關(guān)于鋼鐵行業(yè)機電一體化技術(shù)的應(yīng)用分析

謝明楊，郭壯麗

（1.河鋼股份有限公司承德分公司；2.河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067000）

鋼鐵行業(yè)是影響我國重要經(jīng)濟命脈的關(guān)鍵因素，鋼鐵行業(yè)的良性發(fā)展，在很大程度上決定整體國民經(jīng)濟能否健康穩(wěn)定發(fā)展，是我國綜合實力的重要體現(xiàn)。面對現(xiàn)代科技不斷快速升級更新，鋼鐵行業(yè)正面臨巨大發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)技術(shù)方法已無法滿足現(xiàn)代鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)管理要求，不但加劇了鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，鋼鐵行業(yè)市場競爭趨勢也日益激烈，因此，必須提升機電一體化技術(shù)在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用水平，有效破解鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，大大降低了鋼鐵生產(chǎn)成本、時間，從根本上提高鋼鐵生產(chǎn)的質(zhì)量，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)朝著智能化的方向發(fā)展。同時，機電一體化在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用，還能夠加快實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)技術(shù)升級轉(zhuǎn)型，提高鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟效益、社會效益，從根本上強化鋼鐵企業(yè)的核心競爭力，進(jìn)一步推動鋼鐵行業(yè)企業(yè)、鋼鐵市場經(jīng)濟的有序穩(wěn)定發(fā)展。

1 機電一體化技術(shù)的概述

機電一體化技術(shù)是集機械工程、電子信息、自動化、傳感技術(shù)、接口技術(shù)于一體的新科技，實現(xiàn)多學(xué)科在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的交叉應(yīng)用，是生產(chǎn)制造行業(yè)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息化控制、智能化控制的重要理論基礎(chǔ)，特別是在我國科技迅猛發(fā)展的時代背景下，機電一體化技術(shù)在轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)生產(chǎn)制造方式方面具有十分突出的優(yōu)勢作用。

機電一體化技術(shù)通過融合微電子、機械制造、計算機網(wǎng)絡(luò)、通信工程、自動化技術(shù)等，使生產(chǎn)制造過程更加現(xiàn)代化、高效化，不僅在空間上將各學(xué)科功能融合在一起，而且為生產(chǎn)制造領(lǐng)域賦予新的技術(shù)能量，全面促進(jìn)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域協(xié)調(diào)發(fā)展。由于機電一體化技術(shù)同時涉及液壓傳動系統(tǒng)，涵蓋一定產(chǎn)品方面的優(yōu)勢，微電子裝置采用液壓、機械作為電子元件的動力，使其具有自動檢測、數(shù)據(jù)處理、文件備份等新功能，機電一體化與單一的電子機械不同，實現(xiàn)機械與信息化的系統(tǒng)延伸，完成自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)、自動診斷故障、自動處理等智能化行為，能夠?qū)崿F(xiàn)安全有序生產(chǎn)。雖然機電一體化在很大程度上改變了傳統(tǒng)的鋼鐵制造方式，也是鋼鐵行業(yè)未來發(fā)展趨勢，但是，由于機電一體化在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用還不夠完善，技術(shù)水平還有一定的局限性，應(yīng)進(jìn)一步拓寬機電一體化在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用范圍，推動鋼鐵行業(yè)更快發(fā)展。

2 機電一體化的相關(guān)技術(shù)

2.1 機械本體技術(shù)

軟件編程方法的出現(xiàn)，使機電一體化實現(xiàn)信息技術(shù)、微電子技術(shù)、機械技術(shù)、自動化技術(shù)、傳感檢測技術(shù)的相互交叉融合，更好地優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮機電一體化在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，從而高效完成系統(tǒng)目標(biāo)，使很多技術(shù)并行組合后發(fā)展成為新的技術(shù)體系。機械本體作為機電一體化的重要組成部分，具有硬件構(gòu)成的主要功能，現(xiàn)階段圍繞機械本體技術(shù)必須改善硬件的性能，創(chuàng)新機械技術(shù)，實現(xiàn)機械硬件的集成化管理，提升機械硬件的精確性，減小機械硬件的質(zhì)量，在管理控制室實現(xiàn)機械系統(tǒng)小型化發(fā)展，使機械硬件的響應(yīng)更加快速，降低機械硬件的運行能耗，實現(xiàn)機械生產(chǎn)節(jié)能減排，從根本上提高機械作業(yè)的效率。

2.2 傳感檢測技術(shù)

傳感器作為機電一體化系統(tǒng)中的功能模塊，起到了轉(zhuǎn)換各種外界信號源的作用，通過轉(zhuǎn)換的電信號完成系統(tǒng)自動控制與檢測。如果系統(tǒng)缺少傳感器，沒有連接外界與系統(tǒng)的橋梁，系統(tǒng)設(shè)備整體檢測水平則會大幅度下降，進(jìn)而影響系統(tǒng)與外界信號轉(zhuǎn)換、處理的精確度，也就難以保證系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。隨著傳感器檢測技術(shù)的不斷更新升級，未來傳感器將會更加靈敏，精確度、可靠性也將更高，實現(xiàn)傳感檢測的智能化發(fā)展。

2.3 自動控制信息處理技術(shù)

自動控制、信息處理技術(shù)是機電一體化系統(tǒng)的核心部分，通過匯總、分析、存儲、加工各種外界信息，根據(jù)系統(tǒng)程序發(fā)出的指令，實現(xiàn)對整個機電一體化系統(tǒng)的自動控制，使系統(tǒng)能夠按照設(shè)計程序有序運行。自動控制信息處理不但要做好信息輸入、交換等內(nèi)容，還要運算、存儲、輸出各種信息內(nèi)容，使信息以信號為載體在機械、電子設(shè)備等之間進(jìn)行有效傳輸，從而實現(xiàn)系統(tǒng)機電一體化運行。

自動控制技術(shù)主要以微處理器為核心，執(zhí)行系統(tǒng)程序發(fā)出的指令，自動控制信息處理技術(shù)的優(yōu)勢在于存儲、判斷、比較、分析系統(tǒng)與外界的信息，避免無關(guān)信息干擾，提高信息處理效率。

2.4 傳動技術(shù)

傳動技術(shù)作為機電一體化系統(tǒng)的重要動力要素，能夠按照機電一體化系統(tǒng)控制狀況，將源動力的能量傳輸?shù)礁鱾€功能模塊，確保機電一體化系統(tǒng)維持正常運行。傳動技術(shù)系統(tǒng)是由控制裝置、接口組成，主要包括液壓傳動、機械傳動、氣壓傳動、電力傳動等，可根據(jù)系統(tǒng)程序指令完成傳動運行，以達(dá)到生產(chǎn)制造要求。

2.5 I/O接口技術(shù)

I/O接口技術(shù)通過管理發(fā)出系統(tǒng)指令，連接起機電一體化系統(tǒng)各個功能模塊，與計算機設(shè)備交換信息，傳遞格式相同的數(shù)據(jù)組，使系統(tǒng)能夠高效、靈活、自如地運行，增強各模塊之間溝通的時效性，能夠?qū)崿F(xiàn)人機對話。同時，為簡化機電一體化系統(tǒng)設(shè)計，I/O接口技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格設(shè)備，方便后期系統(tǒng)的維修，可靠、準(zhǔn)確地傳輸信息，通過響應(yīng)、顯示等方式實現(xiàn)人機交互。I/O接口技術(shù)自帶數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理功能，可以轉(zhuǎn)化通信信號，實現(xiàn)系統(tǒng)大容量、小型化發(fā)展。

2.6 軟件技術(shù)

軟件技術(shù)必須依托先進(jìn)的硬件設(shè)備得以實現(xiàn)，軟件技術(shù)可以使系統(tǒng)硬件發(fā)揮強大功能，實現(xiàn)語言文字的溝通。由于當(dāng)前軟件開發(fā)平臺發(fā)展速度非?？?，在很大程度上提高機電一體化系統(tǒng)的控制精準(zhǔn)性，各種軟件開發(fā)控制算法都是以智能專家系統(tǒng)為體系框架，根據(jù)鋼鐵生產(chǎn)情況計算控制系統(tǒng)運行狀態(tài)。

3 鋼鐵行業(yè)機電一體化技術(shù)的應(yīng)用

3.1 智能控制技術(shù)

高效化、大型化、連續(xù)化是鋼鐵行業(yè)發(fā)展的顯著特征，而傳統(tǒng)生產(chǎn)制造技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)要求，存在較大的生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，必須根據(jù)現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)運行特點，結(jié)合機電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢，及時轉(zhuǎn)變落后的生產(chǎn)控制技術(shù)。而由模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等組成的智能化控制技術(shù)，涉及鋼鐵企業(yè)各個環(huán)節(jié)，智能控制技術(shù)被應(yīng)用在鋼鐵產(chǎn)品設(shè)計、質(zhì)量檢測、產(chǎn)品生產(chǎn)、生產(chǎn)控制等方面，是鋼鐵行業(yè)的重要應(yīng)用技術(shù)，智能控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對電爐連鑄、高爐、軋鋼系統(tǒng)、綜合調(diào)度系統(tǒng)的智能化控制。

3.2 分布控制系統(tǒng)

分布控制系統(tǒng)是由中央控制系統(tǒng)指揮分布在不同現(xiàn)場的智能控制單元、測控計算機，分布控制系統(tǒng)根據(jù)控制層級數(shù)分為兩級、三級等若干級，通過計算機設(shè)備實現(xiàn)集中管理、操作、監(jiān)視、分散控制鋼鐵生產(chǎn)的作用。特別是近年來，分布控制技術(shù)日益完善，鋼鐵行業(yè)分布控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r、高效監(jiān)控鋼鐵生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，同時，優(yōu)化鋼鐵生產(chǎn)流程，大大提高鋼鐵的生產(chǎn)效率，降低鋼鐵生產(chǎn)成本，因此分布控制系統(tǒng)具有可靠性高、運行穩(wěn)定的優(yōu)勢作用。另外，分布控制系統(tǒng)具有控制分散、監(jiān)管集中的特征，不容易受到外界故障的影響，即使出現(xiàn)控制運行故障，也可以快速找到控制故障問題，并修復(fù)控制故障，是未來主要的發(fā)展趨勢。

3.3 集成制造系統(tǒng)

集成制造系統(tǒng)是結(jié)合流程與作業(yè)的鋼鐵企業(yè)制造系統(tǒng)，集成制造系統(tǒng)可以將鋼鐵生產(chǎn)作業(yè)、經(jīng)營管理、過程控制有效地融合成一體，使鋼鐵生產(chǎn)制造過程更加系統(tǒng)化，實現(xiàn)全面控制、監(jiān)管從鋼鐵原材料采購、加工生產(chǎn)、鋼鐵產(chǎn)品入庫、出庫發(fā)貨等整個生產(chǎn)銷售環(huán)節(jié)。但是相對其他集成系統(tǒng)而言，鋼鐵企業(yè)集成制造系統(tǒng)仍然存在不足，整體系統(tǒng)相對孤立，與控制系統(tǒng)連接仍然存在技術(shù)瓶頸，導(dǎo)致難以實現(xiàn)信息資源共享，在一定程度上阻礙現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。未來鋼鐵企業(yè)具有產(chǎn)品種類繁多、少量多批次生產(chǎn)、收交貨效率高等特點，必須完善集成制造系統(tǒng)，提高鋼鐵企業(yè)各系統(tǒng)的資源共享，實現(xiàn)系統(tǒng)化統(tǒng)一管理，在保證鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量的同時，有效降低生產(chǎn)用工成本，提高鋼鐵生產(chǎn)效率，有助于鋼鐵企業(yè)進(jìn)一步增強綜合競爭力。

3.4 開放控制系統(tǒng)

開放控制系統(tǒng)是通過計算機、網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)，構(gòu)建新的開放、控制結(jié)構(gòu)體系，充分彰顯系統(tǒng)的開放、控制功能優(yōu)勢，最大程度上共享鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)、管理、控制等資源。開放控制系統(tǒng)可通過利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，統(tǒng)一控制鋼鐵生產(chǎn)、經(jīng)營管理、收交貨等環(huán)節(jié)，以此能夠優(yōu)化信息資源配置，提高鋼鐵企業(yè)的整體運行效率。

3.5 交流傳動技術(shù)

傳動技術(shù)是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的重要技術(shù)要素，由于傳統(tǒng)的直流傳動技術(shù)在現(xiàn)階段鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)制造中應(yīng)用十分普及，技術(shù)應(yīng)用也相對廣泛、成熟，具有相對完善的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是，隨著微電子、電子電力技術(shù)的快速發(fā)展，交流傳動技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)越來越接近直流傳動技術(shù)，甚至超過了直流傳動技術(shù)，更加彰顯出交流傳動的技術(shù)優(yōu)勢。由于直流傳動技術(shù)的直流電機由換向器、電刷等整流裝置組成，無法及時響應(yīng)速度、電流控制系統(tǒng)、單機容量等，限制直流傳動技術(shù)在鋼鐵智能化生產(chǎn)中的應(yīng)用。而交流傳動技術(shù)由于受限較小，傳動頻率更高，可高達(dá)50～100tad/s，能夠滿足鋼鐵智能化生產(chǎn)要求，且交流傳動技術(shù)在性能方面更加優(yōu)越，交流傳動技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)制造領(lǐng)域?qū)⑷嫒〈绷鱾鲃蛹夹g(shù)。

3.6 現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線技術(shù)是將控制室控制系統(tǒng)、現(xiàn)場裝置相連接，實現(xiàn)多站、雙向、數(shù)字通信線路，該技術(shù)比信號傳輸技術(shù)更加快捷、便利，精確度也更高。在更高控制系統(tǒng)、現(xiàn)場裝置間實現(xiàn)雙向傳輸，不但能夠承載更多裝置，傳輸效率也更高，同時，也能有效減少現(xiàn)場信號連接導(dǎo)線數(shù)量，大大降低信號控制資源成本，節(jié)省信號控制傳輸時間，根據(jù)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，提高鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)控制智能化水平，在資源節(jié)約、效率提升方面實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)的發(fā)展平衡。

4 結(jié)語

現(xiàn)代鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，在應(yīng)用先進(jìn)生產(chǎn)制造技術(shù)的同時，必須實現(xiàn)生產(chǎn)控制、經(jīng)營管理等方面的信息資源共享，以此提高鋼鐵企業(yè)的運行效率和質(zhì)量。機電一體化技術(shù)作為現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)的重要研究課題之一，在節(jié)約鋼鐵企業(yè)運行資源的同時，有效提升鋼鐵生產(chǎn)效率，使鋼鐵企業(yè)向著智能化方向發(fā)展，機電一體化技術(shù)在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用，必將促進(jìn)鋼鐵企業(yè)升級轉(zhuǎn)型，提高鋼鐵企業(yè)的核心競爭力。