和下世紀初在自動控制理論和方法方面主要的發展方向是人工智能技術的應用。
　　人工智能技術主要是神經元網絡、模糊控制、專家系統及其相結合的智能控制系統，近年來已在冶金自動化中得到了多方面的應用。僅日本應用的實例就超過百件，德國Krupp-Hoesch鋼鐵公司的Westfaien鋼廠應用神經元網絡改進數學模型，取得了明顯的經濟效益，尺寸偏差減少12。如在軋制過程自動化方面，傳統的軋制過程數學模型是以軋制力為中心，以一組數學物理方程描述軋制過程。軋制工況是多樣化的，影響軋件質量的因素眾多，并且有些工況參數不能直接地或連續地檢測，具有邊界約束條件的數學物理方程雖然對軋制過程有一個相當近似的描述，但還不能完整精確地表達軋制過程，存在著固有的誤差。采用人工智能技術如人工神經元網絡，通過采集實測數據來觀察工藝過程，積累經驗，并且將以前只有人才能掌握的經驗融入計算過程，就能彌補常規數學模型的不足，它的學習功能不斷適應設備的實時狀態。單純的采用人工智能技術為基礎的的數學模型有點像魔術師的黑盒子，采用人工智能同傳統數學模型相結合的組合模型側重于工藝過程內的各種分析關系式，易于操作者和工藝技術人員接受和使用。來自常規數學模型中先前的經驗不是丟棄，而是通過算法模型和神經元網絡之間的協作關系全部并入組合模型之中，通過這種方法使設定精度得到了提高。在厚板質量工程設計中，以訂單為基礎制定軋制過程中生產工藝和工藝參數的專家系統，軋機液壓壓下故障在線實時診斷的專家系統，連軋機組負荷分配的專家系統都得到了應用。采用模糊邏輯對于實測數據進行評價和判斷，對于傳感器的狀態進行在線實時診斷都取得了良好的效果，人工神經元網絡還應用于軋件板形識別，多輥軋機的板形控制等。
　　在焦化、燒結、煉鐵、煉鋼各個工藝流程同軋制過程相比，物理化學的變化更為復雜。連續有效的直接過程檢測儀表也不如軋制過程的檢測齊全。因此，在冶煉過程控制數學模型方面還遠達不到板帶軋制過程數學模型的精度。在這些工藝流程方面應用人工智能技術更加迫切和必要，在國外已進行了有益的嘗試。
4　電力電子的技術發展
　　由于大規模和超大規模集成電路的迅猛發展，使微細加工技術和高電壓、大電流技術相結合，產生了新一代的電力電子器件，如IGBT、IGCT等。功率半導體技術同計算機技術相結合，將為電能的產生、運輸、分配、消費等各個環節提供優化的設計與應用。作為冶金自動化最重要和最廣泛使用，以電機為中心的電氣傳動執行機構是電力電子應用技術的核心裝置，正在朝著節能、節電、一體化及智能化的方向發展。
　　電氣產品的體積、重量隨著供電頻率的增加，與供電頻率平方根成反比地減少。如果將傳統的整流設備更新換代為高頻的“開關電源”式整流器，其主要材料可節約90以上，還可以節電30以上。由于同樣功率的交流電機比直流電機體積小，重量輕，轉動慣量小，電機結構簡單，極易維護，因而電氣傳動裝置的交流化，電力電子應用技術的高頻化是發展的趨勢。
　　電力電子產品的集成度不斷提高，硬件的結構模塊化，如瑞士ABB半導體公司將GTO功率元件同其觸發電路組合在一個模塊之上形成IGCT產品，使器件之間不再有傳統的引線連接，不僅縮小了體積，而且可以進行靈活的設計和組合配置。
　　傳統的模擬信號由數字信號來代表，模擬硬件電路控制由數字控制的軟件來代替，實現數字化。數字信號穩定，沒有時漂和溫漂，使用軟件編程可以容易實現各種控制功能和功能組合，參數修改方便，具有自診斷的能力，通過計算機網絡很方便地實現同其它控制裝置和信息管理系統進行數字信息的交換。
　　許多用電設備包括電氣傳動裝置可能會給電網造成污染，向電網注入高次諧波，使功率因數下降。正在發展的電力電子技術可以減少和消除對電網的污染，實現所謂“綠色化”。正是因為這一點交交變頻交流調速技術敗給了交直交變頻調速技術。
　　應用技術高頻化，硬件結構模塊化，控制功能數字化，產品性能綠色化，以及新出現的扇片定子電機和無刷雙饋電機，直流高壓輸電的直流電網會給下個世紀的電工領域帶來巨大的變化。
　　除了上述幾個方面之外，在設備診斷、機器人使用等方面，下個世紀也將會獲得更大的發展。檢測技術同多媒體技術的結合，也會使許多冶金過程更具有“可視化”。直接從生產線上采集實測數據，通過計算機仿真，可以為新產品、新工藝的開發提供強有力的工具。隨著冶金自動化裝備技術的發展，必將促進冶金工業的生產朝高效、節能、優質的方向進一步發展。
5　我國冶金自動化裝備技術發展和對策
　　我國各類冶金設備已經引進了不少相當先進的自動化系統，但是總體自動化水平還比較落后。今后我們的任務是消化吸收國外引進的技術，自主開發自有技術，減少對國外技術的依賴程度(我國對國外的技術依賴程度在50以上，而韓國為22，日本只有6.6，美國僅為1.6)，在綜合引進技術和自主開發技術的基礎上實現大部分冶金自動化工程的國產化。
5.1　冶金自動化系統的技術開發
　　在冶金自動化的公共基礎技術方面，應加快以PC為基礎的分布式控制系統和現場總線的產品開發，形成國內的硬件產品系列。執行冶金自動化工程設計規范，開發和建立適應于冶金自動化四級系統的軟件開發平臺，以便實現應用軟件的工程化生產。
　　在冶金自動化的應用技術方面，我們已經制定了各個流程的自動化功能技術規范。要根據冶金工藝現場主體設備的情況，配置適合的自動化系統，特別注重有利于節能降耗的自動化功能的實現。對于質量控制環節如軋制過程的自動寬度控制、自動厚度控制、自動板形控制，要消化吸收引進的各家公司的裝置，博采眾長，加強研究和實踐應用，形成軟硬件配套，包括在線調整和參數優化的成套技術。選擇易于實現的突破口，進行人工智能的應用實踐。在有條件的企業實現控制管理一體化的綜合自動化系統。作為自動化功能實現基礎的檢測儀表和各種電氣、液壓、氣動的執行機構，不僅要根據發展的方向研究新型儀表和執行機構，而且要在工程化上下功夫，提供經得起現場考驗、能長期運轉的儀表和裝置。
　　自從冶金自動化裝置問世以來，冶金自動化始終與冶金工藝緊密結合，是為了滿足冶金工藝的要求而不斷發展的，工藝和自動化是密不可分的，每一種新的工藝出現都要求自動化系統增加相應功能。也正是因為現今的自動化系統可以提供高速計算、豐富的存儲量和簡捷的編程開發使用手段的控制裝置，方便地實現離線模擬和在線控制的功能，促進了新工藝的發展，縮短了新工藝的開發成熟周期。80年代開始發展起來的短流程、連鑄連軋、熱裝熱送、板形控制技術就是這樣的成功相結合的實例。因而自動化的技術人員必須同工藝裝備的技術人員密切結合，才能創造出功能完善，裝備先進，具有自主產權的冶金自動化系統和裝置。
5.2　冶金自動化工程國產化大有可為
　　我國各類冶金設備已具備相當生產規模，但總體裝備水平比較落后。為采用先進工藝，優化品種結構，節約能源和提高效益，冶金設備的技術改造是必然的要求。而冶金自動化系統的技術改造是其中極其重要的、不可缺少的環節之一。主要依靠國內的力量，引進必要的設備和技術，更節省和更自主地實現冶金自動化系統的技術改造是必要的，也是可行的。
5.2.1　國內外冶金自動化工程能力的比較
　　我國自改革開放以來，在消化吸收引進的冶金自動化技術和同國外著名電氣公司的技術合作中，冶金自動化技術有了長足的進步。除板形控制、薄板坯連鑄連軋中某些新技術外，在成熟技術方面國內冶金自動化的工程能力同國外著名電氣公司相比主要有3個差距。第1個差距是國外電氣公司實施冶金自動化工程都有一個工程規范，規定一個冶金自動化工程分成幾個階段來完成，每個階段要完成的任務和要形成的技術文本，這些技術文本的內容和格式都有詳細的規定。而我們國內單位承擔這種工程往往由各工程組根據自己的工程和人員情況自行確定?，F在已由國家冶金自動化工程技術研究中心根據國家制定的有關規范，參考國外多家著名電氣公司的自動化工程規范制定了我國的冶金自動化工程設計規范，這一差距已基本彌補。第2個差距是國外電氣公司對各類冶金自動化系統都有成套的技術，不僅包括自動化系統的結構、配置、功能，各階段的參考技術文本，還包括與自動化系統相關的一些技術說明和技術要求，如檢測儀表和執行機械的選型及安裝要求，技術指標對軋機主體機械設備的要求等。近幾年來國內的單位也已積累了大量的各類冶金自動化系統的成套技術。第3個差距是國外電氣公司都有自己的專用硬件設備和基本軟件及開發的平臺。由于國內尚不具備自制的PLC和DCS系統，到目前為止硬件都是以引進為主，國內完成應用系統的設計、編程、安裝和調試。這就使得我們不能在一個固定的硬件和軟件平臺上進行應用開發和系統集成，隨著國內硬件設備的開發的制造能力不斷增強，經過幾年的努力這個差距也可以得到縮小和彌補。
5.2.2　國內單位工程總承包是最佳選擇
　　如上節所述，國內承擔冶金自動化工程的專業院所和一些大企業的自動化部門，在成熟技術方面除了自己不能獨立制造用于自動化系統的硬件裝置以外，同國外著名電氣公司的工程能力已無多大差距。在引進必要的硬件設備的基礎上由國內單位實施工程總承包需要兩個能力，第一是系統集成的能力，第二是對于所承包的工程的成套技術有很好的掌握和理解。
　　由于用戶強烈要求系統的開放和多廠家產品的集成，近幾年來國外PLC和DCS的制造商在產品的開放性和互連性方面有顯著的改進，越來越多的第3方軟件公司為工業控制開發的各種支持軟件具有很強的通用性，幾乎可以在世界上所有知名廠家的產品上運行，國內也可以提供部分經得住考驗的硬件產品。國內單位在長期使用這些國外產品的過程中積累了豐富的經驗和對產品性能有深刻的理解，對于從事冶金自動化系統技術的國內專業人員來說，集成國內外的優質產品，組成性能價格比高的系統是完全有能力的，并且國內工業控制設備的生產也具備了一定的基礎，正在進入成熟期。由于技術的規一化和開放性導致了系統結構的范式性，系統集成已經變得越來越容易。近年來國內引進的許多工程項目的系統集成是由外國駐華機構招聘的中國雇員來完成的，這些中國雇員大部分是從科研院所和大企業出去的技術人員，既然這些人能承擔這些工作，我們也勿需懷疑留在科研院所和大企業的技術精英們是否有這個能力，關于工程成套技術除個別先進技術外，國內已經掌握。況且國內許多冶金設備的技術改造并不要求最先進的國外技術，絕大部分屬于成熟技術的范圍。在成熟技術方面國外著名電氣公司正在軟件固化，而國內單位已經積累了各家著名公司的技術文本，實施了不少樣板工程。對某些實施經驗尚不足或對實現技術細節尚未完全掌握的技術，可分交給外商來完成，這并不影響工程總承包的實施能力。
　　由國內有能力的單位實施工程承包，采用開放式的方法聯合國內有實力的單位，將某些國內尚未有把握承擔的技術和裝備分包給國外廠商，不僅可以節約資金，而且又可確保工程的質量和水平，無疑是一種最佳選擇。近幾年來，在國內許多重大工程中實施這種方案，獲得了豐碩的成果。
　　從長遠來看，許多冶金自動化工程在建設期內由于試驗的品種和規格有限，不可能調到最佳，在長期生產過程中需要不斷的精調和改進。我們引進的不少成套的冶金設備，不能迅速達產或達到國外同類設備的使用效果，就是因為在安裝調試結束后，外國專家撤走，我們又沒有完全掌握和消化引進的技術設備，工藝人員提出的要求，機械和電氣自動化人員在未完全掌握引進的裝備條件下難以配合工藝人員進行及時的改進和精調。如果采用國內單位總承包，國內技術人員就會很快掌握消化了整個系統和技術細節包括引進的部分。這些國內工程技術人員可以隨時同工藝技術人員相配合，充分發揮引進設備的作用。由國外引進的模型和軟件也不一定完全適合我國的具體情況，這部分的改進更需要國內自動化工程技術人員同工藝技術人員密切配合才能解決。
5.2.3　實施冶金自動化工程國產化的原則
　　實施冶金自動化工程國產化，我們提出兩個基本原則：第1個原則是不能因為國產化而失去先進性，也就是說我們不能開發和應用國外已經淘汰的技術裝備。第2個原則是國產化要實事求是，凡是國內確實有把握完成的任務就由國內來承擔，國內尚無把握承擔的可以通過技術合作或技術引進的方式來實現，因為工程項目不同于科研項目，只準成功，不能失敗，而且有嚴格的時間進度要求，技術和裝備的成熟是第1位，但是也應避免和杜絕國內已經完全能承擔的冶金自動化項目仍然花大價錢由國外引進。
　　近年來在寶鋼、武鋼、鞍鋼、太鋼等許多單位僅引進硬件，全部工程都由國內單位承包的重大冶金自動化項目已經完成了多個。冶金部自動化研究院等單位在重大自動化工程項目同國外著名電氣廠商競爭獲勝已不鮮見。在大型轉爐和軋機的技術改造中實現了“不減產改造”，出現了鼓舞人心的技術改造成果。許多企業已經體會到全部引進的一些不良后果，對于自動化系統的國產化寄于厚望。作為從事冶金自動化工程的專業院所，一定要加倍努力，不辜負企業的希望，為冶金自動化事業的發展貢獻力量。

參考文獻

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