摘   要：提出了鋼鐵分析檢測系統自動化的概念，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自動化的基本內容。文中還介紹了一個轉爐煉鋼廠分析檢測自動化的實例。 
        關鍵詞：鋼鐵分析檢測；自動化；LIMS 
        引 言 
        在現代大型鋼鐵聯合企業中，分析檢測系統已成為生產過程質量控制與管理，企業經營銷售活動不可缺少的重要組成部分。從進廠原料質量把關，中間產品監控，成品檢驗判定，到售后質量異議處理，分析檢測起著企業眼睛的作用。隨著當今鋼鐵生產企業的大型化、現代化、生產過程越來越高速化、連續化、自動化，分析檢測系統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]。傳統的分析檢測方法已無法適應生產的快節奏，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企業必不可少的手段。國外先進企業在這方面投入大量資力，在盡量采用高精度、高穩定、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節都不惜重金大量配備自動化儀器和采樣、制樣裝置。國內近十幾年來，大多數大型鋼鐵企業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，逐步淘汰了生產現場“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的距離。然而，將分析檢測過程自動化作為系統的觀點來考慮并加以現場應用，國內還遠不成熟，國際上也正處于不斷探索前進的狀況。現就筆者近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； 
        2 )中間產品的樣品采集、制樣和傳送，如燒結礦、鐵水、鋼水、鋼坯料試樣流轉； 
        3)成品的樣品采集、制樣和傳送，既成品鋼材試樣的流轉。 
        樣品從被采集開始，經過加工制成適應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。一方面，實物本身在流轉過程中應該一直具有其代表性，才能保證分析檢測數據的真實性和準確性；另一方面，流轉過程還應該滿足快速性以保證工藝上對分析檢測數據的適時性要求。而傳統的“人工取樣，肩挑步送”的實物流過程隨意性大、周期長，遠遠滿足不了現代化生產工藝和管理的要求，因此，實物流過程自動化水平的提高是分析檢測系統提高準確性最基本的要求，也是其提高快速性最關鍵的手段。 
        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，為保證可靠性、穩定性和快速性，較高檔的裝置還配備了PLC控制系統、液壓氣動傳動系統、光電或超聲波位置檢測系統、計量儀表系統、CRT監視系統、計算機通信與管理系統等。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，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果數據的過程。傳統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、穩定性差、人為誤差大。要在這種分析方法的基礎上通過裝置改進達到實現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測快速分析儀等面市，但這類儀器仍是基于化學反應的改進，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，國內大多數大型鋼鐵企業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。在企業鋼鐵主體生產體系，通常采用光電直讀光譜儀，X熒光光譜儀這兩類儀器，實現儀器化分析改進。這類儀器是利用物理電能激發，使試樣中不同化學元素原子發生能級躍遷而產生不同光譜，并使其轉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、比色分析、人工讀數等繁雜流程。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計制造從一開始就是本著高精度、高穩定、快速化、自動化、多功能整體優化原則進行的[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于一體，具有相當精密的物理與幾何光學系統，精密機械系統，電子傳感測量系統，計算機控制與數據處理及人機界面系統，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技術，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 
        鋼鐵生產作為一種流程工業，規模大、覆蓋面廣、效益高。產品質量控制是系統主控目標之一，分析檢測過程的模式也必須適應這種流程工業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，國內大型鋼鐵企業在主體生產體系中普遍采用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品的分析檢測任務，可以充分發揮大型精密儀器的運行效率，且儀器遠離環境惡劣生產現場能夠保證較高的穩定性和準確性，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（如風動送樣裝置）和遠程報數系統（如計算機儀器通信自動數據采集和遠程專線調制解調器或聯網報數系統）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現場（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備（PLC控制的機械手系統）及計算機聯網自動數據采集與報數系統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）或整機位于生產流程線上，并與被測對象直接或間接接觸的一種連續單點分析模式。一般稱這類儀器為過程分析儀器（process analyzer）[2]。在線分析是實現生產系統動態控制的必要手段，也是生產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雜性與采樣技術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過程中應用較少，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代高新技術的發展，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品在生產過程中的質量信息，便于指導生產，控制質量。這里所指的信息流過程，是指分析檢測得到的結果數據從分析檢測儀器處到達生產現場需求者處或其它部門的過程。 
        在鋼鐵生產現場，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果數據的周期控制在3min以內，煉鐵高爐、燒結機爐前對產品成分的實時掌握也有相應的周期要求。傳統的報數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的方式提高分析檢測數據報出的速度和準確性，幾乎自然地成了大型鋼鐵企業要解決的問題。在這一前提下，各種遠程報數裝置應運而生，實際上就是通過采用這種裝置，實現分析檢測數據信息流過程的自動化。 
        3.1、分析檢測數據遠程報數裝置的發展概況 
        國內分析檢測數據遠程報數裝置的經歷了從手動到自動的過程，大體出現了以下幾代傳送方式的產品： 
        (1) 手動撥碼數據輸出→多芯電纜傳送→現場燈泡或LED發光二極管顯示； 
        (2) 手工書寫報單數據→攝象頭成象，同芯電纜圖象信號傳輸→現場電視CRT顯
示； 
        (3) 儀器串口自動數據輸出→雙芯電纜傳輸→現場串行打印機打印； 
        (4) 儀器串口自動數據輸出→計算機串口自動數據采集，專線或無線modem傳送→現場計算機接收，計算機CRT顯示； 
        (5) 儀器聯網數據輸出→計算機網絡線傳輸→網絡服務器數據庫接收→現場網絡工作站CRT顯示。
目前，國內大型鋼鐵企業開始采用上述(4)、(5)方式。 
        3.2、分析儀器檢測數據的自動采集 
        實現報數自動化首先必須實現對儀器結果的自動采集。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串行接口數據輸出的功能，有的還具有直接聯網功能。儀器計算機數據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資料中寫明相應的數據輸出通信協議和數據格式，用戶通過編制簡單的VB、DEPHI等語言程序即可完成對儀器數據的自動采集。 
        3.3、數據集中采集與處理 
        數據集中采集。設置一臺專門的數據采集計算機，對多臺儀器的數據輸出口進行數據采集，通常采用多串口卡的方法實現。對相隔距離較遠的儀器還應配置相應的專線調制解調器（modem）。另外，由于從儀器數據輸出口采集到的數據一般只是一些代碼，還必須進行軟件上的數據處理，將其轉換為相應的文本文件格式或數據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，集中采集計算機還必須將相應的數據送往相應的工序點，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據信息適時有序流轉。 
        3.4、數據聯網系統 
        在數據實現集中采集的基礎上，可建立分析檢測專用數據庫，同時，可配置網絡服務器形成實驗室局域網并建立分析檢測數據管理中心。在具備局域網和公司級CIMS網的條件下，可實現分析檢測數據的全面聯網，達到信息資源的有效共享。圖1是漣鋼在轉爐煉鋼廠實現分析檢測數據聯網和自動化的實例。