冶金自动化发展的策略与思考0001.docx
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冶金自动化发展的策略与思考0001
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
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。
同时我们高兴的看到,国内许多冶金企业的自动化水平也都发展到了较高水平,一些具有代表性的技术与项目,如全自动炼钢、CSP轧钢自动化等都开始在国内推广,并收到良好的社会效益和经济效益。
但是我们也应该清醒的看到,在一些高端自动化技术与产品方面,我们还处于劣势,为什么?
因为许多核心技术我们还没有掌握,为此,开发高端自动化技术与产品是我们遇到的一个不容回避的问题,也是一个需要解决的问题。
为此首钢在二级过程控制数学模型上另辟蹊径,剑走偏锋,通过过程控制模型的研发与应用,抢占自动化高端产品与技术的制高点。
(1)数学模型是冶金自动化中的核心技术。
牵牛要牵牛鼻子,如果我们掌握了数学模型的这项技术,就掌握了自动化的主动权、话语权。
(2)核心技术是买不来的。
我们要生产国家急需的钢铁产品,就要有相应的高端自动化技术来做支撑,国外厂商出于自身利益,他不会转让这类高端自动化技术与产品,他们所能转让的技术都是有条件限制的技术或已经过时的产品与技术。
(3)警惕新的文化与技术的“侵略”。
就拿数学模型这类技术而言,有些新的品种钢的冶炼技术,他们利用了我们的环境与条件,以及我们的原料以及人力资源,攻关开发成功后,他们会无偿的拿走,再卖给新的用户,而我们还要付给他们钱,这不是“以强欺弱”的“侵略”又是什么?
(4)引进技术的“水土不服”,过去我们引进了一些数学模型,但这些引进模型的应用都是有一定的边界条件限制的,他们把许多条件都理想化,用国外的标准来衡量,而我国国内许多条件都很难满足这些需求。
所以出现了“水土不服”的问题,使用效果大打折扣,甚至夭折。
(5)开展高端冶金自动化领域数学模型的自主创新条件基本成熟。
我们有着广阔的市场需求,我国的冶金自动化水平已经发展到了一定的水平,一支技术创新的团队已经基本形成,而且,许多冶金企业都有着丰富的实践经验,这些都为开展二级数学模型的自主创新创造了极为有利的条件。
3 数学模型是冶金自动化技术的核心
过程控制数学模型是冶金工业自动化与信息化的核心技术,从目前我国冶金工业数学模型的应用与研发方面,无论是从方法论还是从实际应用的角度来看,都有了很大的跨越和进步。
同时数学模型应用与研发的水平,也是检验我国冶金企业创新动力的一个重要标志。
数学模型是控制对象的表征,是对象可执行的表述,正是由于它与信息技术、自动控制技术、工艺能力的有效结合,发挥了重要的指挥与优化作用,所以我们才把数学模型称之为自动化与信息化的核心技术。
3.1 数学模型的概念
由于数学模型涉及范围较广,大家会从各个角度对数学模型进行描述,尽管版本不同,长短不一,但其内容基本都是在一个范围内,如果把数学模型理解为“对过程要素的数学描述”,既简洁也能说明问题。
当然要把这种数学描述用计算机语言准确地表述起来才可以发挥作用。
建立高可用性,高精度的数学模型是我国钢铁工业开发和生产出满足国民经济发展需要的钢材品种。
提高产品质量、节约能源、降低成本,从而实现可持续发展,提升核心竞争力的技术基础。
3.2 模型分类
数学模型分类的方式很多,如果依照建模方法来划分,可分为:
(1)机理模型:
这类数学模型的建立,首先要对控制对象的物理化学过程进行深入细致的研究和理论探讨,找到影响过程各因素之间的关系,应用数学表达式,图形或算法表示出来。
得到数学模型后,再用实际数据进行验证,完善,增加修订内容或确定权重系数,或决定采用分段处理的方式等。
(2)统计控制模型:
这类数学模型建模时与工艺理论关系较少,而是通过现场采集到的大量与过程控制因素有关的数据,以自动控制原理和现代数学理论为基础,应用回归方式建立起数学表达式或图形,这是一种随机性模型,当工艺条件(被描述对象)发生重大变化时,则需要进行重大的修正或完善。
(3)人工智能模型:
它是一种将上述两种模型进行结合和优化而生成新的模型,它是随着自动控制理论与现代数学理论的发展而出现的一种新的建模方式。
这是一种基于规则的模型,其主要的依据是工艺的控制经验和相关的专家知识及理论。
当然,也有按照模型功能划分类别的,如设定模型、控制模型、自适应模型等。
3.3 建模过程
不同行业不同区域的建模过程都有所不同。
我们根据首钢的具体实践情况,大致分成以下几个阶段:
(1)建模准备:
明确建模的目的,对要控制的对象过程经过分析,搜索必要的信息,特征提取,通过要素分析,对建模方式进行选择,形成实质性的建模框架。
(2)数学描述:
根据对象的特征和建模目的,经过相关物理化学定律的应用以及约束条件的确认,抓住问题的本质,做出必要的合理的简化和假设,用数学语言,数学方法表达出所控对象的内在规律,建立包括常量和变量在内的数学模型。
(3)模型调试:
通过对数学模型的求解,达到模型的可执行并通过测试。
(4)模型优化:
通过对结果进行必要的分析,对模型进行进一步的优化和完善。
(5)模型检验:
用实际生产数据,来检验模型的正确性,这样反复进行多次循环,直至最终达到满意的效果。
(6)模型应用:
将检验合格的数学模型与现场的控制系统、检测系统以及数据采集系统等相关系统组成一个系统,在现场最终完成线程调试并开始试运行。
3.4 国内数学模型开发与应用
从我国钢铁企业当前的实际情况来看,主要工艺过程都使用了数学模型,如铁前系统就有焦化数学模型、烧结数学模型和高炉数学模型;炼钢系统中如转炉炼钢数学模型、RH真空精炼数学模型,LF炉精炼数学模型以及连铸数学模型等;轧钢工序是应用过程控制数学模型技术最广泛最成熟的领域,如冷热连轧生产线、中厚板生产线,涂镀生产线、热处理系统等,在线生产控制都使用了数学模型。
但在这成绩面前,我们还要看到,内部仍然存在着更深层次的问题。
(1)在过程控制数学模型的应用中,重复引进的现象比较严重,而且对核心技术的封锁也是十分严重的。
由于种种原因,我们不能有效地对引进的数学模型进行维护和二次开发,以致出现“水土不服”和不能充分发挥作用等问题。
(2)在我们内部的企业之间互相保密,有些企业认为我们自己花的钱引进的技术,就要作为自己本企业的秘密,而加以保护,以致影响到对引进技术的消化、吸收、再创新工作的进一步开展。
这种保密的结果,是替外商保了密,苦了我们自己,帮助外商占领国内市场,我们倒起了一定的作用。
审视整个钢铁工业自动化信息化的发展趋势,过程控制数学模型是钢铁工业自动化信息化最直接最有效的领域,也是最核心的技术,没有或者不掌握这种技术,钢铁工业的自动化信息化就难免流于形式,难以收到理想的效果。
4 首钢数学模型的研究与应用的现状
首钢自从上个世纪七十年代以来,就开始了控制系统数学模型的研发与应用工作,研究成果于上个世纪八十年代获得国家科技进步奖。
本世纪初,特别是2005年以来,首钢集中了全公司的自动化信息化力量,组建了首钢自动化信息技术有限公司,控制系统数学模型的研发与应用工作又揭开了崭新的一页。
4.1 高炉专家系统的研究与应用
高炉炼铁控制是一项复杂的过程控制系统,炉况顺行是高炉控制的主要目的。
目前高炉专家系统多是从保顺行入手开发研究与应用。
而首钢就是在总结了国内外高炉专家系统研究与应用的成功经验与失败的教训基础之上,换一个思路,在一般炉况顺行的基础上,从异常炉况判断入手,提出了“提高高炉异常炉况判断准确性就是保高炉顺行”的新思想,通过主动出击,积极防御,针对各种异常炉况的判断与分析,对原有异常炉况处理的经验进行总结、优化,找出其内在规律性,并用新技术手段加以科学再现,保证高炉生产不受波动或少受波动,从而达到保证高炉顺行的目的。
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
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