劉 挺

(西安外事學(xué)院，陜西 西安 710077)

隨著科技時代的進(jìn)步，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)達(dá)，在自動化領(lǐng)域中總線Ethernet增長的速度非常迅速，在電弧爐和精煉爐控制系統(tǒng)中，使用了成本較低的工業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其中應(yīng)用了TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信和現(xiàn)場總線技術(shù)[1]。這樣，在煉鋼過程中，實現(xiàn)了多機(jī)控制，不僅使綜合自動化的水平得到了提高，而且可以滿足生產(chǎn)的需求量。

1 控制系統(tǒng)的組成

某公司電爐分廠設(shè)計了這套控制設(shè)備，不但可以用40 t電弧爐，而且精煉爐Sot也可以使用，代替了之前從美國引進(jìn)的IAF控制設(shè)備。

該系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計了設(shè)備層、控制層、信息管理層邏輯控制和電機(jī)調(diào)節(jié)都是爐前的控制設(shè)備，都是歸于設(shè)備層的。雙CPU工控機(jī)被用在電極調(diào)節(jié)中，實現(xiàn)了對工控機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。邏輯控制為了保證設(shè)備的可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性，在采用西門子公司S7-300的同時，還設(shè)計了PLC(S7-300-CPU318)備用的電極調(diào)節(jié)器，保證了在工控機(jī)發(fā)生故障時，依舊可以正常生產(chǎn)?？刂乒芾韺涌梢蕴岣吖に嚽€，可以預(yù)估精煉爐的鋼水溫度，可以使得不同服務(wù)器間的信息互通，還可以優(yōu)化位于設(shè)備層的監(jiān)控系統(tǒng)的管理，并且當(dāng)出現(xiàn)異常信息時能監(jiān)測到并報警。信息管理層能夠讓辦公和生產(chǎn)達(dá)到自動化生產(chǎn)，還能夠把電弧爐和精煉爐的各個工作站間的數(shù)據(jù)、信息相聯(lián)通起來，并能實現(xiàn)工藝的優(yōu)化和管理的數(shù)據(jù)化，這些都需要在生產(chǎn)的過程當(dāng)中通過使用局域網(wǎng)把管理信息和控制系統(tǒng)做以結(jié)合才能達(dá)到。

2 網(wǎng)絡(luò)通信的TCP/IP編程

信號采集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和輸出是系統(tǒng)程序設(shè)計的主要功能[2]。Win sock的網(wǎng)絡(luò)通信中有很多操作為阻撓性質(zhì)，為使主控程序正常的執(zhí)行，多線程是一個好的方案。為避免由網(wǎng)絡(luò)阻塞操作使得主控程序的進(jìn)行受影響的問題，可以把網(wǎng)絡(luò)程序拿出來放到另外一個單獨的線程中[3-4]。網(wǎng)絡(luò)通信、有功功率、主控程序和功率因數(shù)運算以及弧留弧壓采集都包含在系統(tǒng)程序當(dāng)中。有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信程序的闡述如下：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)通信程序可分為兩方面，一方面的功能是做出連接到服務(wù)器的申請，還可以發(fā)送計算的請求并且能夠?qū)Ψ?wù)器返回的結(jié)果做出處置，這個應(yīng)用程序是有關(guān)客戶端方面的；而另一方面的主要作用是把客戶端關(guān)于信息、連接和計算的要求接收到，并對其做出相應(yīng)的回復(fù)，這個應(yīng)用程序是有關(guān)服務(wù)器方面的。其數(shù)據(jù)傳遞模型如圖2所示。在此系統(tǒng)中，在主控程序和WinCC組態(tài)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因為如果他們直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)DDE交換，通信寬帶受限制，數(shù)據(jù)交換模型因需求而誕生；在客戶端，網(wǎng)絡(luò)通信程序作為一個子線程，可獨自完成內(nèi)存數(shù)據(jù)之間的交換；在服務(wù)器端口，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)程序的服務(wù)器，可以由本機(jī)的DDE來實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交換。這樣在增加寬帶的同時，還完成數(shù)據(jù)交換的目的。有關(guān)于客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信程序的主要工作是：定期地把電量表上和I/O板卡上的電參量采集好發(fā)送至服務(wù)器，并對采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)等做出計算，這可以把分析和顯示的數(shù)據(jù)提供給服務(wù)器。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信模型

客戶端程序是要在主控程序啟動之后才會啟動的，它是一個屬于主控程序的子程序，與主線程在同一個內(nèi)存單元當(dāng)中。由于子線程并不進(jìn)行數(shù)據(jù)的更改，所以只是共享內(nèi)存，所以，在多線程程序中，不會使信號量受到影響，更不會造成訪問沖突?？蛻舳耸菦]有服務(wù)器的，所以沒法預(yù)知它的開機(jī)時間，故而，客戶端的連接功能是多次的，當(dāng)客戶端發(fā)生連接失敗信號時，這條線程會在睡眠了1 min后重新啟動，直到成功連接上。

在數(shù)據(jù)發(fā)送時，必須檢查此通信的Socket的狀態(tài)，還有其所對應(yīng)的鏈路暢通與否，需要的數(shù)據(jù)完整與否，當(dāng)上文描述的情況中任何一種發(fā)生，都要馬上中斷信號的發(fā)送，要等各項準(zhǔn)備工作都做好之后，再重新對服務(wù)器進(jìn)行連接。

服務(wù)器端就是要把從客戶端發(fā)送過來的連接請求和數(shù)據(jù)接收到，再通過一個DDE接口把這些信息轉(zhuǎn)送給WinCC,在同一時間內(nèi)，把收到的信息指令再傳回客戶端。這就是服務(wù)器端的主要作用。因此采用了快速并可視化的Visual Basic的開發(fā)工具來設(shè)計這個程序。

3 采用電弧爐法來控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法

電弧爐控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)估模型是一種采用三層BP 網(wǎng)絡(luò)來做實施的，從而達(dá)到控制電弧爐的三相電極的不同狀態(tài)。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和電弧爐在接收到以N，N-1，N-2這三個時刻的調(diào)節(jié)器的輸出量和該時刻的參量為指導(dǎo)信號的輸入信號的時候，就會對模型的權(quán)值做出修正，這是根據(jù)實際值和預(yù)估值這兩者的差值來修正的，一直到初始態(tài)的關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)估模型建立起來為止。但是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在好多狀態(tài)下并不穩(wěn)定，所以當(dāng)電流過大就會造成短路，這時候系統(tǒng)就能自動地轉(zhuǎn)換到基本控制的模式中，當(dāng)狀態(tài)恢復(fù)時，就會自動切換到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制模式中。

在圖3當(dāng)中，這個預(yù)估模型是在線投入前邊就建立起來的，然后一直在做以調(diào)整，直到讓兩者達(dá)到的相似度很高。應(yīng)用一個預(yù)估程序并且是特定的，再用到這個預(yù)估的結(jié)果來對專家系統(tǒng)得到的輸出結(jié)果做優(yōu)化和補償，做到控制的及時有效性，然后才能取得一個和預(yù)期結(jié)果比較近似的效果。

因為電弧爐的運行條件如補償材料、線電壓、系統(tǒng)阻抗的改變等經(jīng)常會發(fā)生變化，所以系統(tǒng)采用了改進(jìn)的DBD算法，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)算法。

BP算法是當(dāng)前最流行的算法，基本公式為

(1)

式中：η為步長參數(shù)(學(xué)習(xí)速率)。因為BP只采用局部梯度信息，所以η的參數(shù)就不能太大，這樣就可以避免跳到權(quán)值空間不希望的區(qū)域。這樣就使搜索的速率降低。為了改變搜索速度，便捷的方法是加入沖量，式(1)更新為

(2)

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電爐控制結(jié)構(gòu)圖

式中：μ為沖量因子，用于阻尼局部振蕩。該算法可提高搜索效率，電弧爐對其進(jìn)行實時控制，其搜索速度仍不能到達(dá)期望值，改進(jìn)后的DBD算法應(yīng)用啟發(fā)式，其主要出發(fā)點為：在網(wǎng)絡(luò)中，權(quán)值方向不同，其斜率可能會產(chǎn)生較大差異，BP算法針對所有權(quán)值使用學(xué)習(xí)速率統(tǒng)一，故，該方向的斜率與各步的長度成一定比例，這的算法可能引起在平坦斜率方向較慢地下降，但可在斜率最大方向跳過其極小值。針對該問題，提出新的DBD算法如下：

(1)在搜索空間中，每一維有各自的學(xué)習(xí)速率，速率η表示非常數(shù)， |δ(k)|表示指數(shù)衰減函數(shù)，指的是在平坦區(qū)域和比較陡峭區(qū)域的比值，η可相對快一點增加。

(2)連續(xù)的多次迭代中，如果誤差梯度符號不變，表示極小點還處于前面，其學(xué)習(xí)的效率可以再提高一些。

(3)連續(xù)的多次迭代中，如果誤差梯度符號改變，表示極小點已經(jīng)被跳過了，其學(xué)習(xí)的效率下降。

(4)該算法中，可以改變其沖突項。

(5)算法當(dāng)中恢復(fù)功能和記憶功能是新增加的，該系統(tǒng)可對當(dāng)前獲取的最佳值記憶，利用一個容許參數(shù)λ對其進(jìn)行控制恢復(fù)。當(dāng)所獲取的最佳值的誤差不小于λ倍的時候，可利用最佳的點進(jìn)行再次搜索。該系統(tǒng)在運行實施中，可自行進(jìn)行調(diào)節(jié)，每經(jīng)過20 s可更新一次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，以適應(yīng)電弧爐設(shè)備因各種因素而引發(fā)的其特性變化，程序編制采用VISUALC+ +6.0。

4 應(yīng) 用

在系統(tǒng)成功安裝前，冷調(diào)環(huán)節(jié)之后，便可使用，工業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的工作運行相對穩(wěn)定。神經(jīng)網(wǎng)路經(jīng)過學(xué)習(xí)以后，效率顯著提高，電耗明顯降低，針對不同配比的爐料，點弧更精確，相對98<系統(tǒng)其運行效率明顯提高了，具體性能參數(shù)比如表1所示。

表1 某公司40 t電弧爐使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)前后的產(chǎn)量及能耗對比

經(jīng)過實踐成功檢驗，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估補償?shù)目刂品椒ㄊ羌瓤尚杏职踩?，神?jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)的速度及控制方法是否合理決定了其性能的優(yōu)劣。

5 結(jié) 論

成功安裝系統(tǒng)后，進(jìn)行冷調(diào)，即可進(jìn)行使用。神經(jīng)網(wǎng)路經(jīng)過學(xué)習(xí)以后，爐子提高了其控制性能，電弧精準(zhǔn)且更穩(wěn)定，較于IAF系統(tǒng)效率得到顯著提高。通過一年時間的運行測試，該套系統(tǒng)的可靠性相對更穩(wěn)定，調(diào)節(jié)性能更優(yōu)越，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，可廣泛推廣和應(yīng)用。