摘   要：提出了鋼鐵分析檢測系統(tǒng)自動化的概念，并以實物流過程自動化，分析檢測過程自動化，信息流過程自動化以及實驗室管理自動化分類，闡述鋼鐵分析檢測實現(xiàn)自動化的基本內(nèi)容。文中還介紹了一個轉(zhuǎn)爐煉鋼廠分析檢測自動化的實例。 
        關(guān)鍵詞：鋼鐵分析檢測；自動化；LIMS 
        引 言 
        在現(xiàn)代大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中，分析檢測系統(tǒng)已成為生產(chǎn)過程質(zhì)量控制與管理，企業(yè)經(jīng)營銷售活動不可缺少的重要組成部分。從進廠原料質(zhì)量把關(guān)，中間產(chǎn)品監(jiān)控，成品檢驗判定，到售后質(zhì)量異議處理，分析檢測起著企業(yè)眼睛的作用。隨著當今鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的大型化、現(xiàn)代化、生產(chǎn)過程越來越高速化、連續(xù)化、自動化，分析檢測系統(tǒng)的配備除滿足分析檢測的準確性外，還要求具備適時性、快速性[1]。傳統(tǒng)的分析檢測方法已無法適應(yīng)生產(chǎn)的快節(jié)奏，提高鋼鐵分析檢測的自動化水平已成為當今世界先進鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)必不可少的手段。國外先進企業(yè)在這方面投入大量資力，在盡量采用高精度、高穩(wěn)定、快速化、自動化的光、機、電、計算機一體化大型精密儀器的同時，在整個分析檢測流程的每個環(huán)節(jié)都不惜重金大量配備自動化儀器和采樣、制樣裝置。國內(nèi)近十幾年來，大多數(shù)大型鋼鐵企業(yè)都開始引進先進的分析檢測儀器，如光電直讀光譜儀、X熒光光譜儀等大型精密儀器，逐步淘汰了生產(chǎn)現(xiàn)場“瓶瓶罐罐，手忙腳亂”的手工濕法分析方法，縮短了與國外先進分析檢測技術(shù)的距離。然而，將分析檢測過程自動化作為系統(tǒng)的觀點來考慮并加以現(xiàn)場應(yīng)用，國內(nèi)還遠不成熟，國際上也正處于不斷探索前進的狀況?，F(xiàn)就筆者近10年來，在漣鋼鋼鐵分析檢測自動化實踐中形成的一些不成熟的觀點探討如下。 
        1、樣品實物流過程自動化 
        實物流過程是指被分析檢測的對象既試樣的流轉(zhuǎn)過程。一般有以下幾個主要過程： 
        1)原料進廠的樣品采集、制樣和傳送，如礦石、精粉試樣流轉(zhuǎn)； 
        2 )中間產(chǎn)品的樣品采集、制樣和傳送，如燒結(jié)礦、鐵水、鋼水、鋼坯料試樣流轉(zhuǎn)； 
        3)成品的樣品采集、制樣和傳送，既成品鋼材試樣的流轉(zhuǎn)。 
        樣品從被采集開始，經(jīng)過加工制成適應(yīng)于某種分析檢測方法的試樣，到最終被送至某類儀器分析檢測，始終是一種實物形態(tài)。一方面，實物本身在流轉(zhuǎn)過程中應(yīng)該一直具有其代表性，才能保證分析檢測數(shù)據(jù)的真實性和準確性；另一方面，流轉(zhuǎn)過程還應(yīng)該滿足快速性以保證工藝上對分析檢測數(shù)據(jù)的適時性要求。而傳統(tǒng)的“人工取樣，肩挑步送”的實物流過程隨意性大、周期長，遠遠滿足不了現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝和管理的要求，因此，實物流過程自動化水平的提高是分析檢測系統(tǒng)提高準確性最基本的要求，也是其提高快速性最關(guān)鍵的手段。 
        目前，先進的試樣自動采集、自動制樣、自動傳送的裝置大都采用機電一體化技術(shù)，為保證可靠性、穩(wěn)定性和快速性，較高檔的裝置還配備了PLC控制系統(tǒng)、液壓氣動傳動系統(tǒng)、光電或超聲波位置檢測系統(tǒng)、計量儀表系統(tǒng)、CRT監(jiān)視系統(tǒng)、計算機通信與管理系統(tǒng)等。典型裝置有汽車、火車自動采樣裝置、光譜試樣全自動磨樣裝置、風動送樣裝置等。這些裝置的采用，無疑使分析檢測實物流過程自動化水平得以有效提高。 樣品實物流過程自動化的實現(xiàn)，可大大降低操作者勞動強度，減少人為差錯，縮短分析檢測周期。 
        2、分析檢測過程自動化 
        2.1、儀器化分析檢測與自動化 
        分析檢測過程是指具體使用某種分析檢測方法對實物試樣進行分析檢測并獲得結(jié)果數(shù)據(jù)的過程。傳統(tǒng)的鋼鐵分析檢測過程，是以手工化學分析“濕法分析”方法為主的。這種分析方法過程長、強度高、功能單一、穩(wěn)定性差、人為誤差大。要在這種分析方法的基礎(chǔ)上通過裝置改進達到實現(xiàn)自動化目的是很困難的，雖然以往也有不少提高自動化分析程度的裝置如多元素聯(lián)測快速分析儀等面市，但這類儀器仍是基于化學反應(yīng)的改進，不能使鋼鐵分析檢測過程自動化得到根本改觀。 
        近十多年來，國內(nèi)大多數(shù)大型鋼鐵企業(yè)通過引進國外先進儀器迅速提高了分析檢測的自動化程度。在企業(yè)鋼鐵主體生產(chǎn)體系，通常采用光電直讀光譜儀，X熒光光譜儀這兩類儀器，實現(xiàn)儀器化分析改進。這類儀器是利用物理電能激發(fā)，使試樣中不同化學元素原子發(fā)生能級躍遷而產(chǎn)生不同光譜，并使其轉(zhuǎn)換為電信號進行定量檢測的大型精密儀器。 
        儀器化分析方法在鋼鐵分析檢測中的應(yīng)用，簡化了試樣備制過程（鋼鐵試樣的備制只需簡單的表面拋光加工），取消了手工分析方法過程中的試樣粉碎、酸溶加熱分解、化學反應(yīng)、比色分析、人工讀數(shù)等繁雜流程。目前，光電直讀光譜儀已成為鋼樣化學成分分析的首選儀器，X熒光光譜分析儀則是生鐵和其它礦類樣化學成分分析的首選儀器。它的應(yīng)用是很成功的。一方面，這類儀器具有選擇性好、靈敏度高、準確性高的特點，實現(xiàn)了其分析檢測的核心功能；另一方面，這類大型精密儀器的設(shè)計制造從一開始就是本著高精度、高穩(wěn)定、快速化、自動化、多功能整體優(yōu)化原則進行的[2]，從分析檢測過程自動化的角度來看，這類儀器集光、機、電、計算機等方面的最新技術(shù)于一體，具有相當精密的物理與幾何光學系統(tǒng)，精密機械系統(tǒng)，電子傳感測量系統(tǒng)，計算機控制與數(shù)據(jù)處理及人機界面系統(tǒng)，是一種近乎完美的自動化分析檢測裝置。其多通道多元素同時分析檢測的快速化特點，多用途可擴展的配置方式，以及多功能計算機軟硬件系統(tǒng)技術(shù)，使分析檢測過程自動化的提高易于實施。 
        2.2、分析檢測模式與自動化 
        鋼鐵生產(chǎn)作為一種流程工業(yè)，規(guī)模大、覆蓋面廣、效益高。產(chǎn)品質(zhì)量控制是系統(tǒng)主控目標之一，分析檢測過程的模式也必須適應(yīng)這種流程工業(yè)的特點而不同于一般的實驗室分析檢測過程模式。因此，如何在特定的分析檢測模式下提高自動化水平，是值得探討的問題。 
        目前，國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)在主體生產(chǎn)體系中普遍采用3種分析檢測模式，既離線分析、臨線分析和在線分析模式。3種分析檢測模式各有所長。 
        離線分析。是一種分析檢測儀器遠離現(xiàn)場的一種集中分析模式，往往一臺儀器可擔負多個工序點產(chǎn)品的分析檢測任務(wù)，可以充分發(fā)揮大型精密儀器的運行效率，且儀器遠離環(huán)境惡劣生產(chǎn)現(xiàn)場能夠保證較高的穩(wěn)定性和準確性，主要矛盾是如何提高試樣傳送速度以保證時效性的問題。這種模式下主要通過裝備可靠的遠程送樣系統(tǒng)（如風動送樣裝置）和遠程報數(shù)系統(tǒng)（如計算機儀器通信自動數(shù)據(jù)采集和遠程專線調(diào)制解調(diào)器或聯(lián)網(wǎng)報數(shù)系統(tǒng)）來提高自動化程度。 
        臨線分析。是一種分析檢測儀器緊臨生產(chǎn)現(xiàn)場（如煉鋼平臺）的專項單點分析模式。要求儀器具備較好的抗干擾、抗震、防塵、抗溫度變化性能。 在這種模式下，應(yīng)盡量改善機房條件如裝備封閉式機房或集裝箱式機房，并通過裝備全自動制樣設(shè)備（PLC控制的機械手系統(tǒng)）及計算機聯(lián)網(wǎng)自動數(shù)據(jù)采集與報數(shù)系統(tǒng)來提高其自動化程度。 
        在線分析。是一種分析檢測儀器的部分元器件（如傳感器或探頭）或整機位于生產(chǎn)流程線上，并與被測對象直接或間接接觸的一種連續(xù)單點分析模式。一般稱這類儀器為過程分析儀器（process analyzer）[2]。在線分析是實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)控制的必要手段，也是生產(chǎn)過程自動化的理想手段。但由于鋼鐵分析檢測過程中被檢測對象的復(fù)雜性與采樣技術(shù)上的困難性以及高靈敏、高可靠等方面的要求，這種分析模式在鋼鐵主體生產(chǎn)過程中應(yīng)用較少，僅在個別場合使用，如TC氧槍探頭用于鋼水溫度、碳氧成分含量測定、質(zhì)譜儀用于煉鋼爐煙氣成分分析。[2~3] 然而，鋼鐵分析檢測的在線分析隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，必將取得突破性進展。 
        3、信息流過程自動化 
        鋼鐵分析檢測的主要目的是傳遞鋼鐵產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量信息，便于指導(dǎo)生產(chǎn)，控制質(zhì)量。這里所指的信息流過程，是指分析檢測得到的結(jié)果數(shù)據(jù)從分析檢測儀器處到達生產(chǎn)現(xiàn)場需求者處或其它部門的過程。 
        在鋼鐵生產(chǎn)現(xiàn)場，對鋼鐵冶煉成分信息需求是有很強的時效性的。特別是煉鋼爐前，要求中間冶煉鋼水成分從試樣送出至得到分析檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)的周期控制在3min以內(nèi)，煉鐵高爐、燒結(jié)機爐前對產(chǎn)品成分的實時掌握也有相應(yīng)的周期要求。傳統(tǒng)的報數(shù)是通過電話通告或人工報告單傳送的方式進行的，前者容易出差錯，后者滿足不了及時性要求。因此，如何通過遠程自動報數(shù)的方式提高分析檢測數(shù)據(jù)報出的速度和準確性，幾乎自然地成了大型鋼鐵企業(yè)要解決的問題。在這一前提下，各種遠程報數(shù)裝置應(yīng)運而生，實際上就是通過采用這種裝置，實現(xiàn)分析檢測數(shù)據(jù)信息流過程的自動化。 
        3.1、分析檢測數(shù)據(jù)遠程報數(shù)裝置的發(fā)展概況 
        國內(nèi)分析檢測數(shù)據(jù)遠程報數(shù)裝置的經(jīng)歷了從手動到自動的過程，大體出現(xiàn)了以下幾代傳送方式的產(chǎn)品： 
        (1) 手動撥碼數(shù)據(jù)輸出→多芯電纜傳送→現(xiàn)場燈泡或LED發(fā)光二極管顯示； 
        (2) 手工書寫報單數(shù)據(jù)→攝象頭成象，同芯電纜圖象信號傳輸→現(xiàn)場電視CRT顯
示； 
        (3) 儀器串口自動數(shù)據(jù)輸出→雙芯電纜傳輸→現(xiàn)場串行打印機打印； 
        (4) 儀器串口自動數(shù)據(jù)輸出→計算機串口自動數(shù)據(jù)采集，專線或無線modem傳送→現(xiàn)場計算機接收，計算機CRT顯示； 
        (5) 儀器聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)輸出→計算機網(wǎng)絡(luò)線傳輸→網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫接收→現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)工作站CRT顯示。
目前，國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)開始采用上述(4)、(5)方式。 
        3.2、分析儀器檢測數(shù)據(jù)的自動采集 
        實現(xiàn)報數(shù)自動化首先必須實現(xiàn)對儀器結(jié)果的自動采集。近年來，國外引進的先進大型精密儀器，基本上都具有計算機RS232串行接口數(shù)據(jù)輸出的功能，有的還具有直接聯(lián)網(wǎng)功能。儀器計算機數(shù)據(jù)通信軟件接口開始透明化，儀器廠商可為用戶提供或在隨機技術(shù)資料中寫明相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，用戶通過編制簡單的VB、DEPHI等語言程序即可完成對儀器數(shù)據(jù)的自動采集。 
        3.3、數(shù)據(jù)集中采集與處理 
        數(shù)據(jù)集中采集。設(shè)置一臺專門的數(shù)據(jù)采集計算機，對多臺儀器的數(shù)據(jù)輸出口進行數(shù)據(jù)采集，通常采用多串口卡的方法實現(xiàn)。對相隔距離較遠的儀器還應(yīng)配置相應(yīng)的專線調(diào)制解調(diào)器（modem）。另外，由于從儀器數(shù)據(jù)輸出口采集到的數(shù)據(jù)一般只是一些代碼，還必須進行軟件上的數(shù)據(jù)處理，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的文本文件格式或數(shù)據(jù)庫文件格式以及對其進行試樣識別編碼等。在離線分析模式下，往往一臺儀器擔負著多個工序點的試樣的分析檢測任務(wù)，集中采集計算機還必須將相應(yīng)的數(shù)據(jù)送往相應(yīng)的工序點，硬件上通常也是采用多串口卡加專線或無線modem傳送，軟件上要建立科學的試樣來源識別編碼體系保證數(shù)據(jù)信息適時有序流轉(zhuǎn)。 
        3.4、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 
        在數(shù)據(jù)實現(xiàn)集中采集的基礎(chǔ)上，可建立分析檢測專用數(shù)據(jù)庫，同時，可配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器形成實驗室局域網(wǎng)并建立分析檢測數(shù)據(jù)管理中心。在具備局域網(wǎng)和公司級CIMS網(wǎng)的條件下，可實現(xiàn)分析檢測數(shù)據(jù)的全面聯(lián)網(wǎng)，達到信息資源的有效共享。圖1是漣鋼在轉(zhuǎn)爐煉鋼廠實現(xiàn)分析檢測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)和自動化的實例。