热风炉控制器专卖(自动化的故事，首钢制造的升级)

Posted 2023-06-02

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热风炉控制器专卖(自动化的故事，首钢制造的升级)

作者

邓常杰：罗克韦尔自动化哈尔滨工厂前厂长，南山工业书院数字化制造研究组

编审

林雪萍：南山工业书院发起人，北京联讯动力咨询公司总经理

1982年，我毕业被分到了首钢自动化研究所，在首钢第一炼钢厂负责炼钢过程自动化计算机系统维护。这台1967年从日本北辰电机公司引进的HOC-510计算机，它具有磁芯存储、8K内存、22位字长、8级中断、纸带输入、磁带外存。该机是裸机，即没有任何软件，如果编制程序就要使用二进制的机器码来写程序，采用黑色的纸带穿孔输入和程序检查。印象最深的是要对着灯光查看黑色纸带中孔的位置分布检查代码和程序。这台计算机用来实现3台30吨转炉的炼钢自动化监控。转炉采用氧气和氩气复合吹炼工艺。控制系统的功能主要是监控和记录每一炉钢的炼钢数据：包括炉龄，炉号，炼钢开始和结束时间，冶炼时间，氧气和氩气的流量压力和用量，铁水重量，废钢使用量，各种炼钢的副原料称重计量，以及合金的使用量等50多个数据，并对这些采集的数据建立数学模型。结合副枪动态测量温度和含碳量，确定吹炼时间，达到钢水温度和含碳量的出炉标准，提高一次拉碳率。经过几年的努力，最好的命中率大概在75%左右，但是模型不稳定。这就是冶金行业非常重要的工业软件——转炉炼钢模型。而在当时，首钢第一炼钢厂最好的炼钢工，通过眼睛观察钢水就可确定出钢水的含碳量和钢水的温度，确定吹氧时间，命中率大概90%左右。炼钢模型的目的就是要通过采集现场各种冶炼参数来预测炉内钢水的温度以及含碳量，根据脱碳模型（还原反应）确定吹炼时间，提高一次拉碳率，实现缩短冶炼时间，充分利用炼钢设备生产更多的钢水。

由于这台计算机运行时间太久，磁芯经常出现奇偶错误，不得不每天用电风扇降温。最终，我们用半年时间，用TMC-80工业单板计算机（Z80CPU）替换了这个工业计算机。新的计算机实现3台30吨转炉的生产过程监控。对包括装料、炼出钢钢水和副原料用量成分、钢水终点温度和终点碳等50多个数据进行自动跟踪记录。为加强管理，稳定操作和炼钢模型提供准确的数据。在那个年代，首钢第一炼钢厂的计算机炼钢监控系统在国内处于领先的地位。

同期，首钢也开始了微型机和单板机的工业应用实践。在轧钢厂用一台微型计算机成功的实现了焊管车间飞剪自动剪切的控制。在炼铁厂用一台微型计算机实现了高炉上料重量、水份补偿的控制。

在1982年，首钢已经有了6台工业计算机，包括国营二六二厂生产的DJS-135工业计算机（1974年研制成功国产100系列计算机）。这些计算机分别于60年代和70年代引入，计划用于化肥厂自动化、转炉炼钢自动化、高炉炼铁自动化、轧钢自动化、科学计算、培训等。但是，直到82年，这些计算机除了用于编程培训，基本处于无用状态。为什么会是这样的结果？这要回顾一下首钢自动化发展的几个重要历史阶段。

1965-1970电子中心论

1969年10月，中央电信工业领导小组召开了全国电信工业工作会议（代号“6910会议”），会议提出“全民大办”、“破除电子工业神秘论”、“电子中心论”、“向自动化进军”等口号。在全国搞起声势浩大的计算机实现生产自动化的热潮。

早在1964年，首钢公司总经理就听说计算机可以控制炼钢，就要求公司副总工与日本公司谈判，当时日本的北辰电机公司与富士通公司参加了谈判，最终选择了日本北辰公司的HOC－510计算机。冶金部对于这个项目非常重视，从国内选派了自动化专家并从科学院计算机所调来计算机专家组成软件和硬件项目组，并于1967年一月到日本的北辰电机公司开始接受培训。

1967年五月中日双方技术人员开始现场调试，十一月份，在现场进行程序验收时，每次计算机存储器都出现错误，最终没有通过测试。在要求退货的压力下，最后经反复谈判和协商，日方赔偿了设备总值的1/3，结束了这个合同。日本人走后，项目组继续维修这台设备，系统逐步稳定下来。项目组用统计回归的算法，研究开发控制炼钢生产的模型，也就是我们今天常说的工业软件-转炉炼钢模型。但是由于缺少必须的现场传感器、仪表，缺少现场数据，计算机系统不稳定，抗干扰能力差，原料不稳定等多种因素，最重要的是没有炼钢专业的工艺专家配合，模型的命中率一直不理想。虽然新的工业计算机TMC-80取代了HOC-510计算机后，控制系统的稳定性和可靠性的问题解决了，上述问题仍然存在，转炉炼钢模型的项目基本停滞了。负责该项目的同事是国内名校的数学系硕士高材生，也是计算机专家，耗费了近十几年的时间搞模型研究，最终也不得不停止了模型研究。

在同时期，公司成立了多个自动化数模班，研究和探索各自领域的自动化和数学模型，例如，轧钢模型、高炉模型和化肥生产模型。最终，这些模型也没有投入使用。

公司负责自动化的公司副总工程师当时总结的经验和教训是：一是不能通过运动来搞自动化，要实事求是。二是搞电子自动化必须有一批懂生产技术、不怕吃苦、不计较眼前的名利、待遇的专业人才，把计算机技术做为工具，才能开发出具有较高水平的工业软件。必须放弃只要有了学电气控制的技术人员，有了学数学的人就可以搞计算机自动化的观点。三要认识到不是所有的工厂都能搞电子自动化。必须结合生产工艺特点来决定。四是必须具备机械化、电气化、完善的检测仪表、生产工艺规范。五是生产要以质量、效益为中心，放弃单纯追求产量的观点。以上这些观点成为了后来首钢自动化工作的指导思想。

由于文革影响等多种原因，这些分别于60年代和70年代引入的这些计算机最终都没有派上用场。尽管如此，首钢领导层的创新意识和对前沿技术的探索，也带动了相关传感器、仪表、传动设备、硬件和软件等相关技术的研究和产品开发。特别是首钢早在70年代就能够生产先进的直流传动设备、可控硅、测温仪表、称重仪表等，为首钢今后的自动化和信息化跨越式发展奠定了雄厚的基础，同时，首钢也为国家培养了一批优秀的计算机、自动化设计和工程技术人员。80年代，首钢的自动化和信息化水平已经成为全国冶金行业的标杆，并带动水泥行业、电力行业，化工行业、水和污水等行业的自动化系统的发展和提升。

经验和教训：

☆ 不断创新和应用最新的科学技术是企业持续发展的保证，但是，要采用成熟的先进技术，要脚踏实地，不能采取运动式和冒进式的方式。

☆ “闻道有先后，术业有分工”，IT人员要学习工艺，懂工艺，依靠工艺才能开发出符合工艺要求的工业软件。

☆ 程序编制之前要通过程序流程图仔细检查程序逻辑并分析失效模式和影响，确保程序的适用性、安全性、完整性和可靠性，采用软硬件措施避免失效的产生。

1982年，工厂自动化

1982年，首钢率先在国内引进了美国Modicon公司的PC-584可编程序控制器用于首钢三高炉自动化控制，进口了Bailey公司的N-90（Network－90）用于烧结厂一车间的控制。在此之前，国内的工业电气控制系统主要是采用继电器、旋转凸轮开关、码盘和自己研制的可编机进行逻辑控制；采用模拟仪表等实施过程控制。PLC和DCS作为工业控制产品，解决了工业现场的三个问题：实时性、可靠性和安全性。PLC和DCS的成功应用，极大的缩短了自动化系统设计、系统集成、现场安装、编程、调试和系统维护的时间，也大大地节省了控制室的空间，彻底改变了采用继电器进行逻辑控制，采用二次仪表进行过程控制的历史。特别是系统稳定和可靠，系统平均无故障时间MTBF大大提高。所以将PLC的出现定义为一次工业革命一点也不为过。

这二个项目的成功实施引起了国内冶金行业的重视，自此在全国开始了大规模引进和使用可编程序控制器PLC和分布式控制系统DCS，并广泛应用于冶金、水泥、电厂等行业。

早期的可编程序控制器的开发应用目的就是取代继电器逻辑，DCS开发应用的目的是就是取代二次仪表。两种产品通用性强，适合工业工程化的设计和实施。在系统设计方面也充分考虑了自动化工程特点。由于PLC的编程与继电器逻辑设计非常相似，基本上采用了电气工程师熟悉的控制逻辑连锁电路图，很容易上手，例如，梯形图和SFC(Sequential Function Chart)是一种新颖的、按照工艺流程进行编程的图形编程语言，正因为它按照工艺流程动作顺序编制程序，因此在PLC编程中得到了非常广泛的应用。DCS组态跟常规仪表的过程仪表控制图很类似，再加之多年的验证和改进，系统非常安全可靠。工业自动化从此开启了一个新时代。产品通用性强，安全可靠，大大地缩短了设计、系统集成、安装调试的周期，在全国快速推广。

1984年，首钢也开始了信息化的项目，引进了具有汉字功能的王安计算机作为管理系统计算机，并于1985年在首钢公司的各个处室实现了计算机的联网。管理信息系统分为三级：公司级（综合管理级）；厂矿级（生产管理级）；生产过程控制级（在线管理级）。公司级和厂矿级投入后基本达到了设计目标，但生产过程控制级没有投入。后来因为王安公司倒闭，王安机被IBM计算机取代。在当时由于缺少信息管理这方面的高级人才等多种原因，管理计算机信息系统进展不快，直到迁钢，京唐钢铁公司的建成。

1982年后，首钢先后启动了几个转炉炼钢，高炉炼铁和烧结焦化的自动化工程项目，代表性的是下面三个项目：

（1）炼铁厂三高炉自动化项目：

炼铁厂三高炉自动化系统构成：料仓、上料、炉顶、炉本体、热風炉五个控制系统，采用Modicon公司的PC-584可编程序控制器。为了监控、操作各种设备设有多台CRT，CRT显示各生产系统的运行情况，通过触摸CRT（Touch Screen）屏幕可以随时切换显示不同的画面，可以操作各生产设备的运行或停止。在高炉上采用小型计算机，实施高炉模型的研究，实现炉压指数的计算、料速计算、炉况顺行预报等。

（2）一烧结车间的基础自动化项目：

一烧结自动化采用N－90控制系统，系统共设五个分站对上料机、机头点火温度控制器、台车速度控制和料层温度控制、破碎机控制、输送皮带和料仓的控制。主控室设有多台CRT，通过画面显示各生产环节的情况，通过点击屏幕上的开关实现各设备的控制。

（3）首钢第二炼钢厂炼钢-连铸自动化项目：

炼钢-连铸生产管理系统，承担着准时接受来自高炉的铁水和按时向后续的轧制工序提供优质铸坯的任务。炼钢-连铸的一体化生产过程是在高温、高能耗下伴有化学和物理变化中进行的，由于钢水到达连铸工序的目标温度和成分密切相关,所以不允许钢水在炼钢、精炼和连铸工序之间有过长的等待，否则就会使钢水产生温降，严重时需要回炉升温，既浪费了能源的消耗，降低了设备利用率，又影响了铸坯的质量。此外，炼钢的钢水不能及时提供给连铸机造成断流，从新穿引锭杆引锭，不能进行连续浇注，造成设备利用率和生产效率降低。

炼钢-连铸动态调度任务是及时处理调度计划执行过程中的突发事件，消除时间、温度和设备故障等干扰带来的影响，重新制定生产调度计划，实现转炉和连铸生产计划匹配合理。重点是协调炼钢的冶炼时间和连铸机浇注时间的匹配形成连续炼钢连续浇注，提高生产效率。

在项目规划设计阶段，管理计算机由基础自动化级、过程自动化级、MES（制造执行）级和生产经营管理级四级组成。根据合同的交货时间、合同规定的材质、规格等规定，MES将一些相同的小合同综合成冷轧、热轧机的班产、日产计划。再根据轧钢生产的班、日计划，制定出连铸机、转炉炼钢、炼铁的班产日产计划。通过MES级实现从冷轧、热轧、连铸、精炼、炼钢到炼铁各工序的产品质量的跟踪。生产经营管理级也实现了人力资源、财务、物资、生产、销售的全面管理。

1987年笔者参与了上述的首钢第二炼钢厂炼钢和连铸自动化系统的设计，编程及安装和调试。项目目标是实现连续炼钢和连铸一体化，即炼钢和连铸协同控制实现连续炼钢和连续浇铸。笔者的主要工作是负责两台8流方坯连铸机的基础自动化以及用于协同炼钢和连铸的生产制造执行系统的设计和功能说明。这个项目是与瑞士康卡斯特联合设计的。机械部分的主体由康卡斯特提供，部分辅助机械设备由首钢自己生产制造。自动化部分和生产制造执行系统全部由首钢负责设计和安装调试，瑞士康卡斯特负责提供功能说明参考，冷却水模型和生产制造系统的参考资料。基础自动化控制系统采用Modicon 984可编程序控制器和Intellution FIX人机界面（HMI）组态软件实现炼钢和连铸过程控制。

2台上位机采用DEC公司的PDP-11计算机分别用于炼钢车间的模型及监控管理和连铸车间的冷却水控制模型和浇注模型计算等功能。一台VAX-750计算机承担MES功能，主要实现订单管理，生产计划管理、炼钢和连铸生产和协调控制。两台8流方坯连铸机按照全自动的操作模式进行设计，但考虑了半自动和手动的操作模式。项目投产后，基础自动化部分基本上实现了设计目标，生产制造执行系统，由于炼钢工艺，管理和技术手段等各种原因没有实现设计目标。

这两台8流方坯连铸机投产后，是全球第11和第12台8流方坯连铸设备。这是在国内首次全部系统采用可编程序控制器替代传统继电器，HMI软件取代模拟屏、模拟盘和操作盘。整个控制系统的I/O点数达到了8000多点。控制系统的自动化控制系统水平在全球处于领先地位。

但一年以后，到这个工厂回访时，发现火焰自动切割机由无人操作而改用人工的手动操作方式。究其原因，是接近开关失效引起自动程序在执行过程中中断，不能完成全部自动程序。因为维护人员的技术能力不能满足现场的需求，不能及时找出故障的原因，特别是工艺连锁的控制原理。

首钢一烧结自动化、三高炉自动化和第二炼钢厂自动化项目的成功投产引起国内钢铁企业的重视，鞍钢、武钢、太钢和宝钢等兄弟单位领导到首钢学习首钢的自动化机构的设置、技术设计人员来了解自动化系统的设计和配置情况。这些项目也受到了总公司、北京市、冶金工业部和国家电子振兴办的奖励。

90年代初，美国Bentley公司CAD软件MicroStation开始进入中国市场，首钢设计院同有色金属设计院、华北电力院、北京建筑设计院等一同引进这套软件，并开展了“甩图板”活动。同时AutoCAD软件也在同期引入到首钢设计院自动化科。经过几年的磨合，CAD工程师站和图板并行使用，直到1998年左右画图的图板才全部消失。现在这款MicroStation软件基本己不用了，主要原因是外部协作单位都使用AutoCAD，两款软件兼容性差，相互转换不方便应用。

经验和的教训：

☆ 工业软件的开发要与工艺紧密结合。对于相对简单的某些模型，搞自动化和IT的人员在工艺的指导下可以深入和主动向前延伸。但是涉及到比较复杂的工艺问题，必须由工艺专业进行突破和模型的归纳研究。

☆ 创建数字与实体的对应关系难度视研究对象复杂性不同而不同，建立研究对象的数学模型是非常复杂和困难的，没有可能达到100%。只能按照统计方法根据“命中率”百分比来评估模型的适用性。有些自动化专家，IT专家和管理人员认为所有的工艺需求和规则都可以抽象出模型，而在工业实践中当你面临不同领域不同层次的复杂系统时，实际上抽象模型就已经成为不可能，即使建立了模型，适用性也是个大问题。工业软件的研究不要陷入误区。

☆ 工业软件要符合国际标准和行业规范，符合工业化和工程化的需求。采用适合工业工程的工业化开发方法和工程语言，才能在工业行业被广泛接收、推广和应用。例如，可编程序控制器PLC，采用了“电气工程师和电工的语言”梯形图和功能图编程方式，分散控制系统DCS采用了“仪表工程师和仪表工的语言”仪表组态的配置方式。所以，DCS和PLC作为低代码的工业软件符合工程设计人员和维护人员的设计和操作习惯，使用简单、方便维护、适应工业环境、才能被市场接收，才具有生命力。

☆ 生产制造执行系统（MES）是一个复杂的系统工程，要用工业工程的系统科学视角进行项目评估、规划和设计。工业软件，作为生产制造系统的主要成分，如果不成熟，生产制造执行系统也不会成功；生产工艺和运营管理流程的数字化不成熟，生产制造执行系统也不会成功。

☆ 任何一个新技术和产品的出现，要经过严格的现场考研和验证，才能广泛地推广使用。供应商的可持续性尤为重要——王安计算机公司倒闭的教训深刻。

☆ 新的技术需要复合型人才，懂技术懂业务的高级人才更为重要。

2000年电子化制造

1996年，电子邮件的出现带动了办公自动化和电子商业业务的快速发展，进入了@时代，为社会经济和生活带来的巨大的效益，是大家有目共睹的。

在2000年，也掀起了一场电子化制造的热潮，跟今天火热的智能制造概念非常的相似，各个国家和公司也针对电子制造的概念制定战略。在2001年的国际工厂自动化展览会上，笔者还做了有关电子化制造的演讲。当时国内的各种培训主题前面都要加一个e，进入了e时代，e-HR, e-Commerce, e-Finance. e-物流。如同今日，数字化转型、工业物联网和智能制造如出一辙。在当时，美国劳动统计局的统计预测，e—Manufacturing可将生产力提高7个百分点。我们看一下当时电子制造的定义：

“e-Manufacturing是一种新的企业运作模式，它是制造企业在数字化和网络化环境下，用电子化的方式进行生产、经营、管理等一系列企业活动的运作模式。”

e-Manufacturing是一种先进的制造哲理，实质是通过电子方式和网络技术，实现制造企业的电子化、数字化、服务化、在线化及协同商务，从而实现从工厂底层设备直至客户和供应商的整个供应链系统的集成。它覆盖了企业生产经营的全过程和产品的整个生命周期，包括新产品开发、采购、制造、销售、客户服务、客户关系管理、后勤、战略管理等环节。实施e-Manufacturing的最终目的是提升制造企业整个价值链的价值，把制造企业的生产过程和商业价值连接起来，从而帮助企业提高市场响应速度和竞争能力。

电子制造概念的提出同样是源于信息技术的快速发展和电子商务带来的影响。但是，在那个时期，现场传感器、仪表、工业软件和网络技术等信息技术还不能与之相匹配，企业的工业工程管理和运营管理思想还不能与之相适应。可以说，“软件”和“硬件”都不能与这个概念相匹配，电子化制造仍然是一个概念。

以当时使用的现场总线为例，DeviceNet支持主站－从站（master-slave）及端对端（peer-to-peer）通讯架构，允许三种比特率：125 kbit/s、250 kbit/s及500 kbit/s，单一网络中最多可以有64个节点。但是，在当节点增加到10个点左右，通讯速率明显下降。电子制造提出网络无缝连接和工厂底层设备直至客户和供应商的整个供应链系统的集成。而在当时，现场的各种传感器和仪表多数不具备网络功能，只能采用I/O的通讯方式，即时具备网络功能，价格也比较昂贵。所以说，从底层网络的角度也无法实现电子制造描述的功能，更何况各个厂家产品的不同通讯协议和产品的数据不开放等原因。

最终电子制造这个风靡一时的热潮在制造业没有太多的应用和影响而慢慢消失。

经验和教训：

☆ 当时的市场上推广的相关工业软件还不成熟，尽管有仿真软件、生产排程软件等。概念不错，但是不能解决生产现实中的问题。

☆ 由于通讯方面还有很多瓶颈，通讯的协议兼容性（不同厂家的控制产品和现场仪表）、通讯的速度、网络节点能力等问题，不同厂家的产品不能实现无缝连接，即使能够连接，通讯适配器的成本很高，另外不同公司的控制产品即使可以连接，但是数据不开放。

☆ 管理层缺乏工业工程管理和运营管理方面的经验，特别是缺少这个方面的复合人才做顶层规划。

☆ 投资回报不经济。

小记

智能制造如火如荼，翻看以前的三次教训，依然值得今天仔细掂量。历史的经验，钱不能白花。

热风炉控制器专卖(自动化的故事，首钢制造的升级)

热风炉控制器专卖(自动化的故事，首钢制造的升级)

1965-1970电子中心论

1982年，工厂自动化

2000年电子化制造

小 记

小记