厚植行业根基,工业软件为媒-冶金模型及过程测控系统冶金工艺的数字化新质生产力载体

工业过程控制系统及过控软件系统作为制造业工业机理与工业知识有效载体和制造业核心工艺过程，用于解决流程工业工艺过程在线测控及产品质量稳定控制的问题。是流程工业工艺与装备的桥梁。高端工业过程控制系统及配套的过程测控软件正在由人机界面和基本策略组态向先进过程控制方向发展。先进过程控制APC(Advanced Process Control System化工行业为在线优化系统RTO）指基于数学模型而又必须用计算机来实现的复杂工程机理模型控制算法与系统统称为先进过程控制策略，APC系统以高速网络化双工实时数据通讯为测控基础；搭载行业前沿工业研发成果与知识积淀及基于此高端工业机理模型；通用动态在线实时负反馈修正模块；嵌入集成自适应控制、预测控制、鲁棒控制、智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络）等高级数学功能算法用于解决非线性等常规算法无法解决或测控质量不稳定的工程问题。

图1 钢铁材料正向设计与冶金工艺模型系统

“数字钢铁、低碳钢铁、从钢铁到材料”是钢铁工业新时期高质量发展的主要方向。加快构建新发展格局，着力推动高质量发展。钢铁行业必须增强自主创新能力，提升智能制造水平，实现数字化转型升级。炼钢-轧钢过程是钢铁生产流程的核心工序，具有典型的多变量、非线性、强耦合、时变性等特征，过程建模与实时测控难度极大。随着数字产业的快速发展，钢企推进自主数字化通讯系统、冶金工艺模型系统、流程网络协同制造等新技术在炼钢-轧钢过程的应用，即实现金属材料凝固过程精准控制、生产效率提升、低碳节能减排，又未雨绸缪防止别人“卡脖子”。钢铁工业是典型的流程型制造工业体系，把冶金知识积淀与前沿冶金工艺研发成果装进计算机过程控制系统架起冶金工艺与装备、冶金工艺与材料正向设计的金色桥梁，从钢铁走向材料。高端冶金工艺模型及冶金过程控制系统为钢铁企业稳定常规钢铁产品稳定质量提供可实现的工程途径；为高端钢铁产品的全流程稳定、批量、窄工艺窗口生产提供机理、装备、工艺、质量的保障。

图2 冶金工艺模型系统贯穿整个钢铁流程

现代冶金前沿原理的深入研究使钢铁工业由单纯的技艺走向科学，材料科学工程、冶金过程热力学与动力学、冶金过程传输原理是支撑冶金流程的三大支柱。如何将现代冶金工艺原理及前沿研发成果应用于工业生产实践已成为冶金工艺的关键环节。数字钢铁的实现是以基础自动化系统软硬件为前提，重点发展冶金过程自动化、工艺智能化和企业深度信息化。冶金复杂过程控制系统是高等级钢材批量生产不可或缺的关键。由于受核心数学模型开发及引进模型的拓展应用进程较慢的制约，冶金过程控制系统有很多工作要深入开展。冶金核心数学模型、冶金高端过程测控系统集成及高端冶金工艺过程控制系统通用工程平台（MPAPC2.0）、材料正向设计与冶金过程数值仿真是下一代分布式、网络化、数字化冶金工艺过程智能化的核心；是效费比最高的增效途径，钢铁产业链高价值区的工作。

图4 工业软件定义的“数字钢铁”系统

冶金先进过程控制是基于冶金工业流程的基本原理、大量长期的工业知识积淀并在此基础上发展起来的数学模型。优秀的冶金先进过程控制系统又是复杂的系统工程，深入融合冶金工艺流程的前沿原理和现代测控技术通过数学方法和编程技术开发成高度集成的工业应用系统，实现工业化生产条件下工艺流程的动态智能控制。架起工艺过程宏观条件与控制系统的桥梁，为冶金工艺流程工作者提供一个集验证新原理、新构想；研发新技术、新工艺简洁高效、实用有力的高端工程实现平台。

图5 典型的冶金APC过程控制系统应用架构

现代冶金工业生产过程的大型化、复杂化对产品质量、产率、安全及对环境影响的要求越来越严格，尤其是冶金流程复杂、多变量、时变、MIMO特征的关键过程控制系统常规PID已无法胜任，因此，先进过程控制受到了广泛关注。先进过程控制系统（APC）系统指不同于常规PID，具有比常规PID控制具有更好控制质量的人工智能控制策略的统称。先进过程控制系统用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题。基于现代前沿工业原理和深度智能测控技术的高端流程工业工艺过程控制系统及配套的流程工业过程控制系统软件是流程工业工艺与产品质量智能化的核心 。

冶金界老前辈对于冶金模型及系统的远见

冶金工业发展至今对于工艺与先进过控系统的集成越来越重视，冶金工艺与过程测控系统是相辅相承的关系“冶金工艺是冶金过程测控系统的灵魂；冶金过程测控是冶金工艺的顶级形态”。将现代冶金工艺原理及前沿研发成果以冶金工艺过程控制模型为载体，搭载于网络化、数字化测控系统工程平台应用于钢铁工业生产实际。冶金工艺模型及过程测控系统是冶金工艺的顶级形态；是冶金工艺人员改进其工艺的工作平台；是钢铁企业工艺体系智能制造工作的载体。 

现代冶金工业对于冶金模型及系统的传承与发展

图6 冶金工艺模型及软件系统的典型架构

冶金过程控制系统平台（MPAPC）价值优势：

关于钢铁企业的数据问题：

图7  DEP-DADCS及全息多态数字化工厂系统

视频1 INCIC2.0冶金模型与PLC系统网络双工数据通讯系统现场应用场景

视频2 INCII冶金模型与企业信息化系统数据通讯系统现场应用场景

图8 制造业数字化通用多态数据链系统（DEP-DADCS系统）

图9 DEP-DADCS系统网络化实时客户端对.NET用户系统的支持

（上述L1配置图片来源于某企业生产现场）

图11 工艺知识积淀及智能化核心-高端工业过程控制系统

三、典型冶金工业过程控制仿真及工程应用系统集成

搭载冶金工业相关行业知识模型的冶金APC系统是冶金工艺智能化极为重要的载体与实现途径。由于冶金流程行业APC系统研发与集成过程风险高、研发测试周期长。因此，工程控制系统离线仿真系统是尤为必要的。工程控制系统仿真也叫计算机控制仿真技术。计算机控制与仿真技术已深入各个领域，重型高精度装备控制需要复杂模型控制技术，需要进行预先仿真后才能试装；高附加值产品更需要仿真建模技术；现代流程工业APC工艺过程测控系统和高端装备的复杂控制系统需要高端仿真及控制技术。依靠计算机系统及软件，将具体工程原理经过相应数学变换建立相关的工程机理模型，通过数字信号源馈入数字模拟信号激励、检测、验证输出结果以达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题离线仿真研究及持续改进的目的。复杂工程原理与人工智能联合仿真建模系统（以下简称DEP-ETSEW）主要应用于智能控制系统核心算法设计、验证和工程仿真，使得智能控制系统从设计到系统集成和产品定型在数字化空间中得以充分的验证，降低设计到生产制造之间的不确定性，在数字空间中将生产制造过程压缩和提前，使生产制造过程在数字空间中得以检验，从而提高系统的成功率和可靠性，缩短从设计到产品的转化时间。

图12 复杂系统工程机理建模及仿真测试

DEP-ETSEW2.0搭载丰富的高级数学功能模块和人工智能子系统，包括线性定常（LTI）连续或离散系统建模、仿真、分析、设计的工具，可以创建如LTI系统动态模型（包括状态空间模型、传递函数模型、零极点-增益模型），模型转换函数，模型降阶函数，系统模型连接函数，时域响应（脉冲响应、阶跃响应）分析函数，频域分析（Bode图、Nyquist图、稳定裕度、Nichols图线）函数，离散系统，机器视觉、数理统计分析、模糊控制函数及工具包，系统辨识，模型预测控制等近千种高级数学功能算法及仿真系统用于不同行业的诸多高端复杂的控制模型用于构建高端工业过程控制统。

图13 DEP-MPAPC2.0搭载丰富的高级数学工具包

DEP-ETSEW平台使得冶金行业及领域的专家、学者及工程技术人员可以在同一平台上并行工作，充分发挥自身的极大优势。内建仿真信号发生器可模拟数百种频率及相位的波形，支持自定义公式波形用于工程原理系统样机的仿真与功能测试，通过严苛的、全面的功能测试后的工程仿真系统可以与冶金工业先进过程控制系统平台（DEP-MPAPC2.0）无缝集成直接用于在线控制系统，仿真成功即系统的集成研发模式大幅缩短高端工业过程控制系统产品从研发到部署的周期。

图14 冶金复杂算法和工程原理Simulink测控模型离线带信号测试

图15 冶金过程复杂算法和工程原理建模转化为工程应用测控系统

图16 双输入双输出串接解耦方块图

           Y(s)=Gc(ｓ)D(s)G(s)

确定合适的D(s)使D(s)G(s)相乘成为对角矩阵，就解除了系统之间的耦合，两个控制系统不再关联。

图17.1热轧冶金过程控制系统MIMO系统扰动串接解耦工程模拟仿真

图17 .2热轧冶金过程控制系统MIMO系统扰动串接解耦工程应用

预测控制不但利用当前的和过去的偏差值，而且还利用预测模型来预估过程未来的偏差值，以滚动优化确定当前的最优控制策略。预测控制优于PID控制。

图17.1 预测控制的基本结构

图18 预测控制工程实例（凝固过程二维传热及钢铁材料动态结晶控制）

模糊控制是用模糊数学的知识模仿人脑的推理思维方式，对非线性控制对象通过模糊化进行识别和判决，通过逆模糊化给出精确的控制量，对被控对象进行控制。

图19  DEP-iFuzzy模糊控制器设计及测控系统的基本结构

图20  DEP-iFuzzy模糊控制系统工程实例

4MPAPC2.0架构下的高端冶金过程控制系统集成与行业应用

图21 第三代LF-RH真空精炼工艺过程控制系统

图22搭载局部人工智能辅助的四代+转炉冶炼工艺过程控制系统

视频3 第四代转炉过程控制系统-i-BOF4.2.9

图23 第五代金属凝固过程磁控流动、磁控结晶工艺参数测算系统

表2 材料电磁冶金工艺动态精密测控系统选型

图24 数字化连铸工艺专家系统部分画面

视频5 第三代数字化连铸冶金工艺专家系统-CCMP-Expert3.1.3

图25 热轧工艺模型系统

图26 炼钢-连铸-热轧冶金工艺模型与材料正向研发及工业制备

高端冶金过程控制系统通用过程平台（DEP-MPAPC2.0）是冶金工业智能模型及控制软件应用部署的载体。深度系统性集成先进传感器、控制器、仿真建模、多态实时通讯技术到冶金工业智能制造系统；冶金APC系统通过工业CPS系统与各级测控系统进行数据交互；丰富的高级数学功能模块用于构建不同工序的诸多高端复杂的关键控制模型, 通过MPAPC架构平台集成为高端工业过程控制系统；冶金APC系统的开放性使得不同领域的冶金行业专家、学者及工程技术人员可以在同一平台上并行工作，充分发挥自身的极大优势。将数字化、智能化制造技术、新原理、新工艺从实验室原理概念和理论研发成果转化为相关的数学模型并通过系统集成成为高端智能控制系统在线应用部署于冶金工业制造流程及产线。

1、冶金工艺模型是冶金工艺的顶级形态，金属材料均质化的核心，构建数字化冶金工艺系统及质量管控精密调控平台；冶金新工艺的孵化器、稳定器、助推器。为钢铁企业稳定常规产品质量提供机理、装备、工艺、质量的保证；实现高端产品冶金工艺过程稳定、批量、窄工艺窗口生产。冶金过控系统承接材料正向研发成果，从钢铁走向材料的桥梁；高等级钢铁材料的摇篮，钢铁产品核心竞争力所在。

2、冶金工艺模型是挖掘隐含在水线以下的高端品牌钢种收益的利器。你用在线的含有高端钢种冶金工艺诀窍的自主冶金过程控制软件系统（APC系统）去保证产品质量和高等级钢铁产品的批量工业化生产，这东西别人干不了也不容易被偷去，当然物以稀为贵。是雪中送碳非锦上添花。

图27冶金工业模型定义的高端钢铁材料

5DEP-MPAPC应用拓展

冶金工业过程控制系统通用工程平台（DEP-MPAPC）衍生于复杂工程机理仿真与测试及高端工业过程控制系统通用工程平台（DEP-APCEW2.0&DEP-ETSEW2.0）是流程工业下一代智能模型及控制软件应用部署的载体。平台集成先进传感器、控制器、仿真建模、实时通讯技术到工业智能制造系统；丰富的高级数学功能模块用于构建不同行业的诸多高端复杂的关键控制模型, 通过DEP-MPAPC架构平台集成为高端工业过程控制统；平台的开放性使得不同行业及领域的专家、学者及工程技术人员可以在同一平台上并行工作，充分发挥自身的极大优势。基础通用化平台+用户应用系统的高效模块化系统集成模式将数字化、智能化制造技术、新原理、新工艺从实验室原理概念和理论研发成果转化为高端智能控制系统在线应用部署于工业制造流程及产线。                       

长远价值与前景：钢铁生产过程是高性能传感通讯、传动和多级大型计算机测控系统集成的试金石。钢铁生产过程的复杂性和作业环境的严苛性，成为诸多冶金控制算法和控制策略工程实用性的应用测试与验证平台。理性客观地讲：冶金过程控制系统是推动控制理论、计算机测控、数据通讯技术和智能算法快速发展的原动力之一。已经在钢铁生产过程中得到工业化稳定应用的控制硬件、系统集成方法、工业双工数据通讯系统、高端软件算法系统与通用工程平台经过小幅改动即可适配于其他制造行业的工业控制系统中。让钢铁工业即出钢材又出智能制造所亟需的关键自主装备与核心模块化软件系统！

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附录A

DEPSoftware数字钢铁及高端冶金模型系统模块化组件2026

冶金工艺模型是从钢铁到材料的冶金工艺新质生产力载体，树立钢企核心品牌竞争力所在。工艺模型是冶金工艺数字化的载体，钢铁企业第二阶段数字化工作的主流方向；衔接材料正向研发成果，常规钢铁产品质量稳定器、高等级钢铁材料的摇篮。冶金新工艺的孵化器、助推器，实现钢铁产品全流程稳定、批量、动态窄窗口生产。从钢铁走向材料，凭物以稀为贵、开源增效。

冶金模型的核心是成熟前沿的冶金工艺，冶金工艺的高端与炉火纯青是系统级的自主模型;冶金先进过程控制系统工程平台（Metallurgy  Process Advanced Process Control简称MPAPC）是批量研发与生产线应用部署自主冶金工艺模型的运载工具。冶金工艺与冶金MIMO模型的进化对态势感知与、双工测控通讯速率及时序提出很严苛的要求，数据通讯速率与通讯的时序质量决定工艺系统的窄工艺窗口测控质量和产品质量。MPAPC用系统集成高端工业通讯、冶金工艺建模、复杂过程预测推理数学算法，工艺、模型、测控、通讯交相辉映!以上子系统及文中所列工作仅为基础部分，可以在冶金过程控制通用基础工程平台及平台架构上依据冶金流程现场实际情况灵活拓展与组合应用。用数据和高端冶金过程控制系统驱动冶金企业生产过程”。