關于軋鋼自動化現狀及實現軋鋼智能化的探討

陳志軍

（馬鋼股份第四鋼軋總廠，安徽 馬鞍山 243000）

自動化、智能化是工業生產活動工藝技術升級的必然趨勢。傳統軋鋼控制體系存在資源利用率不足、產能水平低下等弊端，已無法適應目前社會發展建設對鋼鐵產品的供應要求，自動化、智能化控制技術應運而生。實現軋鋼工序的自動化、智能化，可有效節約生產成本，并提高軋鋼工藝精度，降低生產過程安全事故、質量事故的發生概率，因此需要對軋鋼自動化發現現狀及智能化發展前景進行分析總結。

1 軋鋼概念簡析

軋鋼指的是在壓力環境下，在旋轉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品，如鋼管、鋼板等，或依照既定要求，改變鋼材內部質量，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，還可根據成品特點，分為一般軋鋼和特殊軋鋼。現階段我國大多數鋼廠均已實現自動化軋鋼，利用自動化控制系統，對軋鋼工藝流程進行監控，軋鋼的效率和成品質量均顯著提升。

2 軋鋼自動化發展現狀

2.1 自動化控制系統引進情況

軋鋼是鋼鐵生產中的關鍵環節，相較于其他生產流程，軋鋼的自動化實現水平更高，所引進的自動化控制系統也更為先進。總結軋鋼自動化發展幾十年來的經驗，在傳統控制級，尤其在大功率自動化控制系統中，國外產品占明顯的主導地位，如西門子、三菱電機等公司生產的自動控制系統，在我國軋鋼領域的應用非常廣泛。在基礎自動化和過程自動化級，引進產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的引進來源看，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、意大利達涅利等[1]。來自這些世界著名廠商的先進自動化控制系統遍布國內各大鋼鐵企業，從整體上看來，德國西門子公司生產的自動控制系統在我國的使用占比最高。

先進系統的引進使得國內軋鋼生產效率和生產能力顯著提升，但因其來源過于復雜，在系統應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的引進情況為例。該工藝流程的設備類型構成復雜、工藝技術水平高，其中使用設備的核心設計及制造技術以及生產線的核心技術均掌握在不同國外公司手中。技術歸屬的復雜性使得國內鋼鐵企業在引進國外產品時面臨較大的限制，常出現同一工藝中存在來自多個供應商控制程序的情況。而來自不同供應商的控制系統，其計算機型號、OLC類型、網絡設置、連接方式、通信協議等均存在明顯區別，在終端使用上也無法實現統一。

2.2 軋鋼數學模型引進情況

在數學模型的引進方面，我國軋鋼工藝采用的數學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，其中使用的設備逐漸更新，數學模型也經歷了更新換代的過程。例如從日本東芝、法國阿爾斯通等公司引進的數學模型目前已很少出現。

國內企業對引進數學模型的二次開發、升級維護能力相對有限，引進后模型與國內生產線及設備之間缺乏適應性，因后期改進技術跟不上，導致不少模型在花高價引進后無法正常使用。即便部分企業能夠依照個人經驗對模型做適當調整，但在經驗向理論成果的過渡、總結方面有所欠缺，使得模型調整始終缺少理論方案。同時各企業間相互保密，缺少必要的信息交互和技術共享，也在很大程度上阻礙了引進模型在國內軋鋼工藝中的最大化利用。

2.3 自動化控制系統自主研發情況

軋鋼工藝發展初期，我國軋鋼自動化控制系統及軋鋼數學模型主要依靠國外引進，經過多年的研究發展，目前國內已經具備軋鋼自動化控制系統的自主研發能力。有技術團隊對外來的自動化控制系統和數學模型進行解剖和分析，從局部改進開始，到全新控制程序的編寫以及數學模型的自主構建，得出了多套更適合我國軋鋼工業發展現狀的軋鋼數學模型。

我國軋鋼自動控制系統的研究突破最先體現在熱連軋生產線上，整合惠普PC服務器、西門子TDC，打造Level2、Level1相結合的硬件平臺，開發出具備自主知識產權的中間件和熱連軋應用軟件[2]。該系統早在2005年即順利投入使用。之后，國內不少科研單位、技術型企業均在熱連軋自動控制方面取得研究突破，利用西門子TDC進行Level1控制。另有單位還研發出VNE CPU、I/O、通信單元相集成的Level1控制系統。現役的熱連軋生產線中，其自動控制系統有30%以上為國內自主研發。但在冷軋工藝以及中厚型鋼板的生產中，我國自主研發的自動控制系統還存在明顯的不足，其中冷軋自動控制系統的自主研發量非常有限，而中厚鋼板則需要完全依賴于進口。

經過長期的努力，軋鋼自動化控制實現對國外產品的依賴程度逐漸降低，例如，計算機機型選擇、軟硬件配置、系統功能分配、HMI畫面設計、數學模型選取等方面均取得明顯的成果。現階段，自動化已成為鋼鐵行業發展的必然趨勢，有關軋鋼自動化研究的開展也將面臨更優的外部條件，使得自動化控制系統自主研發能夠覆蓋到更廣的軋鋼工藝領域。

有學者提出，軋鋼企業管理者對自動化控制系統來源的態度在很大程度上影響著軋鋼自動化的發展進程。管理者可選擇直接從國外引進自動化控制產品，也可以選擇自主集成，當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成本。

3 軋鋼智能化發展前瞻

軋鋼智能化是對軋鋼自動化的進一步升級，其與目前工業領域發展的趨勢和要求相適應，能夠進一步解放人手，實現軋鋼工藝精細化、精準化。

3.1 智能化控制技術的應用

目前被應用于國內軋鋼工藝中智能化控制技術主要是PLC控制技術和人工神經網絡，下面對兩項技術的應用情況做具體介紹。

3.1.1 PLC控制技術

PLC控制技術在軋鋼工藝中的應用實現了軋鋼過程的一體化控制。在生產線內安裝變頻控制器，其內置通信接口可與PLC通信接口間完成信息互傳，向變頻器發送控制命令。變頻器接收到來自PLC的指令后，改變驅動狀態對軋鋼生產線進行調整。相反的，PLC也可通過變頻器掌握生產線的實時運行狀況，觀察PLC信號，即可對現場實際生產情況進行監控，實現設備的遠程控制。

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

PLC控制的實現是對變頻器進行調控，完成生產現場設備的精確調試，使生產線依照事先設定的最佳參數方案運行。現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，進入冷軋階段，需進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，正可實現冷軋過程的自動、精準控制，減少現場人員工作量，規避安全風險，同時也可提高冷軋成品品質。

3.1.2 人工神經網絡

人工神經網絡為一種人工智能識別方法，其模仿腦神經的傳遞方式，可完成自適應學習、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關系的處理。在軋鋼工藝中，當出現難以解決的非線性問題后，即可利用人工神經網絡進行處理。

人工神經網絡在軋鋼工藝中具體應用于冷軋變形抗力預測、摩擦系數預測以及熱軋帶鋼的軋制力預測等環節。目前國內帶鋼生產多采用連軋工藝，軋制力預測作為連軋的核心，其預測過程中需搭建變形抗力模型、應力模型、溫降模型等。

若采用傳統方式進行模型構建，前期需采集大量數據信息，同時進行非線性回歸計算。數據不可能來源于同一環境，因此得到的回歸分析結果也存在一定偏差。此時若利用人工神經網絡，可通過數據積累搭建神經網絡數學模型，保證模擬及計算的精度。實際工作中，企業多在某一產品生產后獲取相關數據，或通過實驗室實驗得到對應的檢測結果，而利用人工神經網絡可實現產品品質的在線預測，通過數據檢測，即可對產品參數做針對性調整，確保軋鋼工藝流程穩定[4]。在線監測系統集成人工視覺系統和專家系統，當軋鋼工藝流程運行時，監測系統可準確定位其參數異常，將無效信息濾除，獲取能夠被專家評分直接使用的數據。另外，對人工神經網絡進行訓練，其品質檢驗和過程控制能力還可被不斷提高。

3.2 智能化控制的發展前景

智能化控制技術將成為未來一段時間內社會技術發展的重點方向。隨著智能化控制技術的進一步發展，其也將在鋼鐵生產領域得到更深入的應用，促進我國鋼鐵工業技術升級。

全球化市場的打開使得我國鋼鐵工業面臨更廣闊的發展空間，但同時也帶來更大的市場競爭壓力，國內鋼鐵企業想要在激烈的市場競爭中始終保有一席之地，必須不斷進行技術創新，將更多智能化技術引入到鋼鐵生產工藝當中。重點關注先進技術的自主研發，把握鋼鐵工業生產的核心技術，降低生產成本，為企業帶來更大的盈利空間。

另外，安全生產、節能減排也是未來一段時間內鋼鐵生產企業的發展重點。智能化技術的應用使得鋼鐵生產流程更加精確可控，以往需要人工開展的現場作業可通過智能化控制系統完成，大大降低了發生人身傷害的風險，生產流程精確度的提高也使得各項生產資料均能得到最充分的利用，提高鋼鐵生產過程的節能環保性。

智能化技術的合理運用使得鋼鐵生產過程更加安全、穩定、高效，但需要注意，企業對智能化控制技術的引進必須從自身實際需求出發，綜合考慮技術后期運營、升級以及先進技術與當前生產線的適應性，確保技術引進能夠為企業創造最高的綜合價值，實現鋼鐵生產流程技術升級。

結論：現階段，我國軋鋼工藝中引進大量國外先進自動化控制系統和數學模型，技術自主研發能力穩步提升。針對技術引進中存在的適應性不足、維護升級困難等問題，隨著國內技術水平的提升也將被逐步解決。在軋鋼工藝發展中，重點關注智能技術引進，全面提高國內軋鋼技術水平。