(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，陜西 西安 710089)

冶金行業(yè)是傳統(tǒng)制造行業(yè)，而發(fā)展新型工藝與技術(shù)，引入信息化技術(shù)是當(dāng)前鋼鐵集團(tuán)提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。智能制造在我國(guó)戰(zhàn)略規(guī)劃推動(dòng)下漸漸走進(jìn)了發(fā)展快車道，大量先進(jìn)技術(shù)也已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了有效驗(yàn)證，并且在構(gòu)建冶金業(yè)信息化系統(tǒng)初始階段，實(shí)現(xiàn)智能制造振興基礎(chǔ)制造業(yè)是政府管理部門(mén)的主要工作。而金屬冶煉控制系統(tǒng)是復(fù)雜工藝的落實(shí)載體，其需就合金配置參數(shù)以及原料組合比重，就工藝模型實(shí)施流程加以控制，就各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施結(jié)果對(duì)后續(xù)工作進(jìn)行動(dòng)態(tài)化分析，從而為用戶提供更加精確的、可控的交流互動(dòng)界面。但是，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)依舊存在許多缺陷，對(duì)此必須積極引進(jìn)云計(jì)算機(jī)技術(shù)，以此切實(shí)解決各種弊端[1]。

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

1.1 框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以云平臺(tái)系統(tǒng)體系框架為載體，基于標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系框架，具體如圖1所示，在此體系框架基礎(chǔ)上，可以一體化集成各種相關(guān)生產(chǎn)與制造數(shù)據(jù)信息，并科學(xué)合理管理展示，以無(wú)縫融合現(xiàn)場(chǎng)信息、控制信息、管理信息，從而為制造行業(yè)提供可以自主化實(shí)現(xiàn)縱向與橫向集成能力[2]。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循采集器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行服務(wù)接口科學(xué)定制，利用總線技術(shù)采集傳感器運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息。以云平臺(tái)為載體進(jìn)行工藝模型處理，并科學(xué)管理生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)與設(shè)備材料數(shù)據(jù)，加以匯總整理成實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)、過(guò)程處理數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)。另外，交互層的作用是集成第三方系統(tǒng)，即MES與ERP系統(tǒng)，接收管理決策的數(shù)據(jù)信息。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

基于金屬冶煉計(jì)算機(jī)云平臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)金屬冶煉控制模型，在此過(guò)程中，控制模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)與可視化模塊、數(shù)據(jù)模塊、計(jì)算模塊的交互[3]，具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊單元關(guān)系

其一，可視化模塊的作用是展示控制流程與終端監(jiān)控信息。其二，數(shù)據(jù)模塊的任務(wù)是對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)與過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行全面管理。其三，計(jì)算模塊則是反饋控制模塊相關(guān)指令，調(diào)用控制模塊，根據(jù)工藝模型進(jìn)行計(jì)算。控制模塊基于發(fā)送與接收信號(hào)的方式進(jìn)行工作流程管控，在各個(gè)時(shí)間步驟，控制模塊朝向計(jì)算模塊傳輸信息，以此計(jì)算機(jī)時(shí)間步長(zhǎng)。在接收到計(jì)算機(jī)模塊完成計(jì)算的信號(hào)之后，向可視化模塊發(fā)送信號(hào)，從而展示計(jì)算結(jié)果。

1.3 抗干擾設(shè)計(jì)

在金屬冶煉監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，工作環(huán)境極易受干擾，信號(hào)較差，為了保證金屬冶煉計(jì)算機(jī)云平臺(tái)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，必須切實(shí)解決干擾問(wèn)題。針對(duì)可能出現(xiàn)的干擾源進(jìn)行綜合分析，有機(jī)結(jié)合軟件與硬件，對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。其中，硬件抗干擾設(shè)計(jì)為：濾波電源輸出、光電分離步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電線接口、集成電路芯片電源需求和地面并聯(lián)的電容、優(yōu)化電路板布線等等。軟件抗干擾設(shè)計(jì)為：軟件自恢復(fù)與陷阱等等。在控制電機(jī)輸出通道，基于輸出通道干擾系統(tǒng)，通過(guò)光電隔離技術(shù)，有效預(yù)防強(qiáng)電磁干擾或者工頻電壓。因?yàn)楣庑盘?hào)傳輸不會(huì)受到電場(chǎng)與磁場(chǎng)干擾，可以防止耦合干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，從而生成良好的電氣隔離效果[4]。

1.4 控制算法

選用智能水滴算法，進(jìn)行冶煉過(guò)程控制。在河流流動(dòng)時(shí)，雖然會(huì)面臨很多阻礙，但是河流總是可以到達(dá)目的地。許多情況下，河流路徑會(huì)出現(xiàn)扭曲或者方向變化，此路是在水滴與河床的行動(dòng)、反應(yīng)作用下生成的，在水滴逐漸朝向目的地移動(dòng)的時(shí)候，其主要通過(guò)兩種方式對(duì)環(huán)境形成影響，即裝載土壤與卸載土壤。智能水滴算法的實(shí)現(xiàn)載體是水滴特性，水滴都具備一定量土壤，可以就實(shí)際環(huán)境裝卸。在水滴土壤變化的趨勢(shì)下，從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一位置所需要耗費(fèi)的時(shí)間和土壤量之間呈反比關(guān)系。在水滴快速移動(dòng)的時(shí)候，可加載更多土壤，以此促使河床變身。所以，此河流能吸引更多水，在水滴進(jìn)入河流緩慢部門(mén)的時(shí)候，則會(huì)卸下部分土壤。

如果在智能水滴算法環(huán)境中，水滴運(yùn)動(dòng)呈離散狀態(tài)，環(huán)境包含節(jié)點(diǎn)與邊網(wǎng)絡(luò)。而水滴可以沿邊漸漸移動(dòng)，其中各邊都存在初始土壤，智能水滴在使用這些路徑時(shí)，土壤數(shù)量會(huì)發(fā)生一定改變，每個(gè)智能水滴的從一節(jié)點(diǎn)開(kāi)始沿著連接當(dāng)下節(jié)點(diǎn)與下一節(jié)點(diǎn)的邊逐漸移動(dòng)，此過(guò)程持續(xù)到從源頭到目的地整個(gè)完整路徑被構(gòu)建。只需要完成所有智能水滴路徑，便可以實(shí)施算法迭代。

在智能水滴算法中，對(duì)靜態(tài)參數(shù)與動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行了明確定義。在算法迭代時(shí)，靜態(tài)參數(shù)保持不變，但是在迭代后，動(dòng)態(tài)參數(shù)則應(yīng)重新進(jìn)行初始化。在冶金控制中利用智能水滴算法，就工藝流程定義，在算法執(zhí)行中，根據(jù)冶煉工藝實(shí)施，也就是根據(jù)圖邊選擇合適的路徑，對(duì)每個(gè)智能水滴來(lái)講，定義記錄訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)，從而避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)重復(fù)訪問(wèn)現(xiàn)象。在智能水滴算法中，每個(gè)智能水滴都相應(yīng)分配到各節(jié)點(diǎn)，并沿節(jié)點(diǎn)邊緣轉(zhuǎn)移到下一節(jié)點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，智能水滴土壤的速度與邊緣土壤發(fā)生變化，此過(guò)程持續(xù)直到獲取完整路徑[5]。具體流程如圖3所示，其中節(jié)點(diǎn)代表工藝步驟。

圖3 流程圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)

基于虛擬框架方式構(gòu)建金屬冶煉計(jì)算機(jī)云平臺(tái)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在應(yīng)用層下達(dá)控制指令，通過(guò)對(duì)金屬冶煉運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，以驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可靠性與可行性。選用數(shù)據(jù)信息傳輸與金屬冶煉控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 數(shù)據(jù)信息傳輸

數(shù)據(jù)信息傳輸功能試驗(yàn)采取傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式為對(duì)照組，對(duì)云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸效果進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸仿真結(jié)果分析可以看出，除數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)響應(yīng)兩個(gè)環(huán)節(jié)所耗費(fèi)時(shí)間幾乎相同，對(duì)于其他工藝流程而言，云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸所消耗的時(shí)間都相對(duì)較少。仿真結(jié)果證明，此系統(tǒng)云平臺(tái)能夠在很大程度上提高數(shù)據(jù)傳輸效率與速度[6]。

2.2 金屬冶煉控制

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)算法改進(jìn)之前與之后的金屬冶煉控制速度進(jìn)行比較分析，對(duì)系統(tǒng)在運(yùn)行速率對(duì)金屬冶煉加工的影響作用進(jìn)行科學(xué)判斷。具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果

由圖4可以看出，智能水滴控制方式在數(shù)據(jù)計(jì)算與分析兩大階段消耗的時(shí)間相對(duì)較少，且在其他冶煉階段，其與傳統(tǒng)控制方式耗時(shí)基本相同。所以，金屬冶煉計(jì)算機(jī)云平臺(tái)控制系統(tǒng)的智能水滴算法更具優(yōu)勢(shì)，其在提高冶煉速度與效率的基礎(chǔ)上，還可以大大節(jié)約成本[7]。

3 結(jié) 論

綜上所述，在智能制造越來(lái)越普遍的形式下，基于云計(jì)算技術(shù)與智能水滴算法進(jìn)行金屬冶煉計(jì)算機(jī)云平臺(tái)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合虛擬技術(shù)構(gòu)建仿真平臺(tái)，與傳統(tǒng)冶煉控制方式的速度和效率做對(duì)比分析。通過(guò)系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，此系統(tǒng)具有更加突出的優(yōu)勢(shì)，其不僅能夠在很大程度上保證金屬冶煉速率，而且能夠顯著提高數(shù)據(jù)傳輸功效。