1 问题的提出
    国外发达国家的高炉自动化大都是包括基础自动化和过程自动化的两级自动化系统，基础自动化无一例外是增强型基础自动化，过程自动化也是无一例外（甚至南非、埃及等高炉）设有完备的优化数学模型（指炉况和炉热预测、布料、热风炉设定优化等控制模型，配料及其优化等一般模型，包括炉底炉缸砌体烧损、软熔带推断等监视与安全和中长期模型，甚至包括碳-直接还原率、风口状态等模拟模型），因而起到全面监控高炉并取得巨大的经济效益（据奥钢联报道：保证年效益为50万美元）。
    国内高炉自动化也取得重大成就，据中国钢铁工业协会统计，基础自动化计算机控制的采用率按工序来分，高炉100%、转炉95.43%、电炉95.9%、连铸99.42%、轧钢99.68%，在过程自动化计算机配置率分别为：高炉57.54%、转炉56.39%、电炉58.56%、连铸60.08%、轧钢74.5%。这的确是很大的成绩和进步，但同时应清楚地看到差距，基础自动化很少是增强型基础自动化，关键的检测（如各风口支管的热风流量、炉顶煤气成分分析等）很少高炉配备，过程自动化大多只是过程监视、数据采集与汇总处理、打印综合报表等一般功能，很少设置作为过程自动化的核心与灵魂和最起作用的有效的优化数学模型，因而对高炉起不了多大作用，甚至使人们得到错误的观念，即认为过程计算机没有多大作用，白花钱（这无法解释为什么国外高炉广泛使用优化数学模型，所有引进二手设备的高炉原先在国外时均有数学模型，而且用得很好，例如预报铁水温度都很准确），使许多容积1700m3以上的高炉也仅设有基础自动化，因而很难收到更进一步的效益。
    在国内设计和安装以PLC或DCS为核心的基础自动化和以工控机为核心的过程自动化，无论硬件与软件都不会有什么困难了，但更进一步似乎很难，因而大都是这一水平，另一方面，由于不困难而利润大，于是人才流失并导致小公司应运而生，这分散性更难以提高水平，对于困难大、复杂的数学模型的开发与实用化，更是谈不上了，于是要高水平和高效益的高炉自动化系统就只有引进，芬兰罗得洛基钢铁厂或奥钢联的专家系统或自动化系统便在国内成为主要解决方式，但引进是非常昂贵（芬兰罗得洛基钢铁厂不包括有众多数学模型的监控系统仅专家系统就需80万美元，而且不准复制与推广）且原料和操作方式与国内不同，因而引进3套芬兰罗得洛基钢铁厂专家系统大都不好用或作用有限。同样国内开发的高炉或其他冶炼机组的数学模型也往往作用有限，原因当然是多方面的，但与原冶金工业部自动化研究院技术顾问日本原计测部会会长、原新日铁主持开发的野坂康雄博士，日本住友金属公司的研究所长白岩俊男先生和我院谈及日本是怎样进行高炉、转炉等数学模型的研究的，有关认真、深入、时间、长期、反复改进、团队、实用化等，就不难理解为何日本的数学模型都用得较好并出口到多个国家。
    那么，提高国内高炉过程自动化的对策是什么？对策是：① 不必完全仿效西方国家且有创新。为节约开支而需有重点的解决生产重大问题的项目，如高炉长寿的必要的监控数模、生产操作必要的监控数模、中小高炉的操作支持数模等；② 必须是低成本的；③ 面向用户的，即易更改、易维护的，这就需要使用面向用户的、易修改的各种软件平台，因为只有商品平台才易于为非自动化专业人员修改和应用；④ 最好是通用的、成套的、可用性强的，接上线就可用或至多稍加更改就可用的，因为只有大规模推广才有利可图；⑤ 最好仿效国外，对困难问题有补贴政策（不是攻关）和鼓励非赢利性质的开发政策以及装备水平政策等。这样一来，便须提出一些新课题和新的解决方法。
2 关于低成本自动化的概念
    低成本自动化会议已开过多次了，但基本上只是自动化技术报告，极少提及低成本自动化概念或什么是低成本自动化？变成什么都算低成本自动化或什么自动化都是低成本的，这就会得出错误的概念而不利于实现低成本自动化，特别是今天要推进高炉数学模型的研究和应用，投资和效益显然是很重要的考虑前提。笔者曾提到低成本自动化广义的概念是：
（1）其投资可以达到或增加产量或改善质量、节能和降耗目的，并可使资金在1～2年内回收，一般占设备总投资的7～12%；
（2）低成本自动化必须是紧凑的、功能是必需的、可用性是良好的：
（3）低成本自动化投产后，其功能投入率应在95%以上：
（4）低成本自动化必须是易维护的且维护费用是较低的、工作是可靠的，在线率应在95%以上：
（5）低成本自动化的投入产出比应是显著的，应为1：3～5，若以投资在1～2年内回收，则设备寿命应为在5～8年：
（6）低成本自动化投资应有个相对上限值，在新建厂矿应低于一般规定的占总设备总投资的百分比，对特殊项目应远低于省市权限批准范围内的资金。
    对于高炉数学模型系统（不是单个模型而是包括多个模型形成有效的优化系统）来说，对于小型高炉应限定为10~20万的可选功能系统，对于中型高炉应限定为20~90万的可选功能系统，这样才易于为企业（特别是民营企业）所接受。
３ 低成本自动化的高炉数学模型系统设计
    中小高炉低成本操作咨询指导系统有3个型号：
1）MABFES-1型小高炉低成本操作咨询指导系统（离线式）。
其主要功能为：
（1）离线式高炉炉况及炉热诊断预报与处理意见专家系统。基于规则式组成系统，按几十种征兆来推断炉况（正常炉况、包括边缘煤气过分发展、边缘煤气不足、管道、偏料、炉温向凉、炉温向热的异常炉况，包括崩料、悬料、炉墙结厚、炉凉、炉热的失常炉况），并以脸谱的表情（笑、严肃、哭）来表示综合结果；
（2）生产操作的数学模型，包括：
  □ 配料计算数学模型；
  □变料计算数学模型。含原料成分变化数学模型、焦炭成分变化数学模型、焦炭水分变化数学模型、铁种变化数学模型。
（3）评价高炉生产的数学模型，包括：
  □热平衡计算数学模型；
  □物料平衡计算数学模型；
  □直接还原度计算数学模型；
  □理论燃烧温度计算数学模型；
  □炼铁焦比计算数学模型；
（4）技术计算。包括：
  □煤气利用率计算；
  □边沿温度比重、中心温度比重计算；
  □透气性指数、压量指数、崩料指数计算；
  □煤气热值计算；
  □风口动能计算；
  □铁水热焓计算等。
（5）标准查询。包括：
  □生铁标准查询；
  □高炉炼铁工艺技术规程查询；
  □高炉鼓风动能范围及判断方法查询；
  □高炉冶炼中常用数据换算值查询；
  □常用气体及硅、铁等热容查询；
  □元素在高炉冶炼分配查询；
  □高炉热风炉等主要设备尺寸及图形查询等。
2）MABFES-2型小高炉低成本操作咨询指导系统（在线式）。
其主要功能为：
（1）在线式高炉炉况及炉热诊断预报与处理意见专家系统。基于规则式组成系统，按几十种征兆来推断炉况（正常炉况、包括边缘煤气过分发展、边缘煤气不足、管道、偏料、炉温向凉、炉温向热的异常炉况，包括崩料、悬料、炉墙结厚、炉凉、炉热的失常炉况），并以脸谱的表情（笑、严肃、哭）来表示综合结果；
（2）在线式煤气流分布数学模型（在装有炉喉十字测温的情况下）。含炉喉径向温度分布、换算的CO、CO2分布（按人工定时分析数据使之数值化）、边沿温度比重及中心温度比重趋势曲线；
（3）在线式风口风量分布及鼓风动能判断专家系统（在装有风口风量检测的情况下）。
（4）生产操作的数学模型，包括：
  □配料计算数学模型；
  □变料计算数学模型。含原料成分变化数学模型、焦炭成分变化数学模型、焦炭水分变化数学模型、铁种变化数学模型。
（5）评价高炉生产的数学模型，包括：
  □热平衡计算数学模型；
  □物料平衡计算数学模型；
  □直接还原度计算数学模型；
  □理论燃烧温度计算数学模型；
  □炼铁焦比计算数学模型；
（6）优化数学模型。即配料优化数学模型（成本最低）；
（7）技术计算。包括：
  □煤气利用率计算；
  □透气性指数、压量指数、崩料指数计算；
  □煤气热值计算；
  □铁水热焓计算等。
（8）标准查询。包括：
  □生铁标准查询；
  □高炉炼铁工艺技术规程查询；
  □高炉鼓风动能范围及判断方法查询；
  □高炉冶炼中常用数据换算值查询；
  □常用气体及硅、铁等热容查询；
  □元素在高炉冶炼分配查询；
  □高炉热风炉等主要设备尺寸及图形查询等。
3）MABFES-3型中型高炉低成本操作咨询指导系统（在线式）。
其主要功能为：
（1）在线式高炉炉况及炉热诊断预报与处理意见专家系统。基于规则式组成系统，按几十种征兆来推断炉况（正常炉况、包括边缘煤气过分发展、边缘煤气不足、管道、偏料、炉温向凉、炉温向热的异常炉况，包括崩料、悬料、炉墙结厚、炉凉、炉热的失常炉况），并以脸谱的表情（笑、严肃、哭）来表示综合结果；
（2）在线式煤气流分布数学模型（在装有炉喉十字测温的情况下）。含炉喉径向温度分布、换算的CO、CO2分布（按人工定时分析数据使之数值化）、边沿温度比重及中心温度比重趋势曲线；
（3）在线式风口风量分布及鼓风动能判断专家系统（在装有风口风量检测的情况下）。
（4）在线式高炉长寿及生产操作所需的数学模型，包括：
  □高炉炉缸侵蚀推定模型（可选的功能）；
  □高炉炉身冷却及砌体温度监控模型（可选的功能）；
  □高炉炉况综合判定模型（GO STOP系统）（可选的功能）；
  □高炉炉热判定模型（可选的功能）；
  □高炉软熔带推断数学模型（可选的功能）；
  □热风炉流量优化设定及无波动换炉模型（可选的功能）。
（5）生产操作的数学模型，包括：
  □配料计算数学模型；
  □变料计算数学模型。含原料成分变化数学模型、焦炭成分变化数学模型、焦炭水分变化数学模型、铁种变化数学模型。
（6）评价高炉生产的数学模型，包括：
  □热平衡计算数学模型；
  □物料平衡计算数学模型；
  □直接还原度计算数学模型；
  □理论燃烧温度计算数学模型；
  □炼铁焦比计算数学模型；
（7）优化数学模型。即配料优化数学模型（成本最低）；
（8）技术计算。包括：
  □煤气利用率计算；
  □透气性指数、压量指数、崩料指数计算；
  □煤气热值计算；
  □铁水热焓计算等。
（9）标准查询。包括：
  □生铁标准查询；
  □高炉炼铁工艺技术规程查询；
  □高炉鼓风动能范围及判断方法查询；
  □高炉冶炼中常用数据换算值查询；
  □常用气体及硅、铁等热容查询；
  □元素在高炉冶炼分配查询；
  □高炉热风炉等主要设备尺寸及图形查询等。
4 小高炉低成本操作咨询指导系统简介
    我公司在某厂正在试运行的中小高炉的操作支持系统，它仅使用一台工控机，内装应用软件，其功能包括：炉况、炉热专家系统（第一期离线以便确定正确的征兆与结论关系，第二期在线），配料计算模型，物料平衡计算模型，热平衡计算模型，炼铁焦比计算模型，理论燃烧温度计算模型，直接还原度计算模型，变料计算，其他技术计算（鼓风动能、铁水热焓、煤气热值、CO利用率、透气性指数、压量指数、崩料指数、边沿和中心温度比重等）。借助炉况、炉热专家系统就可预知炉况、炉热是否异常（见图1），以便及时采取措施，减少事故，借助于各个计算模型，就可评价高炉的操作，及时改进，例如借助热平衡计算模型，进行全炉热平衡计算，不仅可得出各项热收支和热损失情况，而且可得出高炉热量系数和高炉碳素热能利用系数（图2），这就方便地了解问题所在。


（a）
图1 （a）专家系统诊断结果；