金屬冶煉中計(jì)算機(jī)云平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 璞

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

1 概 述

冶金行業(yè)作為傳統(tǒng)的制造業(yè)，發(fā)展先進(jìn)的工藝技術(shù)以及信息化技術(shù)成為各大鋼鐵集團(tuán)的核心競爭力。智能制造隨著國家戰(zhàn)略的規(guī)劃已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展的快車道，各種先進(jìn)的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)已在許多行業(yè)中得到了驗(yàn)證，而隨著冶金業(yè)信息化系統(tǒng)的前期構(gòu)建，如MES、ERP等，實(shí)現(xiàn)智能制造振興基礎(chǔ)制造業(yè)成為政府管理部門的重點(diǎn)工作[1-3]。

冶金控制系統(tǒng)是對冶金復(fù)雜工藝執(zhí)行的系統(tǒng)，系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際的合金配置參數(shù)、原料組合比例按照既定的工藝模型執(zhí)行流程控制，根據(jù)各階段的執(zhí)行結(jié)果動(dòng)態(tài)分析下一步的執(zhí)行任務(wù)，為用戶提供準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)的、可控的交互界面。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存在實(shí)時(shí)性差、交互數(shù)據(jù)量有限、處理能力弱等缺點(diǎn)，引入云計(jì)算技術(shù)有效的解決了存在的各種弊端。本文提出利用智能水滴算法解決在金屬冶煉過程中控制優(yōu)化的問題，基于云平臺(tái)的高性能計(jì)算能力，有效的提升了冶煉效率。

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中首先需要考慮冶煉工藝的模型構(gòu)建，即搭建一個(gè)產(chǎn)品BOM，通常一個(gè)產(chǎn)品有2個(gè)字母標(biāo)識(shí)，如圖1所示為產(chǎn)品及其分層裝配結(jié)構(gòu)或BOM的說明性示例，其中Pi表示部分i，Aj表示子過程j，產(chǎn)品BOM具有一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，其中部分為葉子，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)代表組合操作，原材料首先應(yīng)在第1階段進(jìn)行處理，當(dāng)所有原材料完善后，冶煉過程就可以開始了。最終的冶金差評可以具有簡單的組合工藝或者復(fù)雜的冶煉工藝，如圖1所示產(chǎn)品1的工藝結(jié)構(gòu)比產(chǎn)品2簡單，為了區(qū)分產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，應(yīng)引入以下定義。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成實(shí)例

定義1：每個(gè)產(chǎn)品(根)的組件級操作的工藝級別是1，并且走向葉子，工藝級別的值增加1個(gè)單位，在圖1中，產(chǎn)品1和2的工藝級別分別是2個(gè)和3個(gè)。

定義2：基于不同工藝的產(chǎn)品可以分為簡單和復(fù)雜的產(chǎn)品，一個(gè)簡單的產(chǎn)品—Gs在其生產(chǎn)的每個(gè)工藝流程上，只有一個(gè)控制操作，因此在圖1中，兩種產(chǎn)品都是復(fù)雜的產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及控制策略

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)嚴(yán)格遵循云平臺(tái)系統(tǒng)的體系架構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，如圖2所示，基于該體系架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)和制造信息的一體化集成，并對其進(jìn)行合理的、有效的組織、管理和展示，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場、控制和管理信息的無縫融合，為制造業(yè)提供能自主實(shí)現(xiàn)跨層、跨系統(tǒng)的縱向集成和跨應(yīng)用、跨組織的橫向集成的能力。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示在系統(tǒng)搭建過程中，需要按照各采集器的標(biāo)準(zhǔn)定制服務(wù)接口，通過總線技術(shù)實(shí)時(shí)采集各傳感器的運(yùn)行數(shù)據(jù)；各工藝模型處理在云平臺(tái)上執(zhí)行，同時(shí)包含生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備/材料基本數(shù)據(jù)的管理，綜合起來為實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)、過程處理數(shù)據(jù)以及業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)；交互層主要完成于第三方系統(tǒng)的集成，如MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)等，并接收管理決策數(shù)據(jù)[2-6]。

本文基于以上的體系架構(gòu)主要研究冶金過程中的控制模型的實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)過程中，控制模塊需要與可視化模塊、數(shù)據(jù)模塊以及計(jì)算模塊進(jìn)行交互，如圖3所示?？梢暬K主要完成控制流程的展示以及終端監(jiān)控信息的顯示；數(shù)據(jù)模塊主要管理靜態(tài)數(shù)據(jù)以及過程數(shù)據(jù)；計(jì)算模塊主要響應(yīng)控制模塊的控制指令，并且調(diào)用各控制模型按照既定的工藝模型執(zhí)行計(jì)算[7]。

控制模塊通過發(fā)送/接收信號(hào)來管理工作流程。在每個(gè)時(shí)間步驟中，控制模塊向計(jì)算模塊發(fā)送信號(hào)以計(jì)算一個(gè)時(shí)間步長；然后在接收到來自計(jì)算模塊的計(jì)算完成信號(hào)后，向可視化模塊發(fā)送信號(hào)以顯示結(jié)果。

圖3 系統(tǒng)模塊單元關(guān)系

2.2 優(yōu)化控制算法

本文采用智能水滴算法(Intelligent Water Drop，IWD)作為冶煉過程中的控制優(yōu)化算法，該算法已經(jīng)成功地應(yīng)用于解決許多優(yōu)化問題。

在河流流淌過程中，盡管會(huì)遇到各種障礙，但河流總能找到目的地。大多數(shù)時(shí)候，河流的路徑充滿了扭曲和方向的變化，這條路是由水滴和河床之間的行動(dòng)和反應(yīng)的共同形成的，當(dāng)水滴向目的地移動(dòng)時(shí)，他們以兩種方式影響環(huán)境：可以裝載土壤，也可以根據(jù)情況卸載。

智能水滴算法的實(shí)現(xiàn)是基于水滴的兩個(gè)主要特征，即每個(gè)水滴帶有一定量的土壤，可根據(jù)環(huán)境進(jìn)行裝卸。隨著水滴的土壤量的變化，從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置所需的時(shí)間與土壤的量成反比，當(dāng)水滴快速移動(dòng)時(shí)，可以加載更多的土壤，從而使河床變得更深。因此，這條河可以吸引更多的水；當(dāng)水滴進(jìn)入河流的較慢部分時(shí)，將卸下一些土壤量。

假設(shè)在IWD算法中環(huán)境中的水滴運(yùn)動(dòng)是離散的，環(huán)境包括節(jié)點(diǎn)(N)和邊(E)的網(wǎng)絡(luò)，他可以用G(N，E)的圖來表示，每個(gè)IWD可以沿著這些邊移動(dòng)，其中每個(gè)邊具有其初始土壤，IWD使用這些路徑中，土壤的數(shù)量將會(huì)發(fā)生變化，每個(gè)IWD從一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始沿著連接當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的邊移動(dòng)，這個(gè)過程一直持續(xù)到從源到目的地的一條完整路徑被建立起來。只要所有IWD的路徑完成，就執(zhí)行該算法的迭代。

在IWD算法中，定義了兩類參數(shù)：靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。在算法迭代期間，靜態(tài)參數(shù)保持不變，但是在每次迭代之后，動(dòng)態(tài)參數(shù)需要重新初始化。在冶金控制過程中應(yīng)用IWD算法，根據(jù)工藝流程定義圖G(N，E)，在整個(gè)算法執(zhí)行過程中，按照冶煉工藝執(zhí)行，即按照圖中的邊選取適當(dāng)路徑，對于每個(gè)IWD，定義記錄訪問節(jié)點(diǎn)，以防止重訪已經(jīng)訪問的節(jié)點(diǎn)。在算法中，每個(gè)IWD被嚴(yán)格地分配給圖的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，并沿著節(jié)點(diǎn)的邊緣移動(dòng)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在這個(gè)運(yùn)動(dòng)中，IWD的土壤，它的速度以及邊緣土壤的變化，該過程一直持續(xù)到獲得完整的路徑(工藝流程)。如圖4中描繪了5個(gè)流程，其中節(jié)點(diǎn)表示工藝中的一個(gè)步驟，那么水滴的完整路徑為2→3→5→4→1。

圖4 案例圖

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文基于虛擬化架構(gòu)的方式構(gòu)建仿真環(huán)境，采用Openstack開源架構(gòu)，在應(yīng)用層搭建控制程序，對智能水滴算法在冶金工藝的控制優(yōu)化進(jìn)行驗(yàn)證，通過與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制方式驗(yàn)證相同控制算法以及不同控制算法的執(zhí)行效果[8-9]。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境1：驗(yàn)證云平臺(tái)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制方式對于智能水滴算法的響應(yīng)周期。如圖5中可觀察出基于云平臺(tái)的控制過程主要優(yōu)勢在于控制算法的執(zhí)行階段，這是由于云平臺(tái)的分布式計(jì)算的優(yōu)勢能夠同時(shí)響應(yīng)多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行多模型并行分析執(zhí)行，而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制模式需要按照串行的方式執(zhí)行流程，因此在計(jì)算和分析階段基于云平臺(tái)的控制系統(tǒng)效率更高。

圖5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境1的結(jié)果

實(shí)驗(yàn)環(huán)境2：驗(yàn)證云平臺(tái)下采用智能水滴算法對工藝進(jìn)行優(yōu)化前后的控制效率對比。如圖6所示在相同的云平臺(tái)環(huán)境下，基于智能水滴算法的優(yōu)化控制策略在計(jì)算和分析階段相比傳統(tǒng)的控制策略有較大的性能提升，這是由于智能水滴算法充分考慮了高性能計(jì)算的體系架構(gòu)，在控制策略分配的時(shí)候能夠充分利用計(jì)算資源，同時(shí)解決了傳統(tǒng)控制策略實(shí)時(shí)性差的問題。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境2的結(jié)果

3 結(jié) 論

本文主要基于當(dāng)前智能制造的大背景，提出在冶金制造業(yè)中應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)結(jié)合智能水滴算法對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)以及智能水滴算法在冶金工藝流程優(yōu)化的運(yùn)用，同時(shí)結(jié)合虛擬技術(shù)搭建仿真平臺(tái)，與傳統(tǒng)的控制手段在控制效率上進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于云平臺(tái)的控制系統(tǒng)主要在工藝計(jì)算機(jī)分析方面有較大的優(yōu)勢。

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