基于云计算技术与智能水滴算法的冶金控制系统设计

(西安航空职业技术学院计算机工程学院，陕西 西安 710089)

冶金行业是传统制造行业，而发展新型工艺与技术，引入信息化技术是当前钢铁集团提高自身核心竞争力的重要途径。智能制造在我国战略规划推动下渐渐走进了发展快车道，大量先进技术也已经在社会各个领域实现了有效验证，并且在构建冶金业信息化系统初始阶段，实现智能制造振兴基础制造业是政府管理部门的主要工作。而金属冶炼控制系统是复杂工艺的落实载体，其需就合金配置参数以及原料组合比重，就工艺模型实施流程加以控制，就各个环节实施结果对后续工作进行动态化分析，从而为用户提供更加精确的、可控的交流互动界面。但是，传统网络技术依旧存在许多缺陷，对此必须积极引进云计算机技术，以此切实解决各种弊端[1]。

1 金属冶炼计算机云平台控制系统设计

1.1 框架设计

系统设计以云平台系统体系框架为载体，基于标准化工业互联网体系框架，具体如图1所示，在此体系框架基础上，可以一体化集成各种相关生产与制造数据信息，并科学合理管理展示，以无缝融合现场信息、控制信息、管理信息，从而为制造行业提供可以自主化实现纵向与横向集成能力[2]。

在系统设计中，应遵循采集器标准进行服务接口科学定制，利用总线技术采集传感器运行的数据信息。以云平台为载体进行工艺模型处理，并科学管理生产过程数据与设备材料数据，加以汇总整理成实时工作数据、过程处理数据、业务流程数据。另外，交互层的作用是集成第三方系统，即MES与ERP系统，接收管理决策的数据信息。

图1 系统框架

1.2 功能模块设计

基于金属冶炼计算机云平台控制系统实现金属冶炼控制模型，在此过程中，控制模块应实现与可视化模块、数据模块、计算模块的交互[3]，具体如图2所示。

图2 系统模块单元关系

其一，可视化模块的作用是展示控制流程与终端监控信息。其二，数据模块的任务是对静态数据与过程数据进行全面管理。其三，计算模块则是反馈控制模块相关指令，调用控制模块，根据工艺模型进行计算。控制模块基于发送与接收信号的方式进行工作流程管控，在各个时间步骤，控制模块朝向计算模块传输信息，以此计算机时间步长。在接收到计算机模块完成计算的信号之后，向可视化模块发送信号，从而展示计算结果。

1.3 抗干扰设计

在金属冶炼监控现场，工作环境极易受干扰，信号较差，为了保证金属冶炼计算机云平台控制系统的稳定性与可靠性，必须切实解决干扰问题。针对可能出现的干扰源进行综合分析，有机结合软件与硬件，对系统抗干扰性能进行合理设计。其中，硬件抗干扰设计为：滤波电源输出、光电分离步进电机驱动电线接口、集成电路芯片电源需求和地面并联的电容、优化电路板布线等等。软件抗干扰设计为：软件自恢复与陷阱等等。在控制电机输出通道，基于输出通道干扰系统，通过光电隔离技术，有效预防强电磁干扰或者工频电压。因为光信号传输不会受到电场与磁场干扰，可以防止耦合干扰信号进入系统，从而生成良好的电气隔离效果[4]。

1.4 控制算法

选用智能水滴算法，进行冶炼过程控制。在河流流动时，虽然会面临很多阻碍，但是河流总是可以到达目的地。许多情况下，河流路径会出现扭曲或者方向变化，此路是在水滴与河床的行动、反应作用下生成的，在水滴逐渐朝向目的地移动的时候，其主要通过两种方式对环境形成影响，即装载土壤与卸载土壤。智能水滴算法的实现载体是水滴特性，水滴都具备一定量土壤，可以就实际环境装卸。在水滴土壤变化的趋势下，从一个位置转移到另一位置所需要耗费的时间和土壤量之间呈反比关系。在水滴快速移动的时候，可加载更多土壤，以此促使河床变身。所以，此河流能吸引更多水，在水滴进入河流缓慢部门的时候，则会卸下部分土壤。

如果在智能水滴算法环境中，水滴运动呈离散状态，环境包含节点与边网络。而水滴可以沿边渐渐移动，其中各边都存在初始土壤，智能水滴在使用这些路径时，土壤数量会发生一定改变，每个智能水滴的从一节点开始沿着连接当下节点与下一节点的边逐渐移动，此过程持续到从源头到目的地整个完整路径被构建。只需要完成所有智能水滴路径，便可以实施算法迭代。

在智能水滴算法中，对静态参数与动态参数进行了明确定义。在算法迭代时，静态参数保持不变，但是在迭代后，动态参数则应重新进行初始化。在冶金控制中利用智能水滴算法，就工艺流程定义，在算法执行中，根据冶炼工艺实施，也就是根据图边选择合适的路径，对每个智能水滴来讲，定义记录访问节点，从而避免出现节点重复访问现象。在智能水滴算法中，每个智能水滴都相应分配到各节点，并沿节点边缘转移到下一节点，在运动过程中，智能水滴土壤的速度与边缘土壤发生变化，此过程持续直到获取完整路径[5]。具体流程如图3所示，其中节点代表工艺步骤。

图3 流程图

2 仿真实验

基于虚拟框架方式构建金属冶炼计算机云平台控制系统仿真实验环境，在应用层下达控制指令，通过对金属冶炼运行状况进行实时观察，以验证系统设计方案的可靠性与可行性。选用数据信息传输与金属冶炼控制进行仿真实验分析。

2.1 数据信息传输

数据信息传输功能试验采取传统网络传输方式为对照组，对云平台数据传输效果进行检测。通过数据传输仿真结果分析可以看出，除数据采集与系统响应两个环节所耗费时间几乎相同，对于其他工艺流程而言，云平台数据传输所消耗的时间都相对较少。仿真结果证明，此系统云平台能够在很大程度上提高数据传输效率与速度[6]。

2.2 金属冶炼控制

通过对系统算法改进之前与之后的金属冶炼控制速度进行比较分析，对系统在运行速率对金属冶炼加工的影响作用进行科学判断。具体结果如图4所示。

图4 仿真结果

由图4可以看出，智能水滴控制方式在数据计算与分析两大阶段消耗的时间相对较少，且在其他冶炼阶段，其与传统控制方式耗时基本相同。所以，金属冶炼计算机云平台控制系统的智能水滴算法更具优势，其在提高冶炼速度与效率的基础上，还可以大大节约成本[7]。

3 结 论

综上所述，在智能制造越来越普遍的形式下，基于云计算技术与智能水滴算法进行金属冶炼计算机云平台控制系统优化设计，结合虚拟技术构建仿真平台，与传统冶炼控制方式的速度和效率做对比分析。通过系统仿真结果表明，此系统具有更加突出的优势，其不仅能够在很大程度上保证金属冶炼速率，而且能够显著提高数据传输功效。