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(jìn)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(dāng)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(zhǔn)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(dāng)今世界先進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)必不可少的手段。國外先進(jìn)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(jī)、電、計算機(jī)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(jìn)先進(jìn)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(jìn)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(diǎn)來考慮并加以現(xiàn)場應(yīng)用，國內(nèi)還遠(yuǎn)不成熟，國際上也正處于不斷探索前進(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(zhǔn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǔn)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(jìn)的試樣自動采集、自動制樣、自動傳送的裝置大都采用機(jī)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(jī)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(fēng)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(qiáng)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(jìn)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(xué)分析“濕法分析”方法為主的。這種分析方法過程長、強(qiáng)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(jìn)達(dá)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(xué)反應(yīng)的改進(jìn)，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(jìn)國外先進(jìn)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(jìn)。這類儀器是利用物理電能激發(fā)，使試樣中不同化學(xué)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(jìn)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(xué)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(xué)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(xué)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(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，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(jìn)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(jī)、電、計算機(jī)等方面的最新技術(shù)于一體，具有相當(dāng)精密的物理與幾何光學(xué)系統(tǒng)，精密機(jī)械系統(tǒng)，電子傳感測量系統(tǒng)，計算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理及人機(jī)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(diǎn)，多用途可擴(kuò)展的配置方式，以及多功能計算機(jī)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(biāo)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(diǎn)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(yuǎn)離現(xiàn)場的一種集中分析模式，往往一臺儀器可擔(dān)負(fù)多個工序點(diǎn)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(yùn)行效率，且儀器遠(yuǎn)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(zhǔn)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(yuǎn)程送樣系統(tǒng)（如風(fēng)動送樣裝置）和遠(yuǎn)程報數(shù)系統(tǒng)（如計算機(jī)儀器通信自動數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)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(diǎn)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(jī)房條件如裝備封閉式機(jī)房或集裝箱式機(jī)房，并通過裝備全自動制樣設(shè)備（PLC控制的機(jī)械手系統(tǒng)）及計算機(jī)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(jī)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(diǎn)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(jìn)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(dá)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(yuǎn)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(zhǔn)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(yuǎn)程報數(shù)裝置應(yīng)運(yùn)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(yuǎn)程報數(shù)裝置的發(fā)展概況 
        國內(nèi)分析檢測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(jī)打印； 
        (4) 儀器串口自動數(shù)據(jù)輸出→計算機(jī)串口自動數(shù)據(jù)采集，專線或無線modem傳送→現(xiàn)場計算機(jī)接收，計算機(jī)CRT顯示； 
        (5) 儀器聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)輸出→計算機(jī)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(jìn)的先進(jìn)大型精密儀器，基本上都具有計算機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)，對多臺儀器的數(shù)據(jù)輸出口進(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行試樣識別編碼等。在離線分析模式下，往往一臺儀器擔(dān)負(fù)著多個工序點(diǎn)的試樣的分析檢測任務(wù)，集中采集計算機(jī)還必須將相應(yīng)的數(shù)據(jù)送往相應(yīng)的工序點(diǎn)，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(xué)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(dá)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。