Schwerpunkt dieser Studie war der Automatisierungsgrad der wichtigsten Produktionsprozesse führender Stahlunternehmen. Dies umfasste die Konfiguration und Anwendung von Systemen wie Sinteranlagen mit einer Kapazität von mindestens 20 m², Eisenerzeugungsanlagen mit Hochöfen von mindestens 300 m³, Stahlerzeugungsanlagen mit Konvertern von mindestens 30 Tonnen und Elektroöfen von mindestens 25 Tonnen, Stranggießanlagen, Walzwerken für Warm- und Kaltwalzen sowie Beschichtungs- und anderen Weiterverarbeitungsanlagen. Die Studie analysierte zudem statistisch die Anzahl der in der Basisautomatisierung, den Produktionssteuerungssystemen, dem Werkstattmanagement und den Fertigungsmanagementsystemen dieser Anlagen eingesetzten speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Prozessleitsystemen (PLS), industriellen Steuerungsrechnern (ISR) und anderer mathematischer Modelle. Darüber hinaus untersuchte die Studie den Automatisierungsgrad verschiedener Produktionsanlagen sowie die Modelle der wichtigsten Computer und Steuergeräte. Die Studie umfasste 65 führende Stahlunternehmen mit einer Stahlproduktion von über einer Million Tonnen, deren Automatisierungsgrad im Allgemeinen repräsentativ für den aktuellen Stand der Automatisierung in der nationalen Stahlindustrie ist. Abschließend wurde eine vergleichende Analyse des Automatisierungsgrades von 65 wichtigen Stahlunternehmen durchgeführt, darunter Baosteel, Ansteel, Shougang, Wuhan Iron and Steel, Maanshan Iron and Steel, Panzhihua Iron and Steel, Benxi Iron and Steel, Tangshan Iron and Steel, Baotou Steel, Taiyuan Iron and Steel, Handan Iron and Steel und Jinan Iron and Steel. Die Analyse umfasste: den Anteil der mit Basisautomatisierung, Prozessautomatisierung und Fertigungsmanagementsystemen ausgestatteten Sinteranlagenwagenfläche an der gesamten Wagenfläche aller Unternehmen; den Anteil der mit Basisautomatisierung, Prozessautomatisierung und Fertigungsmanagementsystemen ausgestatteten Hochofenkapazität an der gesamten Hochofenkapazität aller Unternehmen; und den Anteil der mit Basisautomatisierung, Prozessautomatisierung und Fertigungsmanagementsystemen ausgestatteten Anlagen oder Produktionslinien in der Stahlerzeugung, im Stranggießverfahren und im Walzwerk an der gesamten Produktionskapazität aller Unternehmen. In der Analyse wurde die einfachste Akzeptanzmethode angewendet: Sobald ein automatisiertes Steuergerät oder -system installiert war, wurde die Anlage bzw. das System als vorläufig automatisiert produktionsfähig eingestuft, ohne die spezifischen Funktionen und Rollen der Automatisierung weiter zu untersuchen. Mithilfe dieser vorläufigen statistischen Analyse wurde der Anteil automatisierter Anlagen bzw. Prozesse an jeder wichtigen Produktionsanlage bzw. jedem wichtigen Produktionsprozess berechnet und somit der Automatisierungsgrad analysiert. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass sich das Niveau der Automatisierungstechnologie in der Stahlindustrie nach jahrelanger Forschung und Entwicklung deutlich verbessert hat. Einige Technologien sind national führend, andere haben international fortgeschrittene Standards erreicht. Insbesondere einige Technologien haben eigenständige Schutzrechte erworben und werden erfolgreich in der Industrie eingesetzt. Diese technologischen Errungenschaften wurden mit nationalen und regionalen Preisen ausgezeichnet. Dies ist auf drei Hauptgründe zurückzuführen: Erstens haben Unternehmen im Kontext der wirtschaftlichen Globalisierung und der Internationalisierung der Märkte die entscheidende Rolle der Automatisierungstechnologie für ihre Entwicklung erkannt. Ohne die Einführung neuer Technologien und die Implementierung von Automatisierung ist es schwierig, die Produktionseffizienz und Produktqualität zu verbessern und sich im harten internationalen und nationalen Wettbewerb zu behaupten. Zweitens haben Unternehmen die konkreten Auswirkungen der Automatisierung und die damit verbundenen erheblichen Vorteile selbst erfahren. Drittens räumen Unternehmen Automatisierungsprojekten in ihren Infrastruktur- und Technologie-Modernisierungsprojekten Priorität ein und sind bereit, darin zu investieren. Angetrieben durch die rasante Entwicklung und breite Anwendung von Informations- und Steuerungstechnologien in den 1990er Jahren, entwickelte sich die Stahlindustrie schnell hin zu hoher Präzision, kontinuierlichem Betrieb, Automatisierung und hoher Effizienz. Dies führte zu folgenden Merkmalen in den Stahlproduktionsprozessen, -produkten und technischen Anlagen: 1. Neue Technologien und Prozesse mit kürzeren Prozesszeiten, geringeren Investitionen, niedrigerem Energieverbrauch, höherer Effizienz, größerer Anpassungsfähigkeit und geringerer Umweltbelastung wurden kontinuierlich angewendet; 2. Technologien zur Verbesserung der Maßgenauigkeit, der Oberflächenmorphologie und der inneren Qualität von Produkten wurden priorisiert; 3. Produktionstechnologie und -anlagen entwickelten sich hin zu großflächigem, modernem und kontinuierlichem Betrieb. Informations- und Steuerungstechnologien ermöglichten es, traditionelle manuelle Arbeitsgänge durch Detektions- und Ausführungsgeräte zu ersetzen, was zu einer rasanten Entwicklung von Methoden und Instrumenten zur Prozessparametererkennung führte. In der modernen Stahlproduktionssteuerung hat die Computertechnologie alle Bereiche durchdrungen und die traditionellen Funktionstrennungen elektrischer Instrumente aufgehoben. Simulationstechnologien finden in der Stahlindustrie zunehmend breite Anwendung, nicht nur für Schulungen im Bereich der Steuerungssysteme und die Forschung an neuen Prozessen und Steuerungsmethoden, sondern auch für die Simulation der Inbetriebnahme von Produktionsanlagen, die Produktionssteuerung und die aktive Teilnahme an der Produktion. Künstliche Intelligenz (KI) wird weit verbreitet eingesetzt, wobei Fuzzy-Control, Expertensysteme und neuronale Netze in verschiedenen Prozessen vielversprechende Ergebnisse und wirtschaftliche Vorteile erzielen. Visualisierungstechnologien und Überwachungssysteme schaffen die Voraussetzungen für unbemannte Fabriken: Ein umfassendes Netzwerk, das von Feldbussen über Werkstatt- und Fabriknetzwerke bis hin zu Unternehmensnetzwerken reicht, bildet die Informationsautobahn des Unternehmens. Laut relevanten Daten lag der Automatisierungsgrad großer und mittlerer Anlagen zum Ende des Siebten Fünfjahresplans bei rund 30 % der Gesamtproduktionskapazität, wobei die Prozessautomatisierung 13,3 % und die Basisautomatisierung 16,7 % ausmachte. Statistiken der drei Hauptprozesse Eisenerzeugung, Stahlerzeugung und Walzen zeigen, dass große und mittlere Hochöfen mit Basisautomatisierungseinrichtungen und anderen automatisierten Überwachungssystemen 41 % der gesamten Eisenerzeugungskapazität ausmachten. Große, mit Prozessrechnern ausgestattete Konverter trugen 16,3 % zur gesamten Stahlproduktionskapazität bei, während große und mittelgroße Konverter mit Basisautomatisierung 7,9 % der Gesamtkapazität ausmachten. Große Hauptwalzwerke mit Prozessautomatisierung erreichten 17 % der nationalen Fertigstahlwalzkapazität. Die genannten, mit Prozessrechnern ausgestatteten Produktionsanlagen entsprachen Anfang der 1970er und 1980er Jahre dem Stand technologisch fortgeschrittener Länder. Im Rahmen des Achten Fünfjahresplans wurden neu errichtete und erweiterte großtechnische metallurgische Anlagen in unterschiedlichem Umfang mit Prozessrechnersystemen ausgestattet, und der Automatisierungsgrad in allen wichtigen Prozessen verbesserte sich generell. So betrug beispielsweise in der Eisenerzeugung die Produktionskapazität großer, mit Prozessrechnern ausgestatteter Hochöfen 19 % der gesamten Eisenerzeugungskapazität; in der Stahlerzeugung erreichte der Anteil der prozessautomatisierten Stahlproduktionskapazität 37 % der Gesamtkapazität; auch der Anteil der Automatisierung beim Stranggießen stieg deutlich an; und der Anteil der Prozessautomatisierung an der nationalen Fertigstahlwalzkapazität erreichte 20 %. Eine Studie aus dem Jahr 2003 zeigte, dass die Basisautomatisierung in neuen und modernisierten Automatisierungsprojekten von Stahlunternehmen während des 15. Fünfjahresplans weit verbreitet war. Automatisierungssysteme für wichtige Produktionsprozesse genossen hohe Priorität bei der Unternehmensführung, begleitet von erhöhten Investitionen in Neubauten und technologische Modernisierungen. Dies umfasste die Kombination importierter Technologien und Anlagen mit Forschungskooperationen mit inländischen Forschungseinrichtungen, wodurch die Steuerungsmöglichkeiten der Produktion und der Automatisierungsgrad deutlich verbessert wurden. Das Manufacturing Execution System (MES) der dritten Stufe, eine in den letzten Jahren national und international entscheidende Technologie für Produktionsmanagement und -steuerung, wurde aufgrund seiner Schlüsselrolle von vielen Unternehmen übernommen. An einigen neu errichteten Produktionslinien arbeiteten Unternehmen aktiv mit in- und ausländischen Partnern zusammen, um Softwareplattformen zu entwickeln oder zu erwerben und so den Aufbau zu beschleunigen. Die schrittweise Inbetriebnahme dieser Systemstufe wird eine entscheidende Rolle für die Integration von Produktion und Vertrieb, die nahtlose Steuerung und Kontrolle sowie den reibungslosen Informationsfluss in Stahlunternehmen spielen. Neu errichtete Automatisierungssysteme orientierten sich an fortschrittlichen Technologien im In- und Ausland und strebten ein international führendes Niveau an. Im Folgenden analysieren und vergleichen wir den aktuellen Stand der Anwendung von Basisautomatisierung, Produktionsprozessautomatisierung und Werkstattmanagement- bzw. Manufacturing Execution Systems (MES) in den wichtigsten Produktionsprozessen von Stahlunternehmen (Stand: Juni 2003) sowie den Entwicklungsstand und den Automatisierungsgrad in diesen Unternehmen. 1. Die Basisautomatisierung ist in den wichtigsten Produktionsprozessen und -verfahren von Stahlunternehmen weit verbreitet, darunter Sintern, Eisen- und Stahlerzeugung, Stranggießen und Walzen. Die Basisautomatisierung (allgemein als Anlagensteuerung bezeichnet) ist die unterste und grundlegendste Ebene der Produktionsprozessautomatisierung. Sie besteht aus verschiedenen elektronischen, hydraulischen und pneumatischen Steuergeräten, die für die Messung und Überwachung verschiedener Produktionsprozessparameter und die Anlagensteuerung zuständig sind. In der Basisautomatisierung werden üblicherweise speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Prozessleitsysteme (PLS) und komplette industrielle Steuerungssysteme eingesetzt. Diese spielen eine entscheidende Rolle bei der Anlagensteuerung. Die aktuellen Anwendungsraten liegen in der Regel über 94 %. Je komplexer die Produktionsprozesssteuerung, desto höher ist der Grad der Basisautomatisierung; Hochofenanlagen erreichen sogar nahezu 100 %, während Stranggießen und Walzen 99 % erreichen. Die größten Stahlunternehmen meines Landes haben ca. 7226 SPS-Systeme, 1280 DCS-Systeme und 4791 Industriesteuerungsrechner im Einsatz (siehe Abbildung 1). 2. Verbesserte Automatisierung der Produktionsprozesssteuerung: Die Automatisierung von Produktionsprozessen bzw. Prozessleitsystemen ist ein entscheidender Faktor für die Verbesserung der Produktqualität und die optimierte Steuerung des Produktionsprozesses. Sie wird in der Regel durch ein Prozessleitsystem realisiert, das Technologien wie Produktionsprozesssteuerungssysteme, mathematische Modelle der Prozesssteuerung und künstliche Intelligenz (KI) einsetzt. In den letzten Jahren hat die Automatisierung der Produktionsprozesssteuerung deutliche Fortschritte gemacht und im Vergleich zum Siebten und Achten Fünfjahresplan einen erheblichen Anstieg verzeichnet (siehe Abbildung 2). Zahlreiche mathematische Modelle und KI-Technologien wie Fuzzy-Logik, Expertensysteme und neuronale Netze finden auf diesem Niveau breite Anwendung. Modelle zur Vorhersage von Hochofenbedingungen, zur Bestimmung der Erweichungszone, zur Simulation des Abstiegs der Ofenbeschickung und zur Einrichtung des Kaltwalzens sowie Expertensysteme für die Hochofenverhüttung, Fuzzy-Control-basierte Elektrodenhebesysteme für Lichtbogenöfen, neuronale Netze zur Vorhersage von Stranggießleckagen, Fuzzy-Control-Systeme für Glühöfen und intelligente Steuerungssysteme für die Stahlblechkühlung haben in verschiedenen Prozessen signifikante Ergebnisse und wirtschaftliche Vorteile erzielt. Derzeit wird die Entwicklung hin zu Hybridsystemen mit mehreren Technologien vorangetrieben. Die Einführung oder Modernisierung zahlreicher Kalt- und Warmwalzanlagen zur Herstellung hochwertiger Produkte sowie der zugehörigen automatisierten Steuerungssysteme hat den größten Anstieg des Automatisierungsgrades der Prozesssteuerung im Stahlwalzwerk bewirkt (siehe Abbildung 3). Die konfigurierten Prozesssteuerungssysteme im Automatisierungsbereich der Produktionssteuerung bestehen hauptsächlich aus Minicomputern (insgesamt 2108 Einheiten) und nutzen 1066 mathematische Modelle zur Steuerungsoptimierung sowie Softwaresysteme der künstlichen Intelligenz. Aufgrund der Einschränkungen bei der Entwicklung mathematischer Optimierungsmodelle und der verzögerten Integration importierter Modelle besteht im Bereich der Produktionsprozessautomatisierung noch erhebliches Entwicklungspotenzial. Während des 15. Fünfjahresplans und in den Folgejahren sollten Prozessleitsysteme in neu errichteten und modernisierten großen und mittelgroßen Anlagen installiert werden. 3. Die Fertigungsmanagementebene bzw. das Manufacturing Execution System (MES) rückt in den Fokus. Die Fertigungsmanagementebene bzw. das MES hat in den letzten Jahren in der Stahlindustrie große Beachtung gefunden. Einige Unternehmen haben fortschrittliche in- und ausländische Technologien eingeführt, um im Zuge des Baus oder der Modernisierung von Produktionslinien MES zu entwickeln. Diese Systeme werden ein bis zwei Jahre später in Betrieb genommen. Das MES besteht im Wesentlichen aus regionalen Managementsystemen, die zahlreiche Funktionen wie Online-Arbeitsplanung und Produktionssteuerung sowie Qualitätsverfolgung und -kontrolle übernehmen. Die Position und die wichtige Rolle dieser Systemebene in der Informationsarchitektur des Unternehmens sind unverzichtbar. Nur durch deren Realisierung können Steuerungssystem und Managementinformationssystem eine nahtlose Verbindung und Systemintegration erreichen. So lassen sich Produktionsdaten und -anweisungen reibungslos hochladen und versenden, wodurch eine Datenübertragung ohne Zwischenspeicherung ermöglicht wird. Um die Digitalisierung von Unternehmen voranzutreiben, sollten wir ihre Bedeutung weiter erkennen und ihre Entwicklung zukünftig fördern. Abbildung 4 zeigt, dass die Anwendung auf dieser Ebene noch in den Anfängen steckt und der Anwendungsstand gering ist. Vielerorts existieren in den Werkstätten oder Fabriken lediglich lokale Computernetzwerke und eine einfache Produktionsberichtsverarbeitung. Ein Großteil der Produktionsdaten wird manuell erfasst. Insgesamt werden 1.502 Computer in der Werkstattverwaltung oder in Manufacturing Execution Systems (MES) eingesetzt. 4. Aktueller Stand der Automatisierung wichtiger Produktionsprozesse Die folgenden Diagramme zeigen den aktuellen Stand und einen Vergleich der Automatisierung auf den einzelnen Ebenen der Produktionsprozesse. (1) Automatisierung des Sintersystems Die Automatisierung des Sintersystems umfasst die Dosierung, Erkennung, automatische Steuerung und Verwaltung verschiedener Komponenten wie Rohmateriallagerung, Chargenzubereitung, Mischen, Sintern und Kühlen. Wie aus der Grafik hervorgeht, beträgt die Gesamtfläche der Sinterwagen in den Sinteranlagen führender Stahlunternehmen mit einer Brammenfläche von 20 m² oder mehr ca. 15.637 m². Über 94 % dieser Wagen sind mit Basisautomatisierungssystemen ausgestattet, die Prozesssteuerung ist moderat automatisiert, und die Automatisierung von Werkstattmanagement- oder Fertigungssteuerungssystemen ist sehr gering. Tabelle 1: Anteil der Automatisierungsgrade in den Sinteranlagen führender Unternehmen und 12 großer Stahlunternehmen | Gesamtfläche der Wagen | Basisautomatisierungsgrad (L1) | Prozessautomatisierungsgrad (L2) | Werkstattmanagement- oder Fertigungssteuerungssystem (L3) | (m²) | Anteil der Wagenfläche | Anteil der Wagenfläche | Anteil der Wagenfläche | Führende Stahlunternehmen | 15.637 | 14.768 | 94,44 % | 6.933 | 44,33 % | 299 | 1,91 % | Darunter 12 große Stahlunternehmen | 9.410 | 8.765 | 93,15 % | 4.472 | 47,52 % | 0 | 0 (2) Automatisierung von Eisenerzeugungsanlagen Die Automatisierung von Eisenerzeugungsanlagen bezieht sich auf die automatisierten Steuerungssysteme in wichtigen Prozesskomponenten wie dem Hochofenkörper und dem Heißwindofen. Die Hauptfunktionen der Automatisierung in Eisenerzeugungsanlagen sind die Verbesserung des Betriebs, die Stabilisierung der Ofenbedingungen, die Verbesserung der Qualität, die Steigerung der Produktion, die Reduzierung des Energieverbrauchs und die Verlängerung der Ofenlebensdauer. In den Hochofenanlagen der wichtigsten Stahlunternehmen beträgt das Gesamtvolumen der Hochöfen mit einer Kapazität von 300 m³ oder mehr 159.228 Kubikmeter. Alle sind mit grundlegenden Automatisierungssystemen ausgestattet und erreichen einen Automatisierungsgrad von 100 %. Der Automatisierungsgrad der Prozesssteuerungssysteme liegt bei über 50 %, und einige Hochöfen sind mit fortschrittlichen nationalen und internationalen Hochofen-Schmelzexpertensystemen ausgestattet. Tabelle 2: Automatisierungsgrad auf den einzelnen Ebenen im Eisenherstellungssystem von Schlüsselunternehmen und 12 großen Stahlunternehmen Gesamtvolumen (m³) Basisautomatisierungsgrad (L1) Prozessautomatisierungsgrad (L2) Werkstattmanagement oder Manufacturing Execution System (L3) Volumenanteil Volumenanteil Volumenanteil Volumenanteil Volumenanteil Schlüsselunternehmen der Stahlindustrie 159.228 159.228 100,00 % 85.413 53,64 % 5.000 3,14 % davon 12 große Stahlprodukte: 88.960 (88.960), 100,00 %; 54.787 (61,59 %); 4.100 (4,16 %).