基于云計算技術與智能水滴算法的冶金控制系統設計

(西安航空職業技術學院計算機工程學院，陜西 西安 710089)

冶金行業是傳統制造行業，而發展新型工藝與技術，引入信息化技術是當前鋼鐵集團提高自身核心競爭力的重要途徑。智能制造在我國戰略規劃推動下漸漸走進了發展快車道，大量先進技術也已經在社會各個領域實現了有效驗證，并且在構建冶金業信息化系統初始階段，實現智能制造振興基礎制造業是政府管理部門的主要工作。而金屬冶煉控制系統是復雜工藝的落實載體，其需就合金配置參數以及原料組合比重，就工藝模型實施流程加以控制，就各個環節實施結果對后續工作進行動態化分析，從而為用戶提供更加精確的、可控的交流互動界面。但是，傳統網絡技術依舊存在許多缺陷，對此必須積極引進云計算機技術，以此切實解決各種弊端[1]。

1 金屬冶煉計算機云平臺控制系統設計

1.1 框架設計

系統設計以云平臺系統體系框架為載體，基于標準化工業互聯網體系框架，具體如圖1所示，在此體系框架基礎上，可以一體化集成各種相關生產與制造數據信息，并科學合理管理展示，以無縫融合現場信息、控制信息、管理信息，從而為制造行業提供可以自主化實現縱向與橫向集成能力[2]。

在系統設計中，應遵循采集器標準進行服務接口科學定制，利用總線技術采集傳感器運行的數據信息。以云平臺為載體進行工藝模型處理，并科學管理生產過程數據與設備材料數據，加以匯總整理成實時工作數據、過程處理數據、業務流程數據。另外，交互層的作用是集成第三方系統，即MES與ERP系統，接收管理決策的數據信息。

圖1 系統框架

1.2 功能模塊設計

基于金屬冶煉計算機云平臺控制系統實現金屬冶煉控制模型，在此過程中，控制模塊應實現與可視化模塊、數據模塊、計算模塊的交互[3]，具體如圖2所示。

圖2 系統模塊單元關系

其一，可視化模塊的作用是展示控制流程與終端監控信息。其二，數據模塊的任務是對靜態數據與過程數據進行全面管理。其三，計算模塊則是反饋控制模塊相關指令，調用控制模塊，根據工藝模型進行計算?？刂颇K基于發送與接收信號的方式進行工作流程管控，在各個時間步驟，控制模塊朝向計算模塊傳輸信息，以此計算機時間步長。在接收到計算機模塊完成計算的信號之后，向可視化模塊發送信號，從而展示計算結果。

1.3 抗干擾設計

在金屬冶煉監控現場，工作環境極易受干擾，信號較差，為了保證金屬冶煉計算機云平臺控制系統的穩定性與可靠性，必須切實解決干擾問題。針對可能出現的干擾源進行綜合分析，有機結合軟件與硬件，對系統抗干擾性能進行合理設計。其中，硬件抗干擾設計為：濾波電源輸出、光電分離步進電機驅動電線接口、集成電路芯片電源需求和地面并聯的電容、優化電路板布線等等。軟件抗干擾設計為：軟件自恢復與陷阱等等。在控制電機輸出通道，基于輸出通道干擾系統，通過光電隔離技術，有效預防強電磁干擾或者工頻電壓。因為光信號傳輸不會受到電場與磁場干擾，可以防止耦合干擾信號進入系統，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，進行冶煉過程控制。在河流流動時，雖然會面臨很多阻礙，但是河流總是可以到達目的地。許多情況下，河流路徑會出現扭曲或者方向變化，此路是在水滴與河床的行動、反應作用下生成的，在水滴逐漸朝向目的地移動的時候，其主要通過兩種方式對環境形成影響，即裝載土壤與卸載土壤。智能水滴算法的實現載體是水滴特性，水滴都具備一定量土壤，可以就實際環境裝卸。在水滴土壤變化的趨勢下，從一個位置轉移到另一位置所需要耗費的時間和土壤量之間呈反比關系。在水滴快速移動的時候，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，在水滴進入河流緩慢部門的時候，則會卸下部分土壤。

如果在智能水滴算法環境中，水滴運動呈離散狀態，環境包含節點與邊網絡。而水滴可以沿邊漸漸移動，其中各邊都存在初始土壤，智能水滴在使用這些路徑時，土壤數量會發生一定改變，每個智能水滴的從一節點開始沿著連接當下節點與下一節點的邊逐漸移動，此過程持續到從源頭到目的地整個完整路徑被構建。只需要完成所有智能水滴路徑，便可以實施算法迭代。

在智能水滴算法中，對靜態參數與動態參數進行了明確定義。在算法迭代時，靜態參數保持不變，但是在迭代后，動態參數則應重新進行初始化。在冶金控制中利用智能水滴算法，就工藝流程定義，在算法執行中，根據冶煉工藝實施，也就是根據圖邊選擇合適的路徑，對每個智能水滴來講，定義記錄訪問節點，從而避免出現節點重復訪問現象。在智能水滴算法中，每個智能水滴都相應分配到各節點，并沿節點邊緣轉移到下一節點，在運動過程中，智能水滴土壤的速度與邊緣土壤發生變化，此過程持續直到獲取完整路徑[5]。具體流程如圖3所示，其中節點代表工藝步驟。

圖3 流程圖

2 仿真實驗

基于虛擬框架方式構建金屬冶煉計算機云平臺控制系統仿真實驗環境，在應用層下達控制指令，通過對金屬冶煉運行狀況進行實時觀察，以驗證系統設計方案的可靠性與可行性。選用數據信息傳輸與金屬冶煉控制進行仿真實驗分析。

2.1 數據信息傳輸

數據信息傳輸功能試驗采取傳統網絡傳輸方式為對照組，對云平臺數據傳輸效果進行檢測。通過數據傳輸仿真結果分析可以看出，除數據采集與系統響應兩個環節所耗費時間幾乎相同，對于其他工藝流程而言，云平臺數據傳輸所消耗的時間都相對較少。仿真結果證明，此系統云平臺能夠在很大程度上提高數據傳輸效率與速度[6]。

2.2 金屬冶煉控制

通過對系統算法改進之前與之后的金屬冶煉控制速度進行比較分析，對系統在運行速率對金屬冶煉加工的影響作用進行科學判斷。具體結果如圖4所示。

圖4 仿真結果

由圖4可以看出，智能水滴控制方式在數據計算與分析兩大階段消耗的時間相對較少，且在其他冶煉階段，其與傳統控制方式耗時基本相同。所以，金屬冶煉計算機云平臺控制系統的智能水滴算法更具優勢，其在提高冶煉速度與效率的基礎上，還可以大大節約成本[7]。

3 結 論

綜上所述，在智能制造越來越普遍的形式下，基于云計算技術與智能水滴算法進行金屬冶煉計算機云平臺控制系統優化設計，結合虛擬技術構建仿真平臺，與傳統冶煉控制方式的速度和效率做對比分析。通過系統仿真結果表明，此系統具有更加突出的優勢，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據傳輸功效。