钢铁企业自动化现状研究论文

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这次调查的主要内容是重点钢铁企业主要生产工序的自动化基本状况。诸如20m2以上烧结机的烧结系统、300m3以上高炉的炼铁系统、30吨以上转炉和25吨以上电炉和连铸的炼钢系统、管带线热冷轧的轧钢系统，以及涂镀及其他深加工系统的配置和应用情况，对上述这些系统中的基础自动化、生产过程控制系统、车间管理或生产制造执行系统中应用的可编程控制器、集散控制系统、工控机、计算机等的数量，以及数学模型的数量做了统计。同时还调查了各生产装备的自动化水平、主要计算机和控制设备的型号。

调查的范围包括65家钢产量在百万吨以上的重点钢铁企业，这些企业的自动化程度和水平基本上能够代表全国钢铁行业的自动化的现状。

最后，分别对65家重点钢铁企业和其中宝钢、鞍钢、首钢、武钢、马钢、攀钢、本钢、唐钢、包钢、太钢、邯钢和济钢12大钢自动化现状进行了汇总对比，分析了烧结系统已配置有基础自动化、过程自动化和生产制造执行系统的烧结机的台车面积占所有企业台车面积总和的比重；炼铁系统已配置有基础自动化、过程自动化和生产制造执行系统的高炉容量分别占所有企业高炉总容量的比重；炼钢、连铸、轧钢系统已配置有基础自动化、过程自动化和生产制造执行系统的装备或生产线的生产能力分别占所有企业生产能力总和的比重。

在分析过程中，采用的是最简单的认可方法，即只要配置了一台自动化控制装置或控制系统，就认可该装备或系统初步具备了自动化的生产能力，对其自动化所应用的具体功能内容及其发挥的作用未做进一步调查。通过这样初步的统计，计算出各主要生产装备或工序采用自动化技术设备的比重，从而分析得出自动化的程度。

从调查结果看，钢铁行业自动化技术经过多年的研究和发展，水平得到显著提高，有的已经领先国内，有的已经达到了国际先进水平，特别是有的已经具有了自主知识产权并形成了产品在行业内推广应用，这些技术成果获得了国家级、省部级的大奖。之所以有这样的结果，一是在经济全球化、市场国际化的大环境下，企业认识到自动化技术在企业发展中的重要作用，不采用新技术搞自动化，就难于提高生产效率和产品质量，就难于在激烈的国际国内的市场竞争中占有一席之地；二是企业看到了自动化所产生的实实在在的效果，为企业带来的巨大效益；三是企业在基建和技改项目上重视上自动化项目，肯于投资。

进入20世纪90年代，在信息技术和控制技术的迅猛发展和广泛应用的推动下，钢铁工业向高精度、连续化、自动化、高效化快速发展，使钢铁生产工艺、产品和技术装备呈现出如下特点：1.流程短、投资少、能耗低、效益高、适应性强和环境污染少的新技术、新工艺被不断应用；2.提高产品的外形尺寸精度、改进表面形貌和改善内部质量的技术受到重视；3.生产技术装备向大型化、现代化、连续化迈进。信息技术、控制技术使检测和执行设备取代了传统的人工操作，工艺参数的检测方法和检测仪表得到了高速发展；在现代钢铁生产过程控制中，计算机技术的应用已深入各个领域，传统的计电仪功能划分不再明显；仿真技术在钢铁工业中日益广泛应用，不仅用于控制系统的培训和新工艺、新控制方法的研究，而且易于模拟生产设备调试，指导生产和参与生产；人工智能技术已经广泛应用，包括模糊控制、专家系统和神经元网络在各个工序的应用已取得可喜成果和经济效益；可视化技术和监控系统为无人化工厂提供了条件：从现场总线到车间网、工厂网、企业网的综合网络系统构成了企业的信息高速公路。

根据有关资料，“七五”末，大中型设备实现自动化的比重约为总生产能力的30%，其中过程自动化为13.3%，基础自动化为16.7%。按炼铁、炼钢和轧钢三项主要工艺设备统计，装备了基础自动化设备和其他自动化检测装置的大中型高炉，占炼铁总能力的41%。配备了过程计算机的大型转炉占炼钢总能力的16.3%，而实现基础自动化的大中型转炉占炼钢总能力的7.9%，大型主力轧机实现了过程自动化的占全国成品材轧制能力的17%。上述配备了过程计算机生产设备是技术发达国家20世纪70—80年代初的水平。“八五’期间，新建和改扩建的冶金大型工艺设备都已程度不同的装备了过程计算机系统，各主要工序普遍提高了自动化的水平。如：炼铁工序中，装备了过程计算机的大型高炉生产能力占炼铁总能力的比重达到19%；炼钢工序中，实现了过程自动化的炼钢能力占总能力的比重达到37%；连铸自动化的比重也有了显著提高；全国成品材轧制能力中过程自动化的比重达到20%。

通过2003年的调查了解到，钢铁企业在“十五”期间内新上或改造的自动化工程中，基础自动化级已经普及。在重要的生产工艺过程的控制自动化系统得到了企业领导决策层的高度重视，在新建和技术改造项目建设的同时，加大投资力度，采用配套引进国外技术和装备或选择与国内科研部门联合技术攻关相结合的道路，大大提高了生产过程的控制能力，提高了过程控制自动化的水平。第三级的生产制造执行系统，作为近年国内外重要的生产管理控制技术以其所产生的关键作用，已经被许多企业所接受。在一些新建的生产流程线上，积极与国内外合作伙伴共同研发或购买软件平台，加速建设。这一级系统的陆续投产运行，将会对钢铁企业产销一体、管控衔接、信息畅通的信息化起到至关重要的作用。新建设的自动化系统，瞄准了国内外先进技术，力争达到国际先进水平。

下面，我们对截止到2003年6月，钢铁企业在主要生产工序中的基础自动化、生产过程自动化、车间管理或生产制造执行系统的应用现状、钢铁企业自动化的发展程度和水平分别予以分析和对比。

1.基础自动化已经普及

在钢铁企业的烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等主要生产工序和流程中基本上普及了基础自动化。

基础自动化(一般称为设备控制级)是生产过程自动化中最底层、最基础的部分，由各种电子、液压、气动控制装置组成，承担各种生产工艺参数的计量检测和设备控制。基础自动化级普遍采用各种可编程控制器(PLC)、集散控制系统(DCS)和成套工业控制机。它们对设备级的控制发挥重要作用。目前的应用基本上可以达到94%以上。生产工艺控制愈复杂，基础自动化的程度就愈高，高炉系统甚至接近100%，连铸、轧钢达到99%。

我国重点钢铁企业共应用PLC约7226台套，DCS约1280台套，工业控制机约4791台套。见图1。

2.生产过程控制自动化有了提高

过程计算控制系统即生产过程自动化是提高产品质量、保证生产过程优化控制的重要的环节，—般由过程控制计算机系统完成，包括生产过程控制系统、工艺控制数学模型和人工智能等技术的应用。近年来，生产过程控制自动化有了一定的发展，较“七五”、“八五”期间有很大增加，见图2。

大量数学模型和人工智能技术，如模糊控制、专家系统和神经元网络等在这一级广泛应用。高炉炉况预报模型、软熔带推断模型、炉料下降仿真模型、冷轧设定模型等等，还有高炉冶炼专家系统、基于模糊控制的电弧炉电极提升系统、采用神经元网络的连铸漏钢预报系统、均热炉模糊控制系统、钢板冷却智能化控制系统等在各个工序的应用，已经取得重大成果和经济效益，目前正在向多种技术的混合系统发展。

由于引进或改造了一批能够生产高附加值产品的冷热轧系统及配套的自动化控制系统，使得轧钢系统的过程控制自动化程度提高幅度最大。见图3。

在生产控制自动化级中，配置的生产过程控制计算机系统以小型机为主，共2108台套，应用的控制优化数学模型和人工智能软件系统共1066个。

由于受优化数学模型的开发及引进的模型的消化吸收滞后的制约，生产过程自动化仍有较大的发展空间。在“十五”期间乃至今后一些年里，在新建和改造的大中型设备上应配置过程控制计算机系统。

3.车间管理级或生产制造执行系统受到关注

车间管理级或生产制造执行系统(UES)近年来得到钢铁企业的普遍关注，已经有部分企业在新建或改造生产线的同时，引进国内外先进技术开发生产制造执行系统，这些系统在一两年内将陆续投入运行。

生产制造执行系统主要由区域管理计算机系统完成在线作业计划和生产调度管理、质量跟踪控制等许多功能。这一级系统在企业信息化架构中的位置和重要作用是不可或缺的，只有实现它们，才能使控制系统和管理信息系统实现无缝对接和系统集成，生产实际数据和生产指令才能顺畅的上传和下达，实现信息不落地传输。为了实现企业信息化，今后应进一步认识它的重要性并努力发展之。根据图4我们可以看出，这一级的应用才刚刚起步，应用的水平还较低，许多地方仅仅是在车间或厂内建设了计算机局域网络和少量的生产报表处理，大量的生产实际数据通过人工输入。

车间管理或生产制造执行系统应用的计算机共1502台套。

4.主要生产工序自动化现状

我们还可以通过以下各图表显示每个生产工序中各级自动化的现状以及对比状况。

(1)烧结系统自动化

烧结系统自动化包括对烧结的原料储存、配料，混合烧结和冷却等几个部分的计量检测、自动控制和管理。

从图表中看出，在重点钢铁企业烧结系统中，20M2以上的烧结机的台车总面积总计约15637平方米，已经配置有基础自动化系统的台车面积达到94%以上，过程控制自动化居中，车间管理级或生产制造执行系统非常低。

表1重点企业与12大钢在烧结系统中各级自动化所占的比重

总台车面积

基础自动化级(L1)

过程自动化级(L2)

车间管理级或制造执行系统(L3)

(M2)

台车面积

比重

台车

面积

比重

台车面积

比重

重点钢铁企业

15637

14768

94．44％

6933

44．33％

299

1．91％

其中12大钢

9410

8765

93．15％

4472

47．52％

(2)炼铁系统自动化

炼铁系统自动化是指在高炉本体、热风炉等主要工艺部位的自动化控制系统。炼铁系统自动化主要是改善操作、稳定炉况、提高质量、增加产量、降氏能耗、延长炉体寿命。

在高炉炼铁系统中，重点钢铁企业300m3以上的高炉总容积为159228立方米，并且全部配置了基础自动化系统，自动化的比重达到100%。过程控制系统的自动化比重已经超过50%以上，部分高炉上配置了国内外先进的高炉冶炼专家系统等。

表2重点企业与12大钢在炼铁系统中各级自动化所占的比重

总容积(M3)基础自动化级)(L1)过程自动化级(L2)车间管理或生产制造执行系统(L3)

容积比重容积比重容积比重

重点钢

铁企业159228159228100.00%8541353.64%50003.14%

其中12

大钢8896088960100.00%5478761.59%41004.16%

(3)炼钢系统自动化

炼钢系统的自动化可以改善操作、延长炉龄，是提高钢产量、保证钢水质量、缩短冶炼时间、降低能源消耗、提高一次拉碳命中率的重要手段。炼钢自动化包括转炉自动化和电炉自动化。

表3重点企业与12大钢在炼钢系统转炉中各级自动化所占的比重

转炉总生产能力基础自动化级(L1)过程自动化级(L2)车间管理级或生产

制造执行系统(L3)

(万吨／年)年生产能力比重年生产能力比重年生产能力比重

重点钢铁

企业125761201195.51%696455.37%320025.45%

其中12大

钢63006300100.00%442570.24%273043.33%

表4重点企业与12大钢在炼钢系统电炉中各级自动化所占的比重

电炉总生产能力基础自动化级(L1)过程自动化级(L2)车间管理级或生产制造执行系统(L3)

(万吨／年)年生产能力比重年生产能力比重年生产能力比重

重点钢铁企业2586250696.91%125748.61%51019.72%

其中12大钢82178195．13．％24629.96%10012.18%

(4)连铸系统自动化

连铸自动化系统能够改善铸坯质量、提高产量、增加金属收得率和提高连铸比，应用人工智能控制的方法，加强对连铸质量的预报和控制。

在连铸系统中，重点钢铁企业的连铸机总的年生产能力为13195万吨，而已经配置有基础自动化设备的生产能力达13117万吨，所占的比重是99.41%。以此类推，过程控制自动化是54.31%，生产制造执行系统为15.37%。

表5重点企业与12大钢在连铸系统中各级自动化所占的比重

总生产能力基础自动化级(L1)过程自动化级(L2)车间管理级或生产制造执行系统(L3)

连铸(万吨／年)年生产能力比重年生产能力比重年生产能力比重

重点钢铁企业131951311799.41%716654.31%202815.37%

其中12大钢56935693100.00%305053.57%115320.25%

(5)轧钢系统自动化

随着轧钢生产向大型化、高速化、精密化、连续化方向发展，轧钢生产对自动化装备的要求比其他生产工序高，自动化系统和自动化装备的水平对最终产品的质量影响也最大。因此，轧钢系统中采用的自动化设备和系统比较多，各级自动化控制程度也比较高，是现代钢铁工业自动化技术应用最集中的地方。其中12家大型钢铁企业更加重视轧钢生产工序中自动化技术的应用，相关数据普遍高于重点企业的平均数。

由于自动化控制技术的发展，薄板坯连铸连轧计算机控制系统的控制范围扩大，产品厚度越来越薄，对板形控制、自由轧制以及层流冷却等特殊要求，加强第三级生产控制级以协调炼钢、连铸和热轧的生产，保证100%的板坯热装热送。提高了产品的外形尺寸精度和改进表面形貌，以及改善了板带内部质量。在热冷轧宽带钢的轧制工艺、轧机形式和控制技术等方面也采用了一系列新技术、新工艺和新设备，生产率大大提高。

表6重点企业与12大钢在轧钢系统中各级自动化所占的比重

管、线、带总生产能力(万吨/年)基础自动化级(L1)过程自动化级(L2)车间管理或生产制造执行系统(L3)

年生产能力比重年生产能力比重年生产能力比重

重点钢铁企业163891633699.67%1127368.76%573134.97%

其中12大钢89188918100.00%683276.61%462251.83%

基于钢铁工业自动化在企业信息化中的重要地位和作用，为了使各级系统的指令或数据能够顺畅地传递，达到各级系统的无缝对接，形成一个整体，发挥最大的综合效益。因此，在各级自动化系统的设计和实施过程中，要充分考虑与上下级系统的信息传递接口。例如在本级系统的建设中，尽可能收集并保存将来上级系统所需要的各种现场生产过程信息，待条件成熟建设上级系统时，就可以顺利地将这些信息传递上去。

钢铁企业自动化的专业职能管理

通过调查，在各重点钢铁企业内都设有自动化专业技术管理部门和实施队伍。尽管每个企业的机构设置不同，有的在自动化部(所)、有的在计控部、技术中心，还有的在设备部门，但它们对自动化项目的建设管理和自动化技术的推广应用发挥了重要的作用。如今在钢铁行业信息化的进程中，已经涌现出一批既懂自动化技术、又懂管理和生产工艺流程的信息化复合型人才进入企业的决策层。

随着企业信息化建设的深入和自动化信息化技术的发展，企业要全面健康、协调、可持续的发展，就要加快推广应用国内外先进、适用的冶金自动化技术和信息技术，走新型工业化道路。在今后若干年里，随着企业的工艺流程控制、装备的不断更新改造，以及提高产品质量和生产精细管理的需要，钢铁企业必将投入建设更多的信息化、自动化应用项目。在信息化的大潮中，广大自动化专业职能管理部门和自动化工程技术人员艰苦努力、坚持技术不断创新，肩负着光荣而艰巨的信息化建设的重要任务。

综上所述，普及基础自动化，大力发展生产过程自动化，重视生产控制系统／生产制造执行系统的建设，加快企业管理信息化的建设进程，早日实现我国钢铁行业企业信息化、管控一体化的目标仍是“十五”期间乃至以后若干年内的重要目标和艰巨任务。

参考资料：

1.《钢铁工业自动化功能规范》，冶金工业部科学技术司，1993年7月出版。

2.《钢铁企业信息化知识读本》，漆永新、王巍巍主编，2001年12月出版。