王會(huì)波，于政軍，2

（1.深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518108；2.遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

軋鋼加熱爐過程控制系統(tǒng)與節(jié)能降耗

王會(huì)波1，于政軍1，2

（1.深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518108；2.遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

研究了國內(nèi)許多軋鋼廠加熱爐控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)二級不能正常使用的問題，針對這些問題，研制了一種軋鋼加熱爐過程控制系統(tǒng)，建立了一套新的完整的系統(tǒng)解決方案，并應(yīng)用在軋鋼加熱爐過程控制中，保證鋼坯加熱過程滿足加熱工藝的要求，同時(shí)又節(jié)省煤氣和降低了燒耗。該系統(tǒng)是通過建立透明的軋鋼加熱爐，支持加熱爐生產(chǎn)過程操作決策及過程自動(dòng)控制等措施來實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)在中板和厚板軋鋼加熱爐控制系統(tǒng)中得到了有效的應(yīng)用，即提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又節(jié)能降耗。

加熱爐；過程控制；節(jié)能降耗

加熱爐過程控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)二級系統(tǒng)，簡稱二級）是軋鋼生產(chǎn)過程脫離“粗放型”管理模式，實(shí)現(xiàn)“精細(xì)化”管理的必備手段，只有依靠科學(xué)有效的過程控制技術(shù)，才能從根本上解決操作人員“憑經(jīng)驗(yàn)燒鋼”所帶來的各種質(zhì)量和成本問題。深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司研發(fā)了“庫馬克軋鋼加熱爐過程優(yōu)化控制系統(tǒng)”，應(yīng)用到鋼鐵企業(yè)對軋鋼加熱爐進(jìn)行有效的過程控制，解決了這個(gè)問題，并應(yīng)用到某中板廠和厚板廠，對于該廠的精細(xì)化管理及節(jié)能降耗做出了貢獻(xiàn)，取得了良好的效果。

1　加熱爐過程控制系統(tǒng)的主要作用

1.1在實(shí)現(xiàn)工藝目標(biāo)中的作用

加熱爐過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證加熱爐的出爐鋼坯能夠滿足工藝目標(biāo)要求。鋼坯溫度滿足工藝目標(biāo)要求，主要分為兩類：一是“鋼坯目標(biāo)溫度和均勻度”；二是“鋼坯表面脫碳強(qiáng)度”。

對于第1類工藝目標(biāo)，可以通過監(jiān)控“鋼坯當(dāng)前溫度”、“鋼坯芯表溫差”和“鋼坯均溫時(shí)間”來實(shí)現(xiàn)。

對于第2類工藝目標(biāo)，由于難以在線（直接或間接）檢測，從控制的角度考慮，只能是最大限度地降低鋼坯脫碳機(jī)會(huì)，即盡量減少高溫鋼坯的在爐時(shí)間，尤其是高溫鋼坯置于“氧化氣氛”爐氣中的持續(xù)時(shí)間。

歸根結(jié)底，上述工藝目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均離不開計(jì)算機(jī)二級加熱爐過程控制系統(tǒng)的支持，使用加熱爐過程控制系統(tǒng)，可以有效地提升鋼坯加熱的“工藝目標(biāo)命中率”，從而間接影響成品材的“指標(biāo)命中率”，其經(jīng)濟(jì)效益在業(yè)內(nèi)已經(jīng)獲得共識，具體數(shù)量，取決于當(dāng)前生產(chǎn)管理水平。

1.2在降低加熱生產(chǎn)消耗中的作用

加熱爐過程控制系統(tǒng)的另一個(gè)重要作用是降低鋼坯加熱的生產(chǎn)消耗。降低生產(chǎn)消耗的前提條件是首先要保證鋼坯出爐溫度滿足工藝目標(biāo)約束。在加熱爐產(chǎn)能無法完全滿足軋鋼系統(tǒng)要求時(shí)，使用加熱爐過程控制系統(tǒng)的首要任務(wù)是保證產(chǎn)量需要，煤氣使用量并不一定會(huì)比沒有加熱爐過程優(yōu)化控制系統(tǒng)時(shí)減少。但如果加熱爐的產(chǎn)能滿足軋機(jī)最大產(chǎn)能需求，則減少鋼坯加熱過程中的“過燒時(shí)間”將能夠間接地大量減少鋼坯加熱所用的煤氣。至于“過燒時(shí)間”的減少量，則取決于現(xiàn)有的管理水平。

在沒有加熱爐過程控制系統(tǒng)的狀態(tài)下，操作人員無法準(zhǔn)確掌握鋼坯的溫度狀態(tài)，因此也無法真正知道鋼坯實(shí)際過燒時(shí)間。有了加熱爐過程優(yōu)化控制系統(tǒng)，操作人員則至少可以直接監(jiān)視鋼坯的溫度變化過程，這為減少鋼坯不必要的過燒時(shí)間創(chuàng)造了可能性。

顯而易見，加熱爐過程控制系統(tǒng)能夠有效地幫助用戶“最大限度地”通過減少“過燒時(shí)間”來降低鋼坯加熱過程中的煤氣用量。

降低生產(chǎn)消耗的最大空間在于減少鋼坯加熱過程中的“鋼坯燒損量”?？刂其撆鳠龘p的唯一手段是減少鋼坯在“氧化氣氛”爐氣中過燒，在沒有加熱爐過程控制系統(tǒng)情況下，僅憑操作人員的“經(jīng)驗(yàn)”和“責(zé)任心”，根本無法真正解決鋼坯過燒導(dǎo)致的鋼坯燒損過大問題。

對于每個(gè)用戶而言，加熱爐爐況存在差異，鋼坯燒損也各有不同。但正確地使用加熱爐過程控制系統(tǒng)，都能夠幫助用戶將現(xiàn)有加熱爐的鋼坯燒損降到最低。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和各種文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，加熱爐過程控制系統(tǒng)至少可以幫助用戶降低0.5%的燒損。對于一個(gè)年產(chǎn)量100萬t的加熱爐，減少0.1%的燒損量，1 a將可以為用戶降低數(shù)百萬元的生產(chǎn)消耗。

2　加熱爐過程控制實(shí)施中存在的問題與解決方案

在國內(nèi)，很多鋼廠的加熱爐過程控制系統(tǒng)在使用過程中，存在各式各樣的問題，甚至很多鋼廠的加熱爐就沒有過程控制系統(tǒng)。即使有些用戶建立了加熱爐過程控制系統(tǒng)，也只是運(yùn)行著部分功能。造成這種局面的原因是多方面的。針對加熱爐過程控制實(shí)現(xiàn)中存在的諸多問題進(jìn)行了分析，并提出了自己的解決方案。

2.1應(yīng)用中存在的問題

由于國內(nèi)加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）的設(shè)計(jì)方法主要源自于對“引進(jìn)系統(tǒng)”的消化和移植。由于發(fā)達(dá)國家的生產(chǎn)環(huán)境狀態(tài)明顯優(yōu)于我國的工業(yè)現(xiàn)狀，因此不可避免地存在一些“水土不服”的狀態(tài)。所謂“水土不服”，主要表現(xiàn)為加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）不能正常運(yùn)行，或正常運(yùn)行一段時(shí)間后就表現(xiàn)失常。

加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）使用不好的另一個(gè)客觀原因是我國鋼鐵企業(yè)長時(shí)間“粗放型”管理模式所致。由于鋼材市場一直很好，軋鋼生產(chǎn)過程的主要精力多放在增加產(chǎn)量方面，對鋼坯加熱質(zhì)量缺乏足夠的重視。甚至認(rèn)為人工操作已經(jīng)很好了，能夠滿足生產(chǎn)要求，加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）能工作更好，不能工作也無所謂，并不做深究，只是放棄使用罷了。

實(shí)際上，導(dǎo)致過程控制系統(tǒng)應(yīng)用效果不佳的主要原因是當(dāng)前過程控制系統(tǒng)（二級）設(shè)計(jì)中存在的缺陷或不足。當(dāng)前很多加熱爐過程控制系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)仍然堅(jiān)持著國外引進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，追求最大限度的全自動(dòng)過程控制系統(tǒng)。然而，受到國內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境的各種條件的制約，在很多情況下，快速實(shí)現(xiàn)加熱爐過程控制全自動(dòng)化不太現(xiàn)實(shí)，這就使過程控制系統(tǒng)（二級）的作用大打折扣，最終，由于預(yù)期差異，客戶和開發(fā)團(tuán)隊(duì)之間產(chǎn)生矛盾，形成相互推諉的不利局面。

形成加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）在應(yīng)用過程中存在問題的另一個(gè)原因是一、二級控制系統(tǒng)“開發(fā)節(jié)奏不同步”，基礎(chǔ)控制系統(tǒng)（一級）通常優(yōu)先投入使用，而加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）投入較晚，基礎(chǔ)控制系統(tǒng)中對加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）性能產(chǎn)生影響的問題（所謂“遺留問題”）不能充分暴露出來。當(dāng)基礎(chǔ)控制系統(tǒng)（一級）開發(fā)團(tuán)隊(duì)撤出現(xiàn)場后，加熱爐已投入生產(chǎn)運(yùn)行，為了不影響正常生產(chǎn)，用戶多選擇放棄“遺留問題”的解決，從而造成加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）“不正?！保荒堋皽惡现边\(yùn)行，這種現(xiàn)象也是影響加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）聲譽(yù)的一個(gè)重要原因。

2.2解決方案和實(shí)施措施

首先，在加熱爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上提出了“直面現(xiàn)實(shí)”、“分級體驗(yàn)”的設(shè)計(jì)理念。所謂“直面現(xiàn)實(shí)”，就是承認(rèn)我國當(dāng)前鋼鐵行業(yè)的現(xiàn)實(shí)狀況，不再追求“一步到位的高度自動(dòng)化”目標(biāo)，即在現(xiàn)有條件下，以“讓操作人員獲益最大化”為設(shè)計(jì)目標(biāo)，盡可能讓過程控制系統(tǒng)（二級）表現(xiàn)出其在精細(xì)化生產(chǎn)中不可替代的作用。而“分級體驗(yàn)”則是在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，強(qiáng)調(diào)多層次性能體現(xiàn)。

首先，為操作人員提供一個(gè)能幫助其生產(chǎn)決策的“透明加熱爐”，就是將操作人員在操作過程中需要的“有價(jià)值決策輔助信息”集中抽出，并合理地組織在同一操作畫面上，以便協(xié)助操作人員輕松地進(jìn)行“鋼坯裝爐”、“鋼坯出爐”、“爐溫調(diào)整”等決策操作，以此降低加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）使用的技術(shù)門檻，使操作人員在工作中很快獲益。

其次，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算、存儲和統(tǒng)計(jì)分析能力，為操作人員提供各種“追溯”、“預(yù)判”和“規(guī)劃”功能，幫助操作人員提升“決策效率”和“決策精準(zhǔn)度”。

最終，系統(tǒng)將為操作人員實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化提供一個(gè)可操作環(huán)境。當(dāng)操作人員對過程控制系統(tǒng)充分信任后，可以通過人機(jī)交互形式直接參與加熱爐的過程控制，直至最后實(shí)現(xiàn)令其滿意的加熱爐過程控制自動(dòng)化。

在實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)理念的同時(shí)，也針對前文提到的“遺留問題”確定了解決方案，并取得了預(yù)期的效果。

實(shí)際上，很多“遺留問題”之所以難以解決，不僅僅是開發(fā)團(tuán)隊(duì)不負(fù)責(zé)任，而是有些問題單靠基礎(chǔ)控制系統(tǒng)（一級）很難發(fā)現(xiàn)，需要做長時(shí)間數(shù)據(jù)收集、存儲、分析等工作。為此，我們提出了一個(gè)“一二級融合”的解決方案，即利用過程控制系統(tǒng)（二級的工程師站）找到問題，在不影響生產(chǎn)的前提下修改基礎(chǔ)控制系統(tǒng)（一級），消除“遺留問題”，從而將基礎(chǔ)控制系統(tǒng)（一級）和過程控制系統(tǒng)（二級）融為一個(gè)整體。

加熱爐過程控制系統(tǒng)（二級）是一個(gè)“生產(chǎn)過程精細(xì)化管理平臺”，主要作用是“讓操作人員睜開眼睛工作”，即在“全面感知現(xiàn)場環(huán)境”的狀態(tài)下進(jìn)行加熱爐生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理，從而獲得產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效益雙贏的局面。

3　加熱爐過程控制系統(tǒng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

庫馬克軋鋼加熱爐過程優(yōu)化控制系統(tǒng)，采取下列措施，確保軋鋼生產(chǎn)工藝的要求。

3.1建立“透明加熱爐”

3.1.1實(shí)時(shí)跟蹤和提示爐內(nèi)鋼坯的位置狀態(tài)

優(yōu)化控制系統(tǒng)為操作人員展示加熱爐內(nèi)鋼坯當(dāng)前所處的位置，從而實(shí)現(xiàn)鋼坯在爐內(nèi)的分布狀態(tài)“透明化”。

3.1.2實(shí)時(shí)跟蹤和提示爐內(nèi)鋼坯的加熱環(huán)境

優(yōu)化控制系統(tǒng)為操作人員展示加熱爐當(dāng)前的爐溫控制規(guī)則和實(shí)際爐溫狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)加熱爐內(nèi)鋼坯加熱環(huán)境“透明化”。圖1展示了一個(gè)雙排步進(jìn)式板坯加熱爐內(nèi)鋼坯加熱爐環(huán)境，如爐氣溫度狀態(tài)和相關(guān)設(shè)定信息等。

圖1　雙排步進(jìn)式加熱爐內(nèi)鋼坯位置狀態(tài)及鋼坯加熱爐環(huán)境提示畫面Fig.1　Double step type heating furnace billet and billet heating furnace environment prompt screen

3.1.3實(shí)時(shí)跟蹤和提示爐內(nèi)鋼坯的溫度狀態(tài)

優(yōu)化控制系統(tǒng)為操作人員展示加熱爐內(nèi)鋼坯的表面溫度和芯部溫度等，從而實(shí)現(xiàn)加熱爐內(nèi)鋼坯溫度（場）“透明化”。圖2展示了1個(gè)雙排步進(jìn)式板坯加熱爐內(nèi)所有鋼坯的（芯部）溫度狀態(tài)，以及選定鋼坯的目標(biāo)溫度和水印區(qū)溫度。

3.2支持加熱爐生產(chǎn)操作決策

3.2.1當(dāng)前加熱爐是否具備裝爐條件

優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)提示操作人員鋼坯是否能夠接收新的鋼坯入爐，入爐的可用空間是多少，從而協(xié)助操作人員進(jìn)行“鋼坯裝爐操作”決策。圖3展示了1個(gè)雙排步進(jìn)式板坯加熱爐有關(guān)鋼坯裝爐決策支持的提示信息。

圖2　雙排步進(jìn)式加熱爐內(nèi)鋼坯芯部溫度提示畫面Fig.2　Ddouble step type heating furnace temperature of billet core prompt screen

圖3　雙排步進(jìn)式加熱爐鋼坯裝爐決策支持信息提示畫面Fig.3　Double step billet heating furnace charging decision support information screen

3.2.2提示當(dāng)前加熱爐是否具備出鋼條件

優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)提示操作人員是否存在滿足工藝要求的待出爐鋼坯，如果不存在，還需要等待多長時(shí)間，從而協(xié)助操作人員進(jìn)行“鋼坯出爐操作”決策。為了提升操作人員決策的精確性，優(yōu)化控制系統(tǒng)還實(shí)時(shí)提示操作人員每個(gè)加熱爐最新出爐鋼坯的出爐溫度（計(jì)算值）、除磷后表面檢測溫度、開軋表面檢測溫度等。

3.2.3提示當(dāng)前加熱爐內(nèi)鋼坯的加熱狀態(tài)

優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)提示操作人員加熱爐內(nèi)有多少鋼坯已經(jīng)滿足工藝要求，如果沒有鋼坯滿足工藝要求，加熱爐段內(nèi)的鋼坯距離達(dá)到要求還有多長時(shí)間等，從而協(xié)助操作人員進(jìn)行“爐溫調(diào)整操作”決策。圖4展示了1個(gè)雙排步進(jìn)式板坯加熱爐有關(guān)鋼坯爐內(nèi)加熱狀態(tài)信息，用于提示操作人員從鋼坯加熱狀態(tài)角度判定是否需要調(diào)整爐溫。

圖4　雙排步進(jìn)式加熱爐鋼坯燒透數(shù)量提示畫面Fig.4　Double step type heating furnace billet has good burning number prompt screen

3.2.4提示當(dāng)前加熱爐的各爐段最佳參考溫度

優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)提示操作人員加熱爐當(dāng)前的最佳爐溫參考，以及實(shí)際爐溫偏差，從而進(jìn)行“爐溫調(diào)整量”決策。圖5展示了1個(gè)雙排步進(jìn)式板坯加熱爐各類爐溫設(shè)定信息，用于提示操作人員判定是否需要調(diào)整爐溫，以及爐溫調(diào)整量。

圖5　雙排步進(jìn)式加熱爐設(shè)定參考消息提示畫面Fig.5　Double step type heating furnace set message reference picture

4　實(shí)現(xiàn)鋼坯加熱過程自動(dòng)控制

4.1實(shí)時(shí)跟蹤鋼坯爐內(nèi)運(yùn)行速度

針對加熱爐的每個(gè)爐道，建立爐道內(nèi)鋼坯運(yùn)行軌跡跟蹤，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算鋼坯爐內(nèi)運(yùn)行速度，以此作為鋼坯溫度預(yù)測模型的邊界條件信息。

4.2實(shí)時(shí)判定鋼坯預(yù)期爐段溫度

針對爐段內(nèi)的每個(gè)鋼坯，依據(jù)鋼坯運(yùn)行速度和當(dāng)前加熱環(huán)境，在當(dāng)前鋼坯溫度的基礎(chǔ)上，計(jì)算鋼坯達(dá)到爐段出口時(shí)的離段溫度（鋼坯離開當(dāng)前所在路段時(shí)所達(dá)到的溫度），如果離段溫度不滿足工藝目標(biāo)要求，則根據(jù)離段溫度偏差（目標(biāo)離段溫度-計(jì)算離段溫度）試探調(diào)整“虛擬爐段溫度”，直至離段溫度偏差滿足要求。此時(shí)“虛擬爐段溫度”即為鋼坯預(yù)期爐溫。

4.3實(shí)時(shí)計(jì)算加熱爐各爐段最佳爐溫參考

根據(jù)每個(gè)爐段內(nèi)鋼坯的預(yù)期爐溫，參考“鋼坯鋼種加熱優(yōu)先級”（根據(jù)鋼坯特殊質(zhì)量要求而定）和“鋼坯位置優(yōu)先級”（根據(jù)鋼坯距離爐段出口的距離而定），確定爐段當(dāng)前的最佳爐溫參考；如果在基礎(chǔ)控制系統(tǒng)中存在爐溫控制回路，允許操作人員以交互方式干預(yù)最佳爐溫參考，形成當(dāng)前爐溫設(shè)定信息，并下發(fā)到基礎(chǔ)控制系統(tǒng)中，用于自動(dòng)爐溫調(diào)節(jié)。圖6展示了1個(gè)雙排步進(jìn)式板坯加熱爐計(jì)算最佳設(shè)定爐溫提示。

圖6　雙排步進(jìn)式加熱爐最佳計(jì)算參考爐溫提示畫面Fig.6　Double stepping furnace optimum calculation of reference temperature prompt screen

4.4實(shí)時(shí)計(jì)算加熱爐加熱煤氣最佳流量參考

如果在基礎(chǔ)控制系統(tǒng)中沒有“爐溫控制回路”，優(yōu)化控制系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前實(shí)際爐溫、最佳爐溫參考，以及爐段內(nèi)鋼坯溫度和數(shù)量等，計(jì)算“最佳煤氣流量參考”。

允許操作人員以交互方式干預(yù)“最佳煤氣流量參考”，形成當(dāng)前煤氣流量控制回路的設(shè)定信息，并下發(fā)到基礎(chǔ)控制系統(tǒng)中，用于自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁浚云谶_(dá)到自動(dòng)控制加熱爐溫度的目的。

由于本系統(tǒng)所有信息都存入數(shù)據(jù)庫，所以本系統(tǒng)支持操作人員針對爐內(nèi)任意鋼坯加熱過程查詢，支持生產(chǎn)管理人員對任意鋼坯的加熱過程追溯。

5　結(jié)論

深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司與遼寧科技大學(xué)合作建立了“遼寧科技大學(xué)——深圳庫馬克電氣節(jié)能與工業(yè)控制研發(fā)中心”，成立了“鋼坯加熱過程控制和厚板加速冷卻過程控制項(xiàng)目組”，依托行業(yè)資深專家團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過多年研發(fā)實(shí)證，“庫馬克軋鋼加熱爐過程優(yōu)化控制系統(tǒng)”應(yīng)用到軋鋼企業(yè)，已經(jīng)取得了良好的效果，為中國鋼鐵行業(yè)的振興做出了貢獻(xiàn)。

本系統(tǒng)應(yīng)用在某厚板和中板軋鋼加熱爐過程的優(yōu)化控制上，不僅為該廠精細(xì)化管理、提高產(chǎn)品質(zhì)量做出了貢獻(xiàn)，確保所有鋼坯的出鋼溫度滿足軋制溫度要求，最大限度地降低鋼坯加熱過程中的碳流失，也為該廠節(jié)省鋼坯加熱煤氣用量和減少鋼坯氧化燒損量下降做出了貢獻(xiàn)。

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Process Control System and Energy Saving of Steel Rolling Reheating Furnace

WANG Huibo1，YU Zhengjun1，2
（1.Shenzhen Cumark New Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518108，Guangdong，China；
2.College of Electronic and Information Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，Liaoning，China）

Studied the problems that many domestic steel rolling mill heating furnace control system computer second grade can not normal use，aiming at these problems，developed the control system of a heating furnace of steel rolling process，established a new set of complete system solutions，and applied to heating furnace of steel rolling over in the process control，ensured that the billet heating process meet the heating process，and saving gas and reducing the burn.The system was realized by the establishment of a transparent steel rolling heating furnace，which supported the decision of the heating furnace operation and automatic control of the process.The system has been applied in the control system of medium plate and heavy plate steel rolling heating furnace，that is to improve the quality of the products and to save energy and reduce consumption.

heating furnace；process control；saving energy and reducing consumption

TP273

A

2015-09-11

修改稿日期：2016-04-07

王會(huì)波（1958-），男，碩士，教授，Email：huibo.wang@cumark.com.cn