關(guān)于軋鋼自動化現(xiàn)狀及實現(xiàn)軋鋼智能化的探討

陳志軍

（馬鋼股份第四鋼軋總廠，安徽 馬鞍山 243000）

自動化、智能化是工業(yè)生產(chǎn)活動工藝技術(shù)升級的必然趨勢。傳統(tǒng)軋鋼控制體系存在資源利用率不足、產(chǎn)能水平低下等弊端，已無法適應(yīng)目前社會發(fā)展建設(shè)對鋼鐵產(chǎn)品的供應(yīng)要求，自動化、智能化控制技術(shù)應(yīng)運而生。實現(xiàn)軋鋼工序的自動化、智能化，可有效節(jié)約生產(chǎn)成本，并提高軋鋼工藝精度，降低生產(chǎn)過程安全事故、質(zhì)量事故的發(fā)生概率，因此需要對軋鋼自動化發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀及智能化發(fā)展前景進(jìn)行分析總結(jié)。

1 軋鋼概念簡析

軋鋼指的是在壓力環(huán)境下，在旋轉(zhuǎn)的軋輥間改變鋼材形狀的加工過程，以獲得特定形狀的鋼制產(chǎn)品，如鋼管、鋼板等，或依照既定要求，改變鋼材內(nèi)部質(zhì)量，用于航空、鐵路、汽車等特殊用途。依照加工溫度及方式不同，可將軋鋼分為不同類別，目前最常見的分類方式為按加工溫度分為冷軋和熱軋兩種，還可根據(jù)成品特點，分為一般軋鋼和特殊軋鋼。現(xiàn)階段我國大多數(shù)鋼廠均已實現(xiàn)自動化軋鋼，利用自動化控制系統(tǒng)，對軋鋼工藝流程進(jìn)行監(jiān)控，軋鋼的效率和成品質(zhì)量均顯著提升。

2 軋鋼自動化發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 自動化控制系統(tǒng)引進(jìn)情況

軋鋼是鋼鐵生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，相較于其他生產(chǎn)流程，軋鋼的自動化實現(xiàn)水平更高，所引進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)也更為先進(jìn)?？偨Y(jié)軋鋼自動化發(fā)展幾十年來的經(jīng)驗，在傳統(tǒng)控制級，尤其在大功率自動化控制系統(tǒng)中，國外產(chǎn)品占明顯的主導(dǎo)地位，如西門子、三菱電機等公司生產(chǎn)的自動控制系統(tǒng)，在我國軋鋼領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。在基礎(chǔ)自動化和過程自動化級，引進(jìn)產(chǎn)品幾乎覆蓋世界所有著名廠商，尤其在熱連軋、中厚板等模塊。單從自動化控制系統(tǒng)的引進(jìn)來源看，其中廠商就包括德國西門子、日本東芝三菱、日本三菱電機、美國通用電氣、德國西馬克、瑞典ABB、意大利達(dá)涅利等[1]。來自這些世界著名廠商的先進(jìn)自動化控制系統(tǒng)遍布國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)，從整體上看來，德國西門子公司生產(chǎn)的自動控制系統(tǒng)在我國的使用占比最高。

先進(jìn)系統(tǒng)的引進(jìn)使得國內(nèi)軋鋼生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力顯著提升，但因其來源過于復(fù)雜，在系統(tǒng)應(yīng)用方面也存在不小難度。以冷軋寬帶鋼工藝中自動化控制系統(tǒng)的引進(jìn)情況為例。該工藝流程的設(shè)備類型構(gòu)成復(fù)雜、工藝技術(shù)水平高，其中使用設(shè)備的核心設(shè)計及制造技術(shù)以及生產(chǎn)線的核心技術(shù)均掌握在不同國外公司手中。技術(shù)歸屬的復(fù)雜性使得國內(nèi)鋼鐵企業(yè)在引進(jìn)國外產(chǎn)品時面臨較大的限制，常出現(xiàn)同一工藝中存在來自多個供應(yīng)商控制程序的情況。而來自不同供應(yīng)商的控制系統(tǒng)，其計算機型號、OLC類型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、連接方式、通信協(xié)議等均存在明顯區(qū)別，在終端使用上也無法實現(xiàn)統(tǒng)一。

2.2 軋鋼數(shù)學(xué)模型引進(jìn)情況

在數(shù)學(xué)模型的引進(jìn)方面，我國軋鋼工藝采用的數(shù)學(xué)模型主要來自西門子、三菱電機、通用電氣、美國AEG等公司，隨著軋鋼工藝流程的改進(jìn)，其中使用的設(shè)備逐漸更新，數(shù)學(xué)模型也經(jīng)歷了更新?lián)Q代的過程。例如從日本東芝、法國阿爾斯通等公司引進(jìn)的數(shù)學(xué)模型目前已很少出現(xiàn)。

國內(nèi)企業(yè)對引進(jìn)數(shù)學(xué)模型的二次開發(fā)、升級維護能力相對有限，引進(jìn)后模型與國內(nèi)生產(chǎn)線及設(shè)備之間缺乏適應(yīng)性，因后期改進(jìn)技術(shù)跟不上，導(dǎo)致不少模型在花高價引進(jìn)后無法正常使用。即便部分企業(yè)能夠依照個人經(jīng)驗對模型做適當(dāng)調(diào)整，但在經(jīng)驗向理論成果的過渡、總結(jié)方面有所欠缺，使得模型調(diào)整始終缺少理論方案。同時各企業(yè)間相互保密，缺少必要的信息交互和技術(shù)共享，也在很大程度上阻礙了引進(jìn)模型在國內(nèi)軋鋼工藝中的最大化利用。

2.3 自動化控制系統(tǒng)自主研發(fā)情況

軋鋼工藝發(fā)展初期，我國軋鋼自動化控制系統(tǒng)及軋鋼數(shù)學(xué)模型主要依靠國外引進(jìn)，經(jīng)過多年的研究發(fā)展，目前國內(nèi)已經(jīng)具備軋鋼自動化控制系統(tǒng)的自主研發(fā)能力。有技術(shù)團隊對外來的自動化控制系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解剖和分析，從局部改進(jìn)開始，到全新控制程序的編寫以及數(shù)學(xué)模型的自主構(gòu)建，得出了多套更適合我國軋鋼工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的軋鋼數(shù)學(xué)模型。

我國軋鋼自動控制系統(tǒng)的研究突破最先體現(xiàn)在熱連軋生產(chǎn)線上，整合惠普PC服務(wù)器、西門子TDC，打造Level2、Level1相結(jié)合的硬件平臺，開發(fā)出具備自主知識產(chǎn)權(quán)的中間件和熱連軋應(yīng)用軟件[2]。該系統(tǒng)早在2005年即順利投入使用。之后，國內(nèi)不少科研單位、技術(shù)型企業(yè)均在熱連軋自動控制方面取得研究突破，利用西門子TDC進(jìn)行Level1控制。另有單位還研發(fā)出VNE CPU、I/O、通信單元相集成的Level1控制系統(tǒng)?，F(xiàn)役的熱連軋生產(chǎn)線中，其自動控制系統(tǒng)有30%以上為國內(nèi)自主研發(fā)。但在冷軋工藝以及中厚型鋼板的生產(chǎn)中，我國自主研發(fā)的自動控制系統(tǒng)還存在明顯的不足，其中冷軋自動控制系統(tǒng)的自主研發(fā)量非常有限，而中厚鋼板則需要完全依賴于進(jìn)口。

經(jīng)過長期的努力，軋鋼自動化控制實現(xiàn)對國外產(chǎn)品的依賴程度逐漸降低，例如，計算機機型選擇、軟硬件配置、系統(tǒng)功能分配、HMI畫面設(shè)計、數(shù)學(xué)模型選取等方面均取得明顯的成果?，F(xiàn)階段，自動化已成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，有關(guān)軋鋼自動化研究的開展也將面臨更優(yōu)的外部條件，使得自動化控制系統(tǒng)自主研發(fā)能夠覆蓋到更廣的軋鋼工藝領(lǐng)域。

有學(xué)者提出，軋鋼企業(yè)管理者對自動化控制系統(tǒng)來源的態(tài)度在很大程度上影響著軋鋼自動化的發(fā)展進(jìn)程。管理者可選擇直接從國外引進(jìn)自動化控制產(chǎn)品，也可以選擇自主集成，當(dāng)我們具備足夠的自主集成能力后，管理者也更容易選擇自主集成的方式，以降低軋鋼自動化的實現(xiàn)成本。

3 軋鋼智能化發(fā)展前瞻

軋鋼智能化是對軋鋼自動化的進(jìn)一步升級，其與目前工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢和要求相適應(yīng)，能夠進(jìn)一步解放人手，實現(xiàn)軋鋼工藝精細(xì)化、精準(zhǔn)化。

3.1 智能化控制技術(shù)的應(yīng)用

目前被應(yīng)用于國內(nèi)軋鋼工藝中智能化控制技術(shù)主要是PLC控制技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，下面對兩項技術(shù)的應(yīng)用情況做具體介紹。

3.1.1 PLC控制技術(shù)

PLC控制技術(shù)在軋鋼工藝中的應(yīng)用實現(xiàn)了軋鋼過程的一體化控制。在生產(chǎn)線內(nèi)安裝變頻控制器，其內(nèi)置通信接口可與PLC通信接口間完成信息互傳，向變頻器發(fā)送控制命令。變頻器接收到來自PLC的指令后，改變驅(qū)動狀態(tài)對軋鋼生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整。相反的，PLC也可通過變頻器掌握生產(chǎn)線的實時運行狀況，觀察PLC信號，即可對現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

相較于以往的控制技術(shù)，PLC控制的通信方式更為簡單，可極大簡化軋鋼生產(chǎn)線中的硬件設(shè)備構(gòu)成，在控制精確度方面優(yōu)勢非常明顯，使得軋鋼工藝流程更加安全、可靠，最終幫助生產(chǎn)企業(yè)獲取更高的經(jīng)濟效益。

PLC控制的實現(xiàn)是對變頻器進(jìn)行調(diào)控，完成生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的精確調(diào)試，使生產(chǎn)線依照事先設(shè)定的最佳參數(shù)方案運行?，F(xiàn)有的軋鋼工藝流程以熱軋帶鋼為開端，過程中的加熱處理會在帶鋼表面形成較厚的氧化層，進(jìn)入冷軋階段，需進(jìn)行酸洗將氧化膜清除，然后再開展一系列的冷軋操作[3]。冷軋階段對工藝水平的要求非常高，利用PLC控制技術(shù)，正可實現(xiàn)冷軋過程的自動、精準(zhǔn)控制，減少現(xiàn)場人員工作量，規(guī)避安全風(fēng)險，同時也可提高冷軋成品品質(zhì)。

3.1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為一種人工智能識別方法，其模仿腦神經(jīng)的傳遞方式，可完成自適應(yīng)學(xué)習(xí)、自組織等帶有人工智能特點的活動，一般被用于非線性動態(tài)關(guān)系的處理。在軋鋼工藝中，當(dāng)出現(xiàn)難以解決的非線性問題后，即可利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼工藝中具體應(yīng)用于冷軋變形抗力預(yù)測、摩擦系數(shù)預(yù)測以及熱軋帶鋼的軋制力預(yù)測等環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)帶鋼生產(chǎn)多采用連軋工藝，軋制力預(yù)測作為連軋的核心，其預(yù)測過程中需搭建變形抗力模型、應(yīng)力模型、溫降模型等。

若采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行模型構(gòu)建，前期需采集大量數(shù)據(jù)信息，同時進(jìn)行非線性回歸計算。數(shù)據(jù)不可能來源于同一環(huán)境，因此得到的回歸分析結(jié)果也存在一定偏差。此時若利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可通過數(shù)據(jù)積累搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，保證模擬及計算的精度。實際工作中，企業(yè)多在某一產(chǎn)品生產(chǎn)后獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，或通過實驗室實驗得到對應(yīng)的檢測結(jié)果，而利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的在線預(yù)測，通過數(shù)據(jù)檢測，即可對產(chǎn)品參數(shù)做針對性調(diào)整，確保軋鋼工藝流程穩(wěn)定[4]。在線監(jiān)測系統(tǒng)集成人工視覺系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，當(dāng)軋鋼工藝流程運行時，監(jiān)測系統(tǒng)可準(zhǔn)確定位其參數(shù)異常，將無效信息濾除，獲取能夠被專家評分直接使用的數(shù)據(jù)。另外，對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，其品質(zhì)檢驗和過程控制能力還可被不斷提高。

3.2 智能化控制的發(fā)展前景

智能化控制技術(shù)將成為未來一段時間內(nèi)社會技術(shù)發(fā)展的重點方向。隨著智能化控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其也將在鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域得到更深入的應(yīng)用，促進(jìn)我國鋼鐵工業(yè)技術(shù)升級。

全球化市場的打開使得我國鋼鐵工業(yè)面臨更廣闊的發(fā)展空間，但同時也帶來更大的市場競爭壓力，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)想要在激烈的市場競爭中始終保有一席之地，必須不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，將更多智能化技術(shù)引入到鋼鐵生產(chǎn)工藝當(dāng)中。重點關(guān)注先進(jìn)技術(shù)的自主研發(fā)，把握鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的核心技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來更大的盈利空間。

另外，安全生產(chǎn)、節(jié)能減排也是未來一段時間內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展重點。智能化技術(shù)的應(yīng)用使得鋼鐵生產(chǎn)流程更加精確可控，以往需要人工開展的現(xiàn)場作業(yè)可通過智能化控制系統(tǒng)完成，大大降低了發(fā)生人身傷害的風(fēng)險，生產(chǎn)流程精確度的提高也使得各項生產(chǎn)資料均能得到最充分的利用，提高鋼鐵生產(chǎn)過程的節(jié)能環(huán)保性。

智能化技術(shù)的合理運用使得鋼鐵生產(chǎn)過程更加安全、穩(wěn)定、高效，但需要注意，企業(yè)對智能化控制技術(shù)的引進(jìn)必須從自身實際需求出發(fā)，綜合考慮技術(shù)后期運營、升級以及先進(jìn)技術(shù)與當(dāng)前生產(chǎn)線的適應(yīng)性，確保技術(shù)引進(jìn)能夠為企業(yè)創(chuàng)造最高的綜合價值，實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)流程技術(shù)升級。

結(jié)論：現(xiàn)階段，我國軋鋼工藝中引進(jìn)大量國外先進(jìn)自動化控制系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型，技術(shù)自主研發(fā)能力穩(wěn)步提升。針對技術(shù)引進(jìn)中存在的適應(yīng)性不足、維護升級困難等問題，隨著國內(nèi)技術(shù)水平的提升也將被逐步解決。在軋鋼工藝發(fā)展中，重點關(guān)注智能技術(shù)引進(jìn)，全面提高國內(nèi)軋鋼技術(shù)水平。