自动化调研报告

11 自动化调研报告自动化调研报告 自动化控制系统的应用自动化控制系统的应用 摘要摘要 自动化控制系统应用领域广泛 覆盖了工业 农业 交通 科技 环保 国防 教育 生活等各 方面 在国民经济运行过程中发挥着不可替代的作用 目前 自动化控制系统行业的发展水平 已成 为一个国家科技水平和综合国力的重要体现 关键词 自动化技术 自动控制系统 关键词 自动化技术 自动控制系统 一 自动化控制系统产业总体发展综述 一 一 世界自动化控制系统产业稳步增长世界自动化控制系统产业稳步增长 据权威研究机构 Datamonitor 统计数据 2006 年世界自动化控制系统产业 包括集散控制系统和 可编程控制器两大部分 不包括基于 PC 的工业控制系统和软件 规模约为 125 亿美元 美洲 欧洲和 亚太地区市场规模分别为 37 亿美元 41 亿美元和 47 亿美元 2002 2006 年复合增长率分别为 5 8 2 3 和 5 3 今后几年 世界自动化控制系统产业仍将保持快速增长态势 预计到 2011 年 世界自动化控制系 统产业规模将达到 214 亿美元 其中 美洲 欧洲和亚太地区市场规模分别达到 5l 亿美元 50 亿美 元和 63 亿美元 2006 2011 年复合增长率将分别为 6 7 3 8 和 6 0 二二 发达国家高度重视自动化控制系统产业发展发达国家高度重视自动化控制系统产业发展 纵观世界 经济发达国家都高度重视本国自动化控制系统产业的发展 将其视为国家的战略重点 之一 欧洲地区工业自动化控制产业很发达 特别是德国大面积推广应用自动化测控仪器系统 20 世纪 90 年代就增加了 350 的市场 带动劳动生产率增率增长了 1 9 目前 自动化和控制是维持德国 乃至全欧洲汽车和机械制造高品质的关键技术 在德国汽车生产车间里 大量使用了现现场总线 可 编程控制器 PLC 运动控制 机器视觉 离散传感器 HMI 软件等最新最先进的自动化产品 美国将仪器仪表 自动化控制系统是仪器仪表大类产业中很重要的一大部分 纳入信息技术产业并 采取优先发展的政策 加大战略性投资 日本科学技术厅把自控测量传感器技术列为 21 世纪首位发展 的技术 已成为亚洲测量传感器生产第一大国 三 三 自动化控制产品在节能环保和节约资源领域发挥重大作用 自动化控制产品广泛应用于冶金 石油 化工 建材 机械制造 电力 汽车 轻工 环保等各行各 业 在节能环保和节约资源领域发挥着重要作用 集散控制系统 DCS 是一种分布式控制系统 从传统的仪表盘监控系统发展而来 面向大型工业生 产领域 它适用于电力 化工等行业连续性生产过程的监视与控制 强调连续过程控制精度 可实现 1 PID 前馈 串级 多级 模糊 自适应等复杂控制 适用于工艺过程复杂 被控设备多 控制点数庞 大的系统 如在火电厂脱硫装置中采用 DCS 控制产品对火电厂排放超标的烟气进行脱硫处理 可实现 烟气达标排放 保护生态环境以及避免人体受到有害气体直接或间接的损害 可编程控制器 PLC 是一种控制装置 从传统的继电器回路发展而来 面向一般工业控领域 它的 发展基于制造业的现场设备控制需求 强调开关量逻辑控制 适用于小型自控场所 如在筑物自动化 中采用 PLC 系统控制照明 供暖 空调 可实现节省能源的目的 在电站 化工 印染和造纸等行业 的污水处理过滤系统中采用 PLC 产品 不仅可提高污水处理自动化程度和安全可靠性 而且清污效果 好 排污耗水量少 达到节能环保的效果 二 关键产品市场及技术发展动向 一一 集散控制系统集散控制系统 DCS DCS 信息化 集成化 信息化 集成化 市场快速增长 据美国 Automation Research Corp ARC 发布的报告预测 世界集散控制系统 DCS 市场以每年 7 的增长率快速增长 并将从 2006 年的约 125 亿美元发展到 2011 年的 210 亿美元 尤其是亚洲 DCS 市场需求将高速增长 2006 年亚洲 DCS 市场销售额约为 38 亿美元 到 2010 年将达到 60 亿美元 增长的原因主要得益于以上这些国家基础设施工业如炼油 化工 电力 油气 能源等行业投资 项目的增加促进该国自动化工业的发展 从而导致对集散控制系统的需求大增 目前 DCS 主要集中在美国 日本 德国等发达国家 如美国霍尼韦尔 Honeywell 福克斯波罗 Foxboro 西屋 Westing house 日本横河电机 YOKOGAWA 日立 德国西门子等 国内知名的 DCS 生产商主要有 北京和利时 浙大中控和上海新华控制技术集团等 经过近 30 年的发展 集散控 制系统已经进入第四代 Honeywell 公司推出的 Experion PKS 系统 Emerson 公司的 PlantWeb Emerson Process Management 横河电机公司的 R3 PRM 工厂资源管理系统 ABB 公司 的 Industrial IT 系统等都是新一代 DCS 的代表 国内的和利时公司也推出了自己的第四代 DCS MACS Smartpro 系统 向信息化 集成化和开放化方向发展 信息化 计算机技术 网络技术 通信技术的发展推进了 DCS 的信息化进程 信息化已经不是以控制功能 为主的控制系统 而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统 DCS 实现的信息化功能主要包括 以下几方面 SCADA 功能 SCADA Supervisorv Control And Data Acquisition 数据采集与监视控制 功能包括通过各种通 信协议实现数据采集 对各种实时数据 历史数据 报警信息 事故记录等进行存储 分类 综合和 显示 各种方式的信息显示和传送 如屏幕显示 远程浏览显示及无线终端显示等 几乎所有的第四 代 DCS 都提供了比较全面的 SCADA 功能 如 Experion PKS 中 通过 Digital Video Manager 实现图 像的传输和显示 通过 DSA Distributed System Architecture 用户可实现全球联网 通过 HMI Web Technology 用户可实现任何位置的人机界面的组态 通过 eSenrer 用户可以安全地访问过程信息 还有远程监控 支持无线终端等功能 设备管理和智能维修功能 第四代 DCS 通过智能化现场信号处理模块的自诊断功能实时对 DCS 系统本身的部件自动诊断 而 且一般都提供冗余措施 在关键部件发生故障时报警并自动切换到冗余备件上 保证设备正常工作 还能通过现场总线技术对现场仪表的运行状态自动诊断 并可实现自动校正 确保各变送器和执行器 正常工作 例如 Emerson 公司的 PIantWeb 系统 Honevwell 公司的 AssetMan PKS 系统等都提供了这 样的功能 还包括能源管理 批处理和配方管理 支持开放的数据库接口和多种流行标准网络接口等功能 2 集成化 2 DCS 的集成化主要体现在功能的集成和产品的集成 过去的 DCS 厂商基本是以自主开发为主 提 供的系统也是自己的 如今的 DCS 厂商更强调系统的集成性 DCS 中除保留传统 DCS 所实现的过程控 制功能之外 还集成了 PLC 可编程控制器 RTU 远程终端设备 FCS 现场总线 各种回路调节器 各种智能采集或控制单元等 此外 DCS 厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术 而是对 DCS 的各个组成部分采用第三方集成方式或 OEM 方式 3 开放化 随着网络技术 数据库技术以及现场总线技术的发展 为 DCS 系统的开放创造了条件 各 DCS 厂 家竞争的加剧 促进了细化分工与合作 各厂家放弃了原来由自己独立开发的模式 变成集成与合作 的开发模式 有力地推动了系统的开放 DCS 的开放性体现在与第三方产品的互连上 主要体现在 在企业管理层支持各种管理软件平台连接 在工厂车间层支持第三方先进控制产品 SCADA 平台 MES 产品 BATCH 处理软件 同时支持多种网络协议 主要是以太网 在装置控制层可以支持多种 DCS 单 元 PLC RTU 各种智能控制单元等 以及各种标准的现场总线仪表与执行机构 3 融入现场总线技术 打造更完善的综合系统 现场总线控制系统 FCS 作为一种双向串行多节点的数字通信系统 有很多 DCS 无法比拟的优点 有许多专家 学者甚至预言现场总线控制系统将取代 DCS 但是由于技术上 标准上以及经济性等多 方面的原因 FCS 不可能在短时间内完全取代 DCS 所以既要利用现场总线技术的先进性 又要考虑客 观实际 目前过程控制系统大多采用了将现场总线集成于 DCS 的思想 传统意义上的 DCS 实现分散控制 集中管理 但实际上 DCS 的控制功能并没有真正的分散化 管理功能主要是监控和协调 因此 在未来的发展中 DCS 将与 FCS 集成 充分发挥 DCS 的监控 管 理和决策功能以及 FCS 的现场智能仪表的控制和通信功能 实现生产过程控制的彻底分散化 网络化 使系统配置达到最优 实现完整的控制 管理网络架构 4 中小型 DCS 需求日益扩大 以前 DCS 主要应用于石油 化工 钢铁等行业的大型企业 而众多的中小型企业相对而言资金比 较紧张 也没有必要上很大规模的 DCS 但却迫切需要进行技术改造 提高控制系统的自动化程度 同 样需要适合的中小型 DCS 系统 因此 中小型 DCS 市场具有很大的开拓空间 中小型 DCS 同大型 DCS 相比 可靠性要求没有那么高 甚至可不要冗余 灵活性也较大 完全没有必要像大型 DCS 那样占用 专门的监控室 为了占据中小型系统市场 目前 国内外不少著名的 DCS 公司都推出了自己的中小型 DCS 如 Honeywell 公司的 PlantScape SCADA 国内和利时公司的 FOCS 等 二二 可编程控制器可编程控制器 PLC PLC 高速度 大容量 高速度 大容量 市场规模不断扩大 由于全球经济快速发展特别是各个领域的制造企业的快速发展 带来了可编程控制器 PLC 以及各 种自动化产品和服务的健康增长 据 ARC 发布的报告 2006 年全球可编程控制器 PLC 市场约为 83 亿 美元 今后五年预计还将以 7 3 的年复合增长率增长 到 2011 年将达到 120 亿美元 2006 年 PLC 的最大市场仍在欧洲 中东和北美 但亚太地区近年来受到了更多的关注 快速增 长的市场需求为 PLC 产品带来了更多的机会和巨大的潜力 尤其是中国由于良好的商业环境 为全球 制造业提供了投资建厂的难得机会 迅速攀升的外商在华直接投资 以及快速增长的中国市场需求也 带动了中国 PLC 市场的飞速发展 据 ARC 预测 未来 5 年 中国的 PLC 市场将以 12 4 的年均增长率 强劲发展 中国 PLC 市场规模将由 2006 年的约 7 5 亿美元增长到 2011 年的 13 亿美元 制造业集中在欧美日 目前 PLC 制造企业主要集中在欧美日等发达国家 欧美以大中型 PLC 闻名 日本以小型 PLC 著 称 美国是 PLC 生产大国 有 100 多家 PLC 厂商 著名的有 A B 公司 通用电气 GE 公司 莫迪康 MODICON 公司 德州 TI 公司和西屋公司等 其中 A B 公司是美国最大的 PLC 制造商 其产品约 占美国 PLC 市场的一半 A B 公司产品规格齐全 种类丰富 其主推的大中型 PLC 产品是 PLC 5 系列 该系列为模块式结构 德州仪器 TI 公司的小型 PLC 新产品有 510 520 和 TI100 等 中型 PLC 新产 3 品有 TI300 5TI 等 大型 PLC 有 PM550 530 560 565 等系列 德国的西门子 SIEMENS 公司 AEG 公司 法国的 TE 公司是欧洲著名的 PLC 制造商 德国西门子 的电子产品以性能精良而久负盛名 在中 大型 PLC 产品领域与美国的 A B 公司齐名 西门子 PLC 主 要产品是 S5 S7 系列 S7 系列是西门子公司在 S5 系列 PLC 基础上近年推出的新产品 其性能价格比 高 其中 S7 200 系列属于微型 PLC S7 300 系列属于中小型 PLC S7 400 属于中高性能的大型 PLC 日本的小型 PLC 最具特色 在小型机领域中颇具盛名 日本有许多 PLC 制造商 如三菱 欧姆龙 松下 富士 日立 东芝等 在世界小型 PLC 市场上 日本产品约占有 70 的份额 三菱公司较早的 PLC 产品是小型机 F 系列及其升级产品 F1 F2 系列 继 F1 F2 系列之后 三菱 公司又推出 FX 系列和 FX2 系列 在容量 速度 特殊功能 网络功能等方面都有了全面的加强 FX2N 是近几年推出的高功能整体式小型机 它是 FX2 的换代产品 各种功能都有了全面的提升 近年来还 不断推出满足不同要求的微型 PLC 如 FXOS FXlS FXON FXIN 及 系列等产品 欧姆龙 OMRON 公司的 PLC 产品 大 中 小 微型规格齐全 微型机以 SP 系列为代表 其体积 极小 速度极快 小型机有 P 型 H 型 CPM1A 系列 CPM2A 系列等 中型机有 C200H C200HS C200HX C200HG 系列 大型机有 C1000H C2000H CV 等 松下公司的 PLC 产品中 FP0 为微型机 FPl 为整体式小型机 FP3 为中型机 FP5 FP1O FPl0S FP20 为大型机 3 应用领域不断扩大 目前 PLC 已广泛应用于冶金 石油 化工 建材 机械制造 电力 汽车 轻工 文化娱乐等各行各业 随着 PLC 性价比不断提高 其应用领域不断扩大 如在日本 PLC 的应用范围 已从传统的产业设备和机械的自动控制 扩展到以下应用领域 中小型过程控制系统 远程维护服务 系统 节能监视控制系统 以及与生活相关联的机器 与环境关联的机器 而且均有急速上升趋势 值得注意的是 随着 PLC 和 DCS 相互渗透 两者界线日趋模糊 PLC 从传统的应用于离散的制造业向 应用到连续的流程工业扩展的趋势更加明显 4 向高速度 大容量 多品种方向发展 为了提高 PLC 的处理能力 要求 PLC 具有更好的响应速度和更大的存储容量 因此 向高速度 大容量发展是大势所趋 目前 PLC 的扫描速度已成为很重要的一个性能指标 有的 PLC 的扫描速度 可达 O 1ms k 步左右 在存储容量方面 有的 PLC 最高可达几十兆字节 为了扩大存储容量 有的 公司已使用了磁泡存储器或硬盘 当前中小型 PLC 比较多 为了适应市场的多种需要 今后 PLC 要向多品种方向发展 特别是向超 大型和超小型两个方向发展 现已有 I O 点数达 14336 点的超大型 PLC 其使用 32 位微处理器 多 CPU 并行工作和大容量存储器 功能强 同时 小型 PLC 由整体结构向小型模块化结构发展 使配置 更加灵活 为了市场需要已开发了各种简易 经济的超小型和微型 PLC 最小配置的 I O 点数为 8 16 点 以适应单机及小型自动控制的需要 如三菱公司 系列 PLC 三三 现场总线现场总线 Fieldbus Fieldbus 协调共存性 开放性 协调共存性 开放性 1 新兴市场增幅最大 近年来 现场总线方案呈现快速增长趋势 现场总线目前正越来越被更多的工业领域中的用户所 接受 根据 ARC 发布的报告 2006 年全球现场总线市场约为 8 317 亿美元 预计在未来的 5 年内 其 年复合增长率将达到 22 3 预计至 2011 年 此市场将达到 22 79 亿美元 其中 巴西 俄罗斯 印度和中国等发展中国家现场总线的增长幅度最大 ARC 的研究报告中将亚洲 大洋州地区称之为 现 场总线增长发动机 年复合增长率接近 32 报告预测 拉丁美洲现场总线增长率 包括 IEC 的多 种现场总线协议在内 接近 34 根据 ARC 的观点 现场总线需求全球增长大部分要归功于它的强有力功能 它们既能实现设备管 理用上现场数据 又能通过德国技术监督协会认证的现场总线网络实现与安全系统的连接和借助于 OPC 等技术实现其应用 ARC 预期 随着厂商投资力度的加大 现场总线解决方案的功能将会扩大 从而使其应用范围更 大 既能用于规模最大的企业 又能作为在功能性上发展的有针对性的解决方案 4 现场总线种类和标准繁多 由于在现场总线技术的开始阶段没有一个统一的国际标准 各企业和企业集团相继开发自己的总 线产品 制定现场总线标准 形成了百花齐放的局面 目前 世界上存在着大约四十余种现场总线 如法国的 FIP 和德国西门子公司的 ProfiBus 总线 挪威的 FINT 美国埃施朗 Echelon 公司的 LONWorks 现场总线 德国菲尼克斯电气 Phenix Contact 公司的 InterBus 现场总线 德国博世 Bosch 公司的现场 CAN 总线 德国罗斯蒙特 Rosemount 公司 的 HART 现场总线 瑞士卡罗 Carlo Gavazzi 公司的 Dupline 现场总线 丹麦 ProcessData 公司的 P net 现场总线 PeterHans 公司的 F Mux 现场总线 以及 ASI ActraturSensorInterface MODBus SDS Arcnet 等 还有国际标准组织一基金会现场总线 FE FieldBus Foundation WorldFIP BitBus 美国的 DeviceNet 与 VontrolNet 等等 这些现场总线大多用于过程 自动化 医药领域 加工制造 交通运输 国防 航天 农业和楼宇等领域 大概不到十种的总线占 有 80 左右的市场 而且 各种总线都有其应用的领域 比如 FF PROFIBUS PA 适用于石油 化工 医药 冶金等行 业的过程控制领域 LonWorks PROFIBUS FMS DevieceNet 适用于楼宇 交通运输 农业等领域 DevieceNet PROFIBUS DP 适用于加工制造业 而每种现场总线都力图将其应用领域扩大 彼此渗透 3 向协调共存性和开放性方向发展 由于行业 地域 经济利益等多种原因 目前在不同领域形成多个颇具影响力的总线标准 造成 在众多领域总线标准各异 目前各重要制造商 除力推自己的总线产品之外 也都力图开发总线兼容 接口技术 将自己的总线产品与其他总线连接 在国际标准中出现各类总线标准协调共存的局面 同时 现场总线还有向着开放统一方向发展的趋势 虽然这种趋势现在看来为时尚早 但从用户 角度看 多种总线并立决不是一件好事 由于现场总线采用完全不同的通信协议 要解决这些不同标 准之间的相互兼容和互操作性问题 就必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性 统一的 TCP IP 协议使得 Internet 网络快速发展的经验和以太网标准的许多进步 使一直为现场总线不同协议的兼容 问题所困扰的工业界看到一线希望 许多现场总线组织正致力于发展 Ethernet IP 技术 以太网以其 廉价高速方便的特性被引入底层网络 不仅方便现场层 控制层和管理层在垂直面的集成 更能降低 在水平层面的集成成本 当然 要使工业以太网最终成为统一的总线标准还有许多技术问题有待解决 如总线供电 本征安全等 4 高速现场总线的设计和开发成为竞争焦点 现场总线技术发展体现在两方面 一是低速现场总线领域的发展和完善 二是高速现场总线技术 的发展 目前 现场总线产品主要是低速总线产品 应用于运行速率较低的领域 对网络的性能要求不是 很高 高速现场总线主要应用于控制网内的互连 连接控制计算机 PLC 等智能程度较高 处理速度 快的设备以及实现低速现场总线网桥间的连接 它是充分实现系统的全分散控制结构所必需的 到目 前为止 这一领域还比较薄弱 因此 高速现场总线的设计 开发将是竞争十分激烈的领域 这也将 是现场总线技术实现统一的重要机会 而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其 首要内容 三 自动化控制在工业中的应用自动化控制在工业中的应用 一 一 石油化工自动化技术的应用石油化工自动化技术的应用 石油化工工业自动化技术随着工艺和装备技术的不断发展而发展 从初期简单的手工操作到连续 工艺及负荷不断加大 对生产稳定性要求越来越高 对控制的要求及自动化水平也越来越高 仪表使 用越来越普遍 从简单回路的闭环控制到单元装置的全面自动化 使用的控制工具也从气动单元组合 5 仪表 电动单元组合仪表到 DCS 的广泛应用 控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制回 路 先进控制系统 优化控制系统在各种场合都有成功应用的典范 1 现场总线 fieldbus 是应用于生产现场 在现场仪表 包括变送器 执行器 记录仪 单 回路调节器 可编程序控制器等 之间 现场仪表和控制设备之间实现全数字化 串行 双向 多变 量数字通信的网络互连技术 它的出现 给工业控制技术领域产生了非常大的影响 虽然现场总线国际标准 IEC61158 包含了 FF Profibus ControlNet WorldFIP P NET 等在内的八种 类型 现已增加到十种类型 的现场总线 没有实现它最初的 制定单一现场总线 的目标 同时也宣 告了多种现场总线并存的局面已经形成 但与现有的 DCS PLC 等相比 现场总线控制系统 FCS 由 于具有的全数字多点通信 现场设备状态可控 开放性 互可操作并能实现分散控制等特点 仍然是 石油化工行业基础自动化系统的发展趋势 2 现场总线与 DCS 相结合 将现场总线技术集成到现有控制系统中 将现场总线智能仪表连接到 DCS 上 利用 DCS 丰富而成熟 的控制功能和软 硬件产品带动现场总线的推广应用 一般来讲 现场总线与传统控制系统之间的集 成主要有三种途径 一是现场总线在 DCS PLC 的 I O 层次上的集成 现场总线设备作为 I O 卡件集 成在 DCS PLC 中 第二是现场总线集成在 DCS PLC 网络上 现场总线设备通过网关集成到 DCS PLC 上 统一组态 监控与管理 第三则是独立 FCS 与 DCS PLC 之间的信息集成 即 FCS 与 DCS PLC 都独立工作 两者之间通过网关实现信息的映射与互访 在目前传统控制系统仍在大量 使用的情况下 以上几种方法不仅可以利用 DCS PLC 成熟的技术与经验 也可以发挥现场总线的优 势 同时 在现场总线推广应用的基础上 逐步完善管控一体化功能 利用现场总线的全数字通信功 能 收集现场智能设备所提供的大量非控制信息 建立现场智能设备数据库 建立和完善现场智能设 备的远程状态监控 故障诊断 预防维护 在线调校等远程管理功能 实现对现场设备的一体化管理 与控制 二 二 钢铁过程自动化技术钢铁过程自动化技术 随着经济的迅猛发展及激烈的市场竞争 我国正经历从一个高速增长期到以科学发展观统领钢铁 工业发展的转轨过程 转变增长方式 结构优化调整成为了行业中心 任务特别是在面临世界金融危 机的形势下 加速淘汰落后生产能力 加快提升科技开发与创新能力 发展循环经济 降低消耗 降 低成本 生产适销对路 市场急需的产品已成为发展的重要特征 正是基于这种特定变化的市场环境 的压力 以及发展的技术环境驱使 近年来 作为钢铁业发展重要技术支柱的自动化系统 也有许多 变化与提高 在钢铁过程自动化系统的技术组成中 包含的内容很多 这里就检测技术 控制技术 系统化技术等方面展开 它们是钢铁过程自动化系统的基础和核心 从而也映射了系统总体的现状与 发展动向 2 1 检测技术 1 应用现状 生产过程的检测传感技术的发展 源于生产过程质量 能耗 环境和安全等的需求推动 而应用 的检测技术也给钢铁生产过程的控制和产品质量提供了坚实的技术保障 毋用置疑 给予检测技术推 动的发展有很大影响的是市场对生产过程需求的变化 近年来 除了原来用于过程控制的检测外 很 明显地加强了对产品 包括中间产品 的缺陷等质量的检测 原材料的检测 环境安全检测 其中大 部分以信息反馈的方式进入了自动化系统 钢铁生产过程中过程检测技术在系统中所起的作用与地位 示意如图 1 所示 粗线箭头代表现在主要的信息流向 细线箭头为辅助流向而虚线箭头为今后传感信 息 6 图 1 钢铁生产过程中过程检测技术作用与地位 1 过程控制检测 钢铁过程检测有许多对象 其绝对量检测有 温度 尺寸等如下表所示 表一 钢铁过程检测 过程检测以基本状态量的检测为基础 它体现了系统对象的能观性 也对应了系统的能控性 因 此 检测技术对控制系统有很强的制约 它直接关系到系统能够实现的自动化水平 系统对象的检测 考虑了两个部分 即被控对象及其环境 如 轧制过程在线连续测量轧件尺寸的能力和水准 决定了 轧制可控程度和质量 热轧过程测量是在相对高的振动和高温 水流 氧化层粉层等干扰下实现的 钢材轧制过程中红外温度扫描和成像 CCD 钢板宽度测量和板头尾形状测量技术的开发极大提高了轧 制过程的自动化水平 而轧制过程热轧板形控制和控轧控冷技术将温度测量要求在恶劣的环境下扩展 到多点 动态 高速和高精度水准 2 关于表面 内部缺陷检测 钢铁生产过程涉及到产品质量方面 从表面缺陷 甚至是表面微细缺陷的检测到内部缺陷的检测 如 铸坯表面缺陷检测识别 板材的平直度 凸度检测 涂镀产品覆层检测到管 线 型材等产品表 面缺陷的在线检测和各种新型的高分辨率的表面缺陷检测和针孔检测 进而到以 值测量仪为代表的 7 钢材内部质量检测技术的应用过程 充分反映了对产品质量检测要求的深化 3 关于在线的原材料质量检测 钢铁生产的过程控制 既要考虑原材料是正常质量的情况 又要防止不能应对或无法预期的原材 料变化和缺陷的发生 因此 除具备了烧结矿 煤 焦水份的红外 微波 中子射线检测 煤灰份检 测 铁水硅 硫成份分析检测外 作为在线的原材料质量检测 重要的是硅钢板的硅素含有率的检测 等 4 关于环境安全的检测 钢铁生产过程 严格控制有碍于环境安全的有害物质的泄漏与排放 避免造成不良甚至于严重后 果 因此 关于环境安全的检测是必须的 目前有 烧结过程粉尘排放量 成份检测 高炉 GAS 回收量 和成份检测 焦炉 GAS 回收量和成份检测 冶炼过程粉尘排放量和 GAS 成份检测 加热炉排放废气成 份检测 酸洗涂镀等废液排放检测 水循环和排放的水质检测等 2 发展动向 1 从使产品质量稳定化发展到使产品高质量化 这是持续性开展的方向 伴随 IT 技术的进展 传感器的高性能化 数据处理的高速化 对应于 检测需求的高层次化 使以往不能达到的检测水准现在则有可能达到 其中 引人注目的是广泛应用 图象化处理方法 2 2 控制技术 1 应用现状 在钢铁过程自动化中 除了顺序控制外 最广泛采用的基础控制是作为经典控制的前馈 FF 反 馈 FB 如下图所示 或其组合方式的实用控制和以模型为基础的高级控制术在钢铁过程的控制中 起着极其重要的作用 图 2 转炉炼钢厂锅炉汽包水位的自动控制 前馈 反馈控制 为保证炼钢生产的需要 在生产中常采用前馈 反馈调节自动给水系统 经过无数次的调改调节参 数 系统中配上一些报警连锁装置 最终确保安全生产的需要 1 前工序过程 由于能控性受制于能观性的原因 目前 高炉 转炉的模型均多为操作指导模型 特别是高炉为 大规模非线性系统 应用控制理论的建模工作极其困难 大致经历了两个阶段 首先 通过从过程机 收集的数据 借助于数学模型 计算出反映高炉炉况的指标 从而为高炉炉长提供高炉运行状态指导 8 高炉操作的 Go Stop 系统 其次 综合了专家的实践经验和有关理论研究 通过 AI 技术与信息处理来 对炉况的现状 未来趋势作出预报 给出最佳操作方针以达到指导高炉炉长对高炉冶炼过程的控制 如今 已普遍采用专家系统进行高炉的生产支持系统和借助于经验的智能型炉况诊断系统 炼钢过程 以转炉吹炼为中心 通过吹炼模型的高级化控制工程网版权所有 提高了钢水温度 成分命中率和缩 短处理时间 2 轧钢工序过程 线性近似的轧制压力与轧机刚度静态模型与近似电气 液压系统及张力发生机构动特性的动态模 型的组合来描述 板厚及张力控制可通过应用最优控制 鲁棒控制等技术来实现 多变量控制技术应 用于热轧活套器存在的板张力与活套量 活套高度 的变量耦合情况以及应用于冷轧板形的轧制力变 化补偿 轧辊温度凸度补偿及辊磨损补偿的情况 另外 模型预测控制也应用于热轧薄板的蛇行控制 而基于混合系统 HBS 模型技术用来改善热轧板的宽度控制等 3 连续处理线工序 除连续涂镀线实现了全线的速度与张力控制外 还进行把控制技术与操作诀窍结合的涂层智能 AI 的应用等 即由于实际生产中 存在炉内辐射热使带钢温度测量困难且又无法测定合金状态的 情况下 建立并应用融合以操作人员的诀窍 Know how 为准则的智能控制提高了成品收得率 2 发展动向 1 以实现高质量 多品种 短交货期 稳定化生产为目标需求的控制技术开发仍是主线 主要特点为 通过控制与操作经验结合来克服过程非线性问题 为克服非线性 考虑与操作经验诀窍的结合问 题 即以控制理论为核心的控制技术不仅通过调整系统的动态特性取得提高质量和收得率的实效 而 且还把操作技能纳入技术体系 这给新产品的量产化带来了希望 与相关领域的合作 不仅要有系统 控制技术与检测领域的合作 而且要在计算机能力不断提高的背景下 通过与智能技术 过程解析技 术 材料科学等多领域的合作控制工程网版权所有 来开创自动化的新局面 2 以 在线最优化 为核心的过程控制 鉴于大量数据的在线实时处理已成为现实 钢铁业正着力研究基于大规模数据的高水准建模技术 及控制技术来实现在线最优化 由于 IT 技术的高速发展 不仅使原来高速响应困难的模型预测控制等 最新控制理论在钢铁业的应用出现了转机 经由网络大规模采集的现场数据挖掘的知识发现 为结构 优化创造了条件 以过程稳定 技术经济指标为目标 对关键工艺参数在线连续检测基础上 综合利用预测技术及 在线仿真来进行多变量最优化及实现工序间最优化 而基于可视化技术与基于大量数据的信息趋势引 导技术支持稳定化生产 3 期盼突破高炉过程自动化的难点 高炉是钢铁过程自动化的最难点 国内外正着力沿着从操作指导 半自动化 全自动的途径缓缓 前进 虽然炉顶装入物控制及热风炉燃烧控制等也能部分自动化 但把握高炉整体的生产控制关键是 高炉整体过程模型及基于检测高炉底部反应状况及现象解析的传感器与模型的开发 而通过智能控制 与实用控制结合等手段 来实现广义的钢铁生产过程的高性能闭环控制则也是可实施途径 即基于用 户知识库的闭环控制系统 以实现配料 焦比 碱度 喷吹等目标的在线控制 它将进一步降低人为 因素对高炉操作的负面影响 使高炉运行更加科学合理 4 节能降排对控制技术的需求 高炉进行高效率生产 包含环境对策 余压发电控制技术的开发 转炉进行面向节能 再循环 的控制技术开发 通过吹炼模型的高级化削减合金铁 副原料成本 减少渣量 通过转炉炉压的适正 化 提高工厂内再循环转炉 CO 煤气的回收量 诸如 根据外扰推定观察器的应用来降低炉压变动量 或从生产数据分析建立最佳炉压设定值模式方法等 5 轧钢控制重心转移向材质性能控制 轧钢控制重心 从以往的外部尺寸规格控制逐渐转移到关心生产好材质的控制系统来 当然 关 9 于尺寸规格控制也会要求愈来愈严 仍需要持续性不断改善 另一方面 更要关注材质的生产问题 试用基于模型的最优化和数据库等直接控制材料的耐力与强度等机械特性 例如 包括在线冶金模型 与基于材质性能预测的钢板材质控制系统等 而以热轧带钢力学性能预报模型及其在线应用技术广受 关注 它不仅对有效余材充当满足客户需求 缩短交货期 降低库存 加快资金周转有积极意义 而 且为更灵活地组织生产提供了崭新的手段 被认为是实现动态生产控制的关键技术之一 2 3