基于神經(jīng)網(wǎng)絡的工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)研究

石紅姣，李 寅

(商洛學院，陜西 商洛 726000)

作為主要煉鋼方法，電弧爐煉鋼法一直深受歡迎。近幾年，電弧爐煉鋼設(shè)備實現(xiàn)了在廢鋼預熱、余熱回收、超高功率供電、供能強化、加料自動化等設(shè)備研發(fā)應用層面的逐漸優(yōu)化與改進，且在重點控制的取樣測溫、智能控制、成本控制等層面實現(xiàn)了迅速發(fā)展，促進了電弧爐煉鋼技術(shù)與工藝的全面進步[1]。據(jù)此，本文以電弧爐自動化控制與節(jié)能視角著手，基于神經(jīng)網(wǎng)絡設(shè)計了電弧爐控制系統(tǒng)。

1 工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)設(shè)計

以某工業(yè)企業(yè)的電弧爐控制設(shè)備為基礎(chǔ)，進行控制系統(tǒng)設(shè)計。此電弧爐控制設(shè)備可同時使用40 t電弧爐與精煉爐。工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)整體架構(gòu)[2]具體如圖1所示。

工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)涵蓋了設(shè)備層、控制層、信息管理層，作為爐前控制設(shè)備的邏輯控制與電極調(diào)節(jié)均從屬于設(shè)備層。其中雙CPU工控機主要應用于電極調(diào)節(jié)，以此對工控機進行神經(jīng)網(wǎng)絡控制。而邏輯控制為確保設(shè)備可靠與生產(chǎn)連續(xù)，在引進西門子S7-300時，同步設(shè)計了PLC備用電極調(diào)節(jié)器，從而可保障在工控機故障時，依然能夠正常有序生產(chǎn)。控制管理層主要負責優(yōu)化工藝曲線，以預測精煉爐鋼水實時溫度，促使不同服務器之間實現(xiàn)信息交互，還可進一步實現(xiàn)設(shè)備層監(jiān)控系統(tǒng)的管控優(yōu)化，且能夠及時監(jiān)測到異常信息，并發(fā)出告警提示。此外，信息管理層可推進辦公與生產(chǎn)實現(xiàn)全面自動化，還可有機聯(lián)通電弧爐與精煉爐各工作站之間的數(shù)據(jù)信息，同時還可實現(xiàn)工藝優(yōu)化改進與管理數(shù)據(jù)化發(fā)展，這些均需在整個生產(chǎn)過程中，基于局域網(wǎng)有機結(jié)合管理信息與控制系統(tǒng)得以實現(xiàn)[3]。

1.1 硬件設(shè)計

工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)硬件部分主要包含變壓器、電抗器、工業(yè)控制計算機、高速采集板卡、電弧爐、液壓驅(qū)動系統(tǒng)等等[4]。其中高速數(shù)據(jù)采集板卡負責采集信息，而模擬量輸出板卡負責輸出控制信號。

系統(tǒng)整個運行過程[5]具體為：以高速采集板卡進行變壓器一次側(cè)與二次側(cè)電壓電流采集，并基于交流變送器轉(zhuǎn)換所采集一次側(cè)二次側(cè)電壓電流為-10～10 V的交流信號，再通過200 kHz采樣頻率采集于工業(yè)控制計算機內(nèi)，而工業(yè)控制計算機就相關(guān)參數(shù)對電壓電流有效值、有功無功功率、功率因數(shù)、弧壓弧長等進行計算分析。然后控制系統(tǒng)基于相關(guān)參量，以模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法對電極調(diào)節(jié)控制信號進行計算，此信號通過D/A板卡轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量傳輸于液壓伺服放大器，從而驅(qū)使執(zhí)行機構(gòu)運行，以調(diào)整電弧爐和爐料間的電弧長度，以及電弧電流和電壓，進而實現(xiàn)綜合運行效率的優(yōu)化。

1.2 網(wǎng)絡通信設(shè)計

工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)主要選擇TCP/IP變成實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。信號采集、神經(jīng)網(wǎng)絡控制與輸出是控制系統(tǒng)程序設(shè)計的關(guān)鍵性供能，而Win Sock網(wǎng)絡通信內(nèi)的大量操作具備阻礙性，因此為確保主控程序有序啟動實施，可引進多線程[6]。為了防止受網(wǎng)絡阻撓操作導致主控程序無法正常執(zhí)行，可將網(wǎng)絡程序放置于單獨線程內(nèi)。其中，網(wǎng)絡通信、有功功率、主控程序、功率因數(shù)運算、弧流弧壓采集均囊括于系統(tǒng)程序內(nèi)。

網(wǎng)絡通信程序可具體劃分為兩個層面，其一，提出與服務器相互連接的申請，發(fā)送計算請求，并處置分析服務器返回結(jié)果，此應用程序與客戶端相關(guān)聯(lián)；其二，接收客戶端的信息、連接、計算等相關(guān)要求，并實時反饋，此應用程序與服務器相關(guān)聯(lián)。工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信模型[7]具體如圖2所示。

在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，須詳細檢查通信的Socket狀態(tài)、相應鏈路暢通性、所需數(shù)據(jù)完整性，若是出現(xiàn)任何一種情況，均應及時中斷信號傳輸，需要在各相關(guān)準備工作全面做好后，重新連接服務器。而服務器端則需接收由客戶端傳輸而來的連接請求與數(shù)據(jù)，基于DDE接口將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)接于WinCC，然后在同一時刻，將所接收的信息指令再次傳輸回客戶端[8]。所以，工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)選擇了快速且可視化的Visual Basic開發(fā)工具進行程序設(shè)計。

圖2 網(wǎng)絡通信模型

2 工業(yè)電弧爐控制算法

基于神經(jīng)網(wǎng)絡的工業(yè)電弧爐控制預估模型主要以三層BP網(wǎng)絡加以設(shè)計、執(zhí)行，以實現(xiàn)工業(yè)電弧爐控制的三相電極不同狀態(tài)[9]。在神經(jīng)網(wǎng)絡與工業(yè)電弧爐接收到T、T-1、T-2三個時刻下調(diào)節(jié)器輸出量與參量為指導信號的輸入信號時，便會修正模型權(quán)值，其是基于實際值與預估值二者差異加以修正的，直到初始狀態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡預估模型完成構(gòu)建。然而神經(jīng)網(wǎng)絡在一些狀態(tài)下穩(wěn)定性較差，因此在電流比較大時很容易造成短路，此時系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)化為基本控制模式，然后在狀態(tài)恢復之后，自動轉(zhuǎn)換為神經(jīng)網(wǎng)絡控制模式。基于神經(jīng)網(wǎng)絡的電弧爐控制算法流程具體如圖3所示。

神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)就現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，以匹配工業(yè)電弧爐現(xiàn)場相對成熟且普遍使用的恒阻抗專家控制器的響應，此流程屬于安全措施，可保護神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)初始化輸出合理的控制信號，并為神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實現(xiàn)最佳效果奠定堅實基礎(chǔ)；以T時刻電極控制量與電弧爐實際輸出狀態(tài)，以及T+1時刻電機控制量為輸入量，通過較大偏差調(diào)整網(wǎng)絡參數(shù)，以促使神經(jīng)網(wǎng)絡預估模型辨別實際電弧爐；以神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制電弧爐電極升降，神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)與預估模型的有機結(jié)合，可調(diào)整電極促使電弧爐達到最佳工作狀態(tài)，此系統(tǒng)設(shè)定主要以最優(yōu)狀態(tài)的電弧電流、功率因數(shù)、閃變百分比、電弧穩(wěn)定因數(shù)為指標[10]。

圖3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的電弧爐控制算法流程

3 系統(tǒng)測試

基于神經(jīng)網(wǎng)絡的工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)在安裝使用之前，冷調(diào)環(huán)節(jié)后，便可以使用，計算機網(wǎng)絡的運行比較穩(wěn)定。以40 t工業(yè)電弧爐為例，測試基于神經(jīng)網(wǎng)絡的工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)性能，結(jié)果具體如表1所示。

表1 電弧爐在引進神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)前后的對比結(jié)果

由表1可知，在引進神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)后，電弧爐效率得到了明顯提升，電力消耗也顯著降低，對于不同配比電弧爐料，點弧更加精確，相較于既有系統(tǒng)，運行效率實現(xiàn)了有效提升?？傊?，以神經(jīng)網(wǎng)絡為基礎(chǔ)的工業(yè)電弧爐控制算法不僅可行且安全穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

綜上所述，在時代進步推動下，計算機網(wǎng)絡越來越發(fā)達，越來越先進，尤其是在自動化領(lǐng)域的應用愈發(fā)普遍，而將工業(yè)計算機網(wǎng)絡引進工業(yè)電弧爐控制中早已是必然趨勢。據(jù)此，本文基于神經(jīng)網(wǎng)絡設(shè)計了工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)，提出了電弧爐神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法，并以實踐應用對系統(tǒng)進行了測試分析。結(jié)果表明，在引進神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)后，工業(yè)電弧爐效率得到了明顯提升，電力消耗也顯著降低，對于不同配比電弧爐料，點弧更加精確，相較于既有系統(tǒng)，運行效率實現(xiàn)了有效提升?？傊?，以神經(jīng)網(wǎng)絡為基礎(chǔ)的工業(yè)電弧爐控制算法不僅可行且安全穩(wěn)定。相信未來，在計算機網(wǎng)絡的不斷更新發(fā)展下，工業(yè)領(lǐng)域控制體系將會實現(xiàn)更進一步的優(yōu)化應用。