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摘要:隨著計算網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá),設(shè)計出了三層網(wǎng)絡(luò)機構(gòu)的電弧爐控制系統(tǒng),就是通過控制層、設(shè)備層、管理層來實現(xiàn)對電弧爐及精煉爐的控制。這套系統(tǒng)實現(xiàn)使煉鋼作業(yè)效率的提高和優(yōu)化,并且可以優(yōu)化控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控。精煉爐和電弧爐控制在采用控制專家系統(tǒng)的同時,提出了另外一種在精煉爐和電弧爐控制在采用控制專家系統(tǒng)的同時,另外提出了一種可以使用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對對象的預(yù)估,這種方法可以在常規(guī)的控制器做出輸出時,做出與之能呼應(yīng)起來的補償,這能夠讓該系統(tǒng)更好地應(yīng)對負(fù)荷情況,還可以對外部的擾動進(jìn)行補救,進(jìn)而可以使控制質(zhì)量得以提高。
關(guān)鍵詞:系統(tǒng)組成;編程;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法
隨著科技時代的進(jìn)步,計算機網(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40t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工控機被用在電極調(diào)節(jié)中,實現(xiàn)了對工控機的神經(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]。Winsock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: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。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1min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VisualBasic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20s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。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)濟效益,可廣泛推廣和應(yīng)用。
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作者:劉挺 單位:西安外事學(xué)院