--记某大型现代焦炉的烘炉自动监测系统的研制
何永保 刘其真
一九九七年四月，复旦大学（乙方）与国家自然科学基金委员会下属 “中国方德技术开发公司”（甲方）签定了一项为某集团公司 “焦炉烘炉自动检测温度系统开发与应用” 的合同，乙方的工作由计算机科学系自动化教研室承担。这个项目具有监测目标规模大、工作运行周期长的特点，因而其技术难度比较较大，投入的研制人员和花费的精力也比较多。参加该项目的同志们团结奋斗，配合默契，不计个人名利，同心同德，顽强拼搏，克服重重困难，圆满完成了这一大型工业自动监测项目。正是：众人同心，其利断金。
一、难啃的硬骨头
一座大型现代化焦炉建成后，必须经过漫长的烘炉过程后，在炉子的各部位状态均达到预定要求后，方可投入炼焦过程。而这个烘炉过程需要对新炉的各部位按照不同的温度-时间曲线科学地加热，从而使炉体各部分的膨胀协调进行，否则将会造成炉体的开裂而酿成严重后果。一旦任何测点的温度超界，则必须立刻发出声光报警信息，提醒操控人员进行相应的温度调节（为确保万无一失，该系统未采用闭环的自动温度调节方案）。整个烘炉过程时间约长达 80 天，整个监测系统在这过程中必须连续可靠地运行，不得中断，所采集的数据不得丢失。
每座焦炉有 301 个温度监测传感器（热电偶）三维分布于大型炉体的不同部位，而炉体的大小如同一座五层楼房，监控机房与各焦炉之间有一定距离，主机与最远的热电偶之间的布线长度约 1000 米。温度的检测范围在 0—80℃，测量误差必须控制在≤0.8%.
该系统要求通过实时检测和计算，产生几十张表格和十几张彩色图形，实现其强大的检测功能，其中最大的表格有 75×42 个数据项。
本系统要求既要有友好美观的前台工作界面，又要有多个后台任务在连续工作；既有用户选择性输入输出，又要有系统循环动态显示监视内容。
不难看出，这是 “一块难啃的硬骨头”。实际上甲方也是经过与几家研究单位洽谈而未果的情况下，经过一番调研才找到我们的。为了中国的钢铁事业打翻身仗，自动化教研室的老师们发扬复旦人不怕困难的拼搏精神，满怀信心地接下了这个任务。
二、众人同心，其利断金
自动化教研室为了完成这项艰巨的研制任务，组成了由教研室主任何永保教授亲自任组长的课题组，成员有刘其真、江杰、王小芳、王宗彩、孙慰迟、金锦良等老师和孙煦峰、张向东、王玮、姚键等研究生，以及王磊、方鸣、周宗恒等多位高年级本科大学生，这是一个团结而又有较强科研攻关能力的团队。复旦大学科研处也非常重视这个项目，对该项目给予了很多关心和有力的支持。
为了尽快熟悉繁杂的烘炉工艺流程，请来方德技术开发公司的马秉瑞、刘瑞凤等高级工程师介绍现代大型焦炉的烘炉工艺流程和要求，课题组的同志们虚心学、认真听、仔细记，并进行热烈讨论，经过三、四次的介绍和学习讨论之后，课题组有关老师居然已能熟练掌握有关工艺流程的具体要求，并结合计算机监测的特点提出某些优化方案，这使方德技术开发公司的工程师们赞叹不已。
在系统设计阶段，课题组着力解决系统设计中技术难度比较大的问题。由于该项目计算机的工作任务繁多，其中有的任务在前台，有的任务在后台，它们的工作次序时而串行，时而并行，各任务之间频繁地交叉进行着各类信息和数据的交换，而且各任务并不一定工作在同一个软件环境中，例如有的任务工作在 DOS 环境下，有的则工作在 Windows NT 环境下，涉及的编程工具有 Visual C++,Visual BASIC, MS Excel 等。在研制中，课题组教师与有关研究生和本科生经过多次讨论制定实施方案，设定各任务的具体工作内容及其前后台属性，并且巧妙地设计好各任务之间的协调配合问题，例如通过磁盘文件的形式实现各任务之间的数据流及控制信息的传递。
我们在该项目软件系统研制过程中，发现当时所采用的 Windows NT 操作系统有一个缺陷，就是当某个任务长时间持续运行时，会导致所占用存储空间的逐渐膨胀，这将引起内存自由空间的逐渐减少，进而导致有关进程出现阻塞现象。为此，该系统软件设计中采取了注意释放内存的办法，从而有效避免了工作进程的阻塞问题。
另外，为了确保该监测系统能够在近 80 天的时间里稳定连续地工作，采用了双机热备份工作机制，即一台计算机工作，另一台计算机处于热机备份状态，并记录所有测量数据。若正在工作的计算机出现问题，则备份计算机立即投入实时监测，系统实现自动无缝切换。
根据该系统的特点，总体设计中决定对炉体的温度检测采用现场总线技术，并委托上海华明智能仪器公司虞明等工程师与本课题组联合研制开发出的一种适用于本项目的远程现场智能模块。该系统共使用了 66 个远程现场智能模块，其内部采用单片机，其主要功能是信号放大、A/D 转换、数字滤波、非线性校正、参数设置以及数据传输等。本系统主机与远程现场模块之间的通讯协议采用了 OSI(开放系统互连) 模型中的物理层、数据链路层的通讯协议以及其它层的部分协议功能。
该项目中的部分远程现场模块必须妥善安置到焦炉下方才行，而焦炉的下方温度较高，煤气管道密布，煤气的泄漏情况虽然符合安全规定，但仍然气味较浓，教师们从爱护学生出发，不安排学生去焦炉下方工作。何永保教授身先士卒，带领教师们与甲方人员以及华明公司的同志们一起，钻到炉子下方认真安装和布线。该项目中所使用的 301 个热电偶必须放置到焦炉的不同部位，其中有些热电偶需要放置到焦炉的顶部。教师们不辞辛劳，与甲方的施工同志一起，攀爬到十几米高的焦炉顶部进行安装。大家不怕脏不怕累，团结一致，顺利完成硬件系统的安装任务。在实施烘炉检测过程中，凡是需要到炉体有关部位实地检查时，大家也都是争先恐后地去检查。
三、发扬不怕苦不怕累的持久战斗精神
对一座新建焦炉进行的烘炉过程，不允许出现任何的失误，所以该监测系统的硬、软件一旦投入运行，则在 80 天的烘炉周期内必须连续可靠地工作，不得中断进行较大的修改，所以对系统硬件和软件的设计必须事前考虑得十分周到。虽然我们通过系统模拟试运行进行了检验和完善，但也很难做到尽善尽美，在运行中出现小的问题是难免的。所以合同要求我们乙方，在烘炉过程中必须有专人参与烘炉监控机房的值守，一旦出现问题，应当迅速解决。
为此，在每个新建焦炉的烘炉过程中，我们都必须有人在监控机房日以继夜、夜以继日地值班，这是一个十分繁重的工作。虽然老师们在学校里还有教学工作，但也都能克服家里的困难，争取尽量多安排值班。当时也在社会上临时招聘了有计算机基础的技术人员，先对他们及甲方人员技术培训，然后安排他们值班。另外，也安排课题组的几位高年级本科学生作为勤工助学值班，这样既能使他们在实际应用中亲自检验参与设计的有关软件模块，也使他们在生产实践中得到磨炼。当然，几位研究生特别辛苦。他们都是软件开发与维护的高手，所以现场值班也安排得比较多。众所周知，值夜班是非常辛苦的，但是大家都是积极参与。在老师们不怕苦、不怕累精神的带动下，几位研究生和高年级的本科生们表现出了极强的吃苦耐劳精神。
记得有一个周末的下半夜，烘炉现场发现软件系统出现了一个小问题，虽然不影响整个监测系统的工作，但对检测数据的输出有一定影响，必须尽快排除问题。刘其真老师在睡梦中接到电话后，立刻明白是哪个模块出的问题，于是从家里骑自行车到复旦学生宿舍，叫醒了两位开发该模块的同学（那个年代还没有手机），心急火燎地乘出租车到了该集团公司所在地。这时已是清晨，可是该集团公司的门卫限于安全规定，不允许出租车开进厂区，而这个时段厂内的交通车尚未开行，于是师生们只得步行进厂。该厂区非常大，而新建焦炉的位置离大门很远，大概有几公里，我们平时都是乘厂内交通车进出，对行走路线并不熟悉，偌大的厂区，大清早又见不到行人问路，因此凭着感觉向长江边快奔，当然，很难避免地走了不少冤枉路，大约走了一个半小时，才终于到达目的地，大家都累出一身大汗。到机房解决了程序中的问题后，已近上午 9 点钟，这时大家才意识到没吃早饭，而厂区食堂的早饭时间已过，只好等待 11 点钟的午饭时间了。虽然有点饿，但是大家都为顺利解决了问题而感到高兴。
四、结束语
俗话说：“众人齐心，其利断金”。整个课题组的同志们团结一致，群策群力，发扬顽强拼搏的精神，不怕苦不怕累，在大家的共同努力下，项目圆满完成。所研制开发的大型现代焦炉的烘炉自动监测系统已在某大型钢铁企业得到了成功的应用，先后对三个新建成的大型现代化炼焦炉进行了成功的烘炉。在每个烘炉过程 80 天左右的时间里，都能连续可靠地运行，其设计思想对远距离多测点多传感器工业实时监控系统具有积极的借鉴意义。该项目为我国的钢铁事业作出了应有的贡献。
课题组有关研究生和本科生根据自己参加该项目的设计体验，先后完成了多篇研究生毕业论文和本科生毕业论文；有关教师也根据该项目的关键技术背景，先后发表了多篇研究论文，其中由刘其真、孙煦峰、王宗彩、何永保等撰写的论文 “一个大型实时数据自动检测系统图形界面的设计” ，发表于 1999 年第 7 期（总第 35 卷）《计算机工程与应用》期刊；由刘其真、王小芳、何永保等撰写的论文 “一个使用多传感器现场总线技术的监控系统”，发表于 2002 年第 11 期（总第 29 卷）《计算机科学》期刊。
参加本项目研制工作的主要有以下同志：
复旦大学：何永保、刘其真、江杰、王小芳、王宗彩、孙慰迟、金锦良、孙煦峰、张向东、王玮、姚键、王磊、方鸣、周宗恒等；
方德技术开发公司：马秉瑞、刘瑞凤等；
上海华明智能仪器公司：虞明等。
课题组部分成员与甲方部分同志在烘炉监控室合影
（左起：孙煦峰、刘其真、何永保、马秉瑞、刘瑞凤）
何永保简介
何永保，1958 年毕业于复旦大学物理系，留校从事微波技术、无线电物理、量子电子学、自动控制等领域的教学与科学研究。1975 年负责筹建计算机科学系，担任过两届系主任。
何永保教授历任复旦大学计算机科学系主任、国家教委遥感技术规划组成员、中国图像图形学会常务理事、上海图像图形学会副理事长、中国神经网络联合委员会委员、《计算机学报》编委、1983 年中国计算机学会第一届模式识别学术会议主席、1984 年国际计算机会议程序委员会委员、1992 年国际神经网络联合学术会议程序委员会委员和 “混合系统及应用” 分组主席、国家自然科学基金会信息科学部自动化学科评审组成员、国家攀登计划项目专家组成员等。
在计算机科学系从事模式识别、智能控制、计算智能、人工智能等方面的研究。1980 年负责国家科委项目 “光学/计算机混合型图象处理方法研究”，获得 1987 年度国家教委科技进步二等奖。1988 年起负责由复旦大学数学、物理、生物、电子工程、计算机科学等系研究人员组成的跨学科的神经网络研究组，先后开展了 “运动目标识别方法研究”、“神经网络智能应用研究”、“基于知识的多传感器信息融合与理解技术”、 “高炉炼铁过程智能化故障检测和诊断系统”、 “神经网络知识处理与性能评价”、“模糊控制和神经控制方法研究” 等项目的研究。其中国家 863 计划 “高炉炼铁过程智能化故障检测和诊断系统” 项目获得 1995 年度上海市科技进步三等奖，宝钢重点项目 “高炉人工智能专家系统”，获 1998 年上海市科技进步三等奖。1992-1997 年担任国家攀登计划项目专家组成员，参加负责的 “神经网络理论及智能信息处理应用基础” 项目，获 1998 年国家教育部科技进步一等奖。
