石紅姣，李 寅

(商洛學(xué)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(shí)現(xiàn)了在廢鋼預(yù)熱、余熱回收、超高功率供電、供能強(qiáng)化、加料自動(dòng)化等設(shè)備研發(fā)應(yīng)用層面的逐漸優(yōu)化與改進(jìn)，且在重點(diǎn)控制的取樣測(cè)溫、智能控制、成本控制等層面實(shí)現(xiàn)了迅速發(fā)展，促進(jìn)了電弧爐煉鋼技術(shù)與工藝的全面進(jìn)步[1]。據(jù)此，本文以電弧爐自動(dòng)化控制與節(jié)能視角著手，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了電弧爐控制系統(tǒng)。

1 工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某工業(yè)企業(yè)的電弧爐控制設(shè)備為基礎(chǔ)，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此電弧爐控制設(shè)備可同時(shí)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(jī)主要應(yīng)用于電極調(diào)節(jié)，以此對(duì)工控機(jī)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)西門子S7-300時(shí)，同步設(shè)計(jì)了PLC備用電極調(diào)節(jié)器，從而可保障在工控機(jī)故障時(shí)，依然能夠正常有序生產(chǎn)?？刂乒芾韺又饕?fù)責(zé)優(yōu)化工藝曲線，以預(yù)測(cè)精煉爐鋼水實(shí)時(shí)溫度，促使不同服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)信息交互，還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)備層監(jiān)控系統(tǒng)的管控優(yōu)化，且能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到異常信息，并發(fā)出告警提示。此外，信息管理層可推進(jìn)辦公與生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化，還可有機(jī)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(shí)還可實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化改進(jìn)與管理數(shù)據(jù)化發(fā)展，這些均需在整個(gè)生產(chǎn)過程中，基于局域網(wǎng)有機(jī)結(jié)合管理信息與控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)[3]。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)、高速采集板卡、電弧爐、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等等[4]。其中高速數(shù)據(jù)采集板卡負(fù)責(zé)采集信息，而模擬量輸出板卡負(fù)責(zé)輸出控制信號(hào)。

系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過程[5]具體為：以高速采集板卡進(jìn)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(hào)，再通過200 kHz采樣頻率采集于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)，而工業(yè)控制計(jì)算機(jī)就相關(guān)參數(shù)對(duì)電壓電流有效值、有功無功功率、功率因數(shù)、弧壓弧長等進(jìn)行計(jì)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(luò)控制算法對(duì)電極調(diào)節(jié)控制信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，此信號(hào)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(jī)構(gòu)運(yùn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合運(yùn)行效率的優(yōu)化。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)主要選擇TCP/IP變成實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。信號(hào)采集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與輸出是控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性供能，而Win Sock網(wǎng)絡(luò)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(dòng)實(shí)施，可引進(jìn)多線程[6]。為了防止受網(wǎng)絡(luò)阻撓操作導(dǎo)致主控程序無法正常執(zhí)行，可將網(wǎng)絡(luò)程序放置于單獨(dú)線程內(nèi)。其中，網(wǎng)絡(luò)通信、有功功率、主控程序、功率因數(shù)運(yùn)算、弧流弧壓采集均囊括于系統(tǒng)程序內(nèi)。

網(wǎng)絡(luò)通信程序可具體劃分為兩個(gè)層面，其一，提出與服務(wù)器相互連接的申請(qǐng)，發(fā)送計(jì)算請(qǐng)求，并處置分析服務(wù)器返回結(jié)果，此應(yīng)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(jì)算等相關(guān)要求，并實(shí)時(shí)反饋，此應(yīng)用程序與服務(wù)器相關(guān)聯(lián)。工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(xì)檢查通信的Socket狀態(tài)、相應(yīng)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(yīng)及時(shí)中斷信號(hào)傳輸，需要在各相關(guān)準(zhǔn)備工作全面做好后，重新連接服務(wù)器。而服務(wù)器端則需接收由客戶端傳輸而來的連接請(qǐng)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(shí)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(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信模型

2 工業(yè)電弧爐控制算法

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)電弧爐控制預(yù)估模型主要以三層BP網(wǎng)絡(luò)加以設(shè)計(jì)、執(zhí)行，以實(shí)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(luò)與工業(yè)電弧爐接收到T、T-1、T-2三個(gè)時(shí)刻下調(diào)節(jié)器輸出量與參量為指導(dǎo)信號(hào)的輸入信號(hào)時(shí)，便會(huì)修正模型權(quán)值，其是基于實(shí)際值與預(yù)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(luò)預(yù)估模型完成構(gòu)建。然而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在一些狀態(tài)下穩(wěn)定性較差，因此在電流比較大時(shí)很容易造成短路，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為基本控制模式，然后在狀態(tài)恢復(fù)之后，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模式?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的電弧爐控制算法流程具體如圖3所示。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)就現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，以匹配工業(yè)電弧爐現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)成熟且普遍使用的恒阻抗專家控制器的響應(yīng)，此流程屬于安全措施，可保護(hù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)初始化輸出合理的控制信號(hào)，并為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳效果奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；以T時(shí)刻電極控制量與電弧爐實(shí)際輸出狀態(tài)，以及T+1時(shí)刻電機(jī)控制量為輸入量，通過較大偏差調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以促使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估模型辨別實(shí)際電弧爐；以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制電弧爐電極升降，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與預(yù)估模型的有機(jī)結(jié)合，可調(diào)整電極促使電弧爐達(dá)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(biāo)[10]。

圖3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電弧爐控制算法流程

3 系統(tǒng)測(cè)試

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行比較穩(wěn)定。以40 t工業(yè)電弧爐為例，測(cè)試基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)前后的對(duì)比結(jié)果

由表1可知，在引進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(duì)于不同配比電弧爐料，點(diǎn)弧更加精確，相較于既有系統(tǒng)，運(yùn)行效率實(shí)現(xiàn)了有效提升。總之，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shí)代進(jìn)步推動(dòng)下，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)越來越發(fā)達(dá)，越來越先進(jìn)，尤其是在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)普遍，而將工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)引進(jìn)工業(yè)電弧爐控制中早已是必然趨勢(shì)。據(jù)此，本文基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了工業(yè)電弧爐控制系統(tǒng)，提出了電弧爐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，并以實(shí)踐應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明，在引進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(duì)于不同配比電弧爐料，點(diǎn)弧更加精確，相較于既有系統(tǒng)，運(yùn)行效率實(shí)現(xiàn)了有效提升?？傊?，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不斷更新發(fā)展下，工業(yè)領(lǐng)域控制體系將會(huì)實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的優(yōu)化應(yīng)用。