姜輝1 趙繼東2 趙曉鵬2 哈3 王天杰2 李順2 趙艷2
(1.中唯煉焦技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，
2.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司，3.鞍山鋼鐵集團(tuán)公司能源管控中心)
摘 要：對(duì)自動(dòng)化儀表在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行回顧，分析鋼鐵冶金行業(yè)自動(dòng)化儀表種類，研究自動(dòng)化儀表在保證企業(yè)生產(chǎn)效率、生產(chǎn)安全性、降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度和提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面的作用。同時(shí)指明其智能及先進(jìn)控制應(yīng)用策略、系統(tǒng)研發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制儀表應(yīng)用和專用特殊儀表的研發(fā)，推動(dòng)實(shí)用工程化的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)化儀表技術(shù)；先進(jìn)控制；現(xiàn)場(chǎng)總線；專用特殊儀表
隨著人們對(duì)生態(tài)文明的重視，鋼鐵行業(yè)作為能耗高、污染重的行業(yè)，需進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，以減少對(duì)資源的需求，降低污染物質(zhì)排放量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境共同發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)這一目的，鋼鐵行業(yè)需研究節(jié)能減排技術(shù)，從技術(shù)方面落實(shí)節(jié)能減排策略。通過應(yīng)用自動(dòng)化儀表技術(shù)，可有效提升資源利用率、減少污染物排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
1自動(dòng)化儀表在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展簡(jiǎn)述
(1)第一階段為工業(yè)控制自動(dòng)化發(fā)展早期階段。我國(guó)部分鋼鐵企業(yè)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)及自動(dòng)化控制設(shè)備，這些企業(yè)自動(dòng)化水平較高，且生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量較高。此發(fā)展階段的主要特征為：生產(chǎn)環(huán)節(jié)中應(yīng)用的主要是過程檢測(cè)控制自動(dòng)化儀表，且大部分是氣動(dòng)儀表。此類儀表主要用于控制溫度、壓力、流量及液位參數(shù), 確保各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)的穩(wěn)定性，保證生產(chǎn)活動(dòng)可順利進(jìn)行。
(2) 第二階段為20世紀(jì)80年代。自動(dòng)化儀表在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化儀表價(jià)格有所降低，但鋼鐵冶金企業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量要求在逐漸提升，因而需引進(jìn)更為先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)設(shè)備，部分中小型鋼鐵冶金企業(yè)也將自動(dòng)化儀表應(yīng)用在生產(chǎn)活動(dòng)中。此發(fā)展階段主要特征為：?jiǎn)卧M合儀表、組裝式儀表在生產(chǎn)環(huán)節(jié)得到廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)技術(shù)也被應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制、定值控制功能。此階段研發(fā)了多種控制系統(tǒng)，不僅可保證生產(chǎn)活動(dòng)穩(wěn)定性, 還可滿足一些特定控制要求。
(3) 第三階段為現(xiàn)今。經(jīng)過多年的發(fā)展, 我國(guó)部分大中型鋼鐵冶金企業(yè)已將先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用到生產(chǎn)線中，有效提升了生產(chǎn)效率。目前，很多鋼鐵企業(yè)已實(shí)現(xiàn)全車間無人化或少部分人復(fù)雜操作管理的目標(biāo)，且對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制較為嚴(yán)格。此階段的主要特征為：大多使用智能單元組合儀表，成分檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理功能增強(qiáng)；調(diào)節(jié)類儀表種類增多，穩(wěn)定性較高，自動(dòng)化儀表可滿足復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境要求。過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已發(fā)展為多邊系統(tǒng)，可在生產(chǎn)過程中對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)控制及自適應(yīng)控制。
2鋼鐵行業(yè)自動(dòng)化儀表種類分析
在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)線中應(yīng)用自動(dòng)化儀表，可有效控制整個(gè)生產(chǎn)過程。利用自動(dòng)化儀表可準(zhǔn)確檢測(cè)鋼鐵冶煉工藝參數(shù)，確保能源充分利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。鋼鐵冶煉過程中可使用多種檢測(cè)儀表，因而，鋼鐵冶金行業(yè)需依據(jù)實(shí)際發(fā)展情況選擇最合適的自動(dòng)化儀表，充分發(fā)揮自動(dòng)化儀表的積極作用。
2.1物位儀表、氣體分析儀表
物位儀表依據(jù)實(shí)際測(cè)量對(duì)象不同分為料位儀表與液位儀表兩種。氣體分析儀表主要用于分析鋼鐵冶煉中產(chǎn)生的各種氣體含量(如二氧化硫氣體、一氧化碳?xì)怏w等)。鋼鐵冶金企業(yè)可利用電子型物位儀表、分析儀表處理生產(chǎn)過程中排放的氣體，有效提升處理效率及質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
2.2流量、壓力、溫度儀表
使用流量、壓力、溫度儀表檢測(cè)鋼鐵冶金行業(yè)生產(chǎn)過程中的能源介質(zhì)、冶煉參數(shù)。此類儀表的應(yīng)用范圍比較廣，可適用于能源開采、能源運(yùn)輸和鋼鐵冶煉等多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，全方位控制、監(jiān)測(cè)整個(gè)生產(chǎn)過程。此外，流量、壓力和溫度儀表可監(jiān)測(cè)易腐蝕物質(zhì)中的有害物質(zhì)成分，這對(duì)鋼鐵冶金行業(yè)制定有針對(duì)性解決措施十分重要。
3自動(dòng)化儀表技術(shù)作用及應(yīng)用發(fā)展策略
3.1自動(dòng)化儀表技術(shù)作用
(1) 保證企業(yè)生產(chǎn)效率
鋼鐵生產(chǎn)過程是典型的“三流一態(tài)”的煤鐵化工工藝，涉及到很多生產(chǎn)子過程的有機(jī)耦合，只有準(zhǔn)確掌握各個(gè)過程的工藝參數(shù)，才能保證整個(gè)工藝過程的順行。對(duì)各種參數(shù)的測(cè)定只能通過性能穩(wěn)定的自動(dòng)化儀表技術(shù)。
(2) 保證企業(yè)生產(chǎn)安全性
鋼鐵生產(chǎn)涉及到高溫、高壓和有毒有害氣體產(chǎn)生及排放等諸多環(huán)節(jié)，使用自動(dòng)化儀表可提前進(jìn)行預(yù)警，避免出現(xiàn)有毒有害物質(zhì)泄漏、溫度過高或壓力過大等情況，并由相關(guān)工作者進(jìn)行及時(shí)處理，以免給企業(yè)、社會(huì)造成巨大損失。
(3) 降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度
以往我國(guó)很多鋼鐵企業(yè)并未重視自動(dòng)化儀表技術(shù)的應(yīng)用，在生產(chǎn)過程中，需要人工檢測(cè)溫度、壓力等生產(chǎn)參數(shù)。這些人工檢測(cè)不僅工作崗位危險(xiǎn)性較高，而且獲得的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度不夠高，還需要工作人員具備豐富工作經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識(shí)水平。
現(xiàn)階段使用的檢測(cè)系統(tǒng)，工作人員在主控室中就可及時(shí)獲取數(shù)據(jù)信息。在整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用自動(dòng)化儀表技術(shù)，可降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，保證工作人員生命安全。
(4) 提高產(chǎn)品質(zhì)量
鋼鐵工藝對(duì)數(shù)據(jù)要求越來越高，數(shù)據(jù)不僅要全面、實(shí)時(shí)性好，還要具有高精度。只有這樣的數(shù)據(jù)才能提高產(chǎn)品質(zhì)量和加強(qiáng)企業(yè)精細(xì)化管理。然而對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、挖掘與分析以及優(yōu)化等各個(gè)環(huán)節(jié)都要有相應(yīng)的自動(dòng)化信息化技術(shù)來保證，其中技術(shù)難度較大的是數(shù)據(jù)采集，決定著數(shù)據(jù)應(yīng)用的水平。
3.2自動(dòng)化儀表應(yīng)用發(fā)展策略
3.2.1智能及先進(jìn)控制應(yīng)用策略
智能控制并不需精確掌握被控制對(duì)象模型, 工作人員只需掌握相關(guān)知識(shí)即可。該控制技術(shù)可應(yīng)用在不完全、復(fù)雜、模糊的非數(shù)學(xué)過程當(dāng)中?，F(xiàn)階段模糊控制、自適應(yīng)控制和神經(jīng)元網(wǎng)等多種先進(jìn)智能系統(tǒng)已應(yīng)用到連鑄結(jié)晶器、中間罐液位、熱風(fēng)爐燃燒和生產(chǎn)過程等環(huán)節(jié)中，且獲得了一定成果。鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)通過應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)，可有效提高生產(chǎn)系統(tǒng)適應(yīng)控制能力，規(guī)避生產(chǎn)系統(tǒng)本身存在的非線性、時(shí)變性和外部隨機(jī)擾動(dòng)等多種問題，因而其在鋼鐵行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。智能及先進(jìn)控制在鋼鐵行業(yè)的主要應(yīng)用案例為：依據(jù)自適應(yīng)理論控制連鑄結(jié)晶器液位，根據(jù)預(yù)測(cè)模型控制高爐中鐵水溫度，利用分布參數(shù)理論控制電爐中鋼鐵的成分等。通過這些實(shí)踐可發(fā)現(xiàn)，鋼鐵行業(yè)需積極應(yīng)用先進(jìn)控制軟件，充分發(fā)揮PLC、計(jì)算機(jī)等過程控制系統(tǒng)的積極作用，加強(qiáng)對(duì)應(yīng)用基礎(chǔ)、軟件的研究，提高鋼鐵行業(yè)智能化水平、先進(jìn)控制理念實(shí)用化水平，實(shí)現(xiàn)提升鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量的目標(biāo)。
3. 2. 2系統(tǒng)研發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制儀表應(yīng)用
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)指的是可保證自動(dòng)化系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的數(shù)字化、開放化,雙向串行通信總線，利用數(shù)字化技術(shù)可將此系統(tǒng)延伸到現(xiàn)場(chǎng)儀表中，保證原本由總線控制DCS系統(tǒng)完成大部分組織控制功能轉(zhuǎn)移給現(xiàn)場(chǎng)儀表。
鋼鐵企業(yè)可在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制FCS系統(tǒng)，可完成一體化控制、測(cè)量功能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)分散控告知功能，有效保證生產(chǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性，確保產(chǎn)品質(zhì)量。使用現(xiàn)場(chǎng)總線控制FCS系統(tǒng)，可降低中央控制系統(tǒng)本身計(jì)算壓力，中央控制系統(tǒng)只需完成例行控制工作，如此可充分發(fā)揮先進(jìn)控制系統(tǒng)的智能化、先進(jìn)化控制功能。為保證先進(jìn)控制系統(tǒng)可適應(yīng)于鋼鐵行業(yè)，需依據(jù)鋼鐵行業(yè)的實(shí)際發(fā)展情況及生產(chǎn)特點(diǎn)研發(fā)FCS系統(tǒng)并進(jìn)行推廣，從而提高鋼鐵行業(yè)自動(dòng)化水平、智能化水平，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。
3. 2.3專用、特殊儀表的研發(fā)，推動(dòng)實(shí)用化工程迅速發(fā)展
鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)涉及多種行業(yè)專用、特殊檢測(cè)儀表，以保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性及連續(xù)性、高溫流體成分檢測(cè)準(zhǔn)確性、大范圍檢測(cè)管道臟氣體流量、全面檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度及產(chǎn)品尺寸等。鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中這些特殊檢測(cè)儀表的使用幾率較高, 因而鋼鐵行業(yè)需確定此類自動(dòng)化儀表未來一段時(shí)間的發(fā)展方向，即通過微處理器、計(jì)算機(jī)設(shè)備提高特殊檢測(cè)儀表智能化水平，推動(dòng)其向機(jī)電一體化方向發(fā)展。同時(shí)，可利用CCD元件、新型傳感器、光纖、圖像識(shí)別技術(shù)等多種元件及技術(shù)提高專用、特殊檢測(cè)儀表的性能。近年來，鋼鐵行業(yè)應(yīng)用了渦流式、紅外線、射線檢測(cè)設(shè)備等多新型檢測(cè)儀表。隨著科技、鋼鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展, 需加強(qiáng)對(duì)鋼鐵行業(yè)專用、特殊檢測(cè)儀表的研究及推廣，提高此類儀表的實(shí)用化程度，對(duì)提升鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)效率和節(jié)能減排具有重要意義。除此之外，在自動(dòng)化儀表設(shè)備的管理及診斷中還需積極應(yīng)用智能化技術(shù)，使用檢測(cè)技術(shù)、識(shí)別技術(shù)、預(yù)測(cè)技術(shù)和專家系統(tǒng)等多種智能化技術(shù)及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保證鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性。
4結(jié)語
總而言之，污染物排放不僅污染自然環(huán)境,還會(huì)對(duì)人的身體健康造成不良影響。在鋼鐵冶金行業(yè)中應(yīng)用自動(dòng)化儀表技術(shù)，可提升鋼鐵冶金企業(yè)生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量，降低對(duì)能源的損耗，減少污染物排放量。鋼鐵冶金企業(yè)應(yīng)用自動(dòng)化儀表技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，還可推動(dòng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，從而提高企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力、經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益。