基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱風(fēng)爐模糊控制系統(tǒng)研究

苑國強(qiáng)

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院,北京 100050)

鋼鐵作為我國制造業(yè)、建筑業(yè)不可或缺的資源,在我國的基礎(chǔ)建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用。高爐煉鐵是目前進(jìn)行鋼鐵加工的主要手段,在熱風(fēng)爐的加熱下將從礦山采集的鐵原材以及焦炭、煤粉進(jìn)行混合燃燒,將燃燒產(chǎn)生的熱風(fēng)送入高爐內(nèi)在進(jìn)行煉鐵加工。作為高爐煉鐵的重要輔助設(shè)備,熱風(fēng)爐的蓄熱溫度以及送風(fēng)時間會對鋼鐵冶煉產(chǎn)生重要的影響。同時其也會極大地影響到鋼鐵企業(yè)的冶煉經(jīng)濟(jì)效益。由于一般的高爐煉鐵需要由3臺熱風(fēng)爐輔助進(jìn)行,熱風(fēng)爐斷續(xù)性的工作方式使得自動化控制較難,往往采取固定控制周期的運(yùn)行方式,但這一方式會因為煤氣以及空氣進(jìn)入量的改變導(dǎo)致溫度偏低造成鋼鐵冶煉的純度達(dá)不到要求,進(jìn)而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為復(fù)雜、精準(zhǔn)化的控制模型,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器系統(tǒng)的自適應(yīng),已經(jīng)在較多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文主要分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在熱風(fēng)爐模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用,希望能夠提升熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的性能,滿足鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗的需要。

1 熱風(fēng)爐主工藝控制流程

1.1 熱風(fēng)爐工作流程

熱風(fēng)爐的工作流程包括四部分:①燃燒從換爐到燜爐;②燜爐經(jīng)換爐到送風(fēng);③送風(fēng)經(jīng)換爐到燜爐;④燜爐經(jīng)換爐到燃燒。如圖1所示。

圖1 熱風(fēng)爐工作流程

熱風(fēng)爐工作的四階段構(gòu)成一個完整的循環(huán)周期。每部分的控制由機(jī)械閥門完成。因為機(jī)械閥門存在一定的機(jī)械控制慣性,在指令下達(dá)時不能夠立即執(zhí)行,因此可能在指定的工作期間對于開/關(guān)指令的完成存在時間差,這一時間差被稱為換爐[1]。在換爐期間熱風(fēng)爐會受到冷風(fēng)的影響,需要采取均壓處理,以避免熱風(fēng)的壓力以及流量出現(xiàn)變化,影響輸入高爐內(nèi)的熱風(fēng)質(zhì)量。在均壓處理過程中通常采用廢氣均壓方式來降低廢氣的排放[2]。

1.2 熱風(fēng)爐工藝流程

(1)在燃燒條件下,對燃?xì)庵Ч苤械幕旌蠚怏w與助燃?xì)怏w進(jìn)行適當(dāng)比例的配置,使其充分燃燒,在蓄熱室中形成大量的高溫?zé)煔?這些煙氣通過輻射、對流的形式向爐體中的耐火材料輸送[3]。然后,熱風(fēng)爐由燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)換為燜爐狀態(tài),并根據(jù)閥門命令進(jìn)行操作。

(2)大量的冷空氣會吸收耐火材料表面和內(nèi)部的熱量,使其迅速升溫,形成一股熱風(fēng),在此過程中,通過閥門的作用,熱風(fēng)爐從燜爐狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗惋L(fēng),從而將數(shù)千度的熱量送進(jìn)高爐,以保證后續(xù)工序的要求[4]。

(3)當(dāng)熱風(fēng)能量在傳輸過程中逐漸消耗,其溫度逐漸降低到下限,這時,機(jī)械閥門再次關(guān)閉,熱風(fēng)爐從送風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闋F爐狀態(tài),排出煙氣。

(4)最后,在機(jī)械閥門的作用下,熱風(fēng)爐經(jīng)由換爐轉(zhuǎn)化為燃燒的初始狀態(tài),完成周期性的循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱風(fēng)爐模糊控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在對熱風(fēng)爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計時,采用 AVR系列單片機(jī)為核心,以實現(xiàn)對熱風(fēng)爐溫度的精確控制。本系統(tǒng)采用鉑電阻作為采溫器件,不僅可靠性高,控制效果明顯,而且還具備手動開關(guān)、高溫報警等功能,如果熱風(fēng)爐的溫度超出了其所能承受的極限或者過低,系統(tǒng)會發(fā)出警報,提醒工作人員進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)[5]。然而,由于其運(yùn)算量和內(nèi)存容量的限制,因此,設(shè)計與 PC機(jī)進(jìn)行通信的通信接口,如圖2所示。

圖2 熱風(fēng)爐溫度控制系統(tǒng)同硬件結(jié)構(gòu)

2.1 AVR控制芯片選擇

AVR系列單片機(jī)以RISC為核心,以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸速率和存儲隔離的方法實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)的單獨(dú)訪問[6]。采用ATmega16作為控制芯片,它具有1MIPS/MHZ的數(shù)據(jù)傳輸速率,8位可變成Flash處理器,并具有串行編程接口。同時,由于其內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)換器、 PWM計時計數(shù)等功能,提高了熱風(fēng)爐系統(tǒng)的控溫精度。它的內(nèi)置 I/O接口驅(qū)動功能強(qiáng)大,可以在一定程度上節(jié)省系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用[7]。

2.2 主控電路

本電路由ATmega16單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路組成,ATmega16單片機(jī)具有多種時鐘信號源,可以根據(jù)不同的熔絲位置進(jìn)行選擇。在選擇時鐘信號源時,以石英晶體為時鐘,頻率為8 MHz。為了確保ATmega16單片機(jī)的工作性能,在ATmega16中采用了POR上電復(fù)位電路,增強(qiáng)系統(tǒng)的可操作性[8]。在電路復(fù)位時,由于單片機(jī)的各個處理器都處于初始工作狀態(tài),所以在輸入/輸出寄存器的初始化過程中,為了防止受到外部因素的影響,在復(fù)位的引腳處外加復(fù)位電路按鈕,便于在熱風(fēng)爐溫度控制出現(xiàn)異常情況時進(jìn)行手動處理。

2.3 顯示電路

為了確保對熱風(fēng)爐溫度的實時監(jiān)控,本文選擇了8位LED數(shù)字管作為核心顯示器,實現(xiàn)對熱風(fēng)爐溫度的實時監(jiān)測。能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng),同時降低單片機(jī)輸入輸出接口的占用面積。LED數(shù)字管顯示電路選用MAX7219作為芯片核心,能夠極大的節(jié)約熱風(fēng)爐模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)成本[9]。

2.4 鍵盤接口

在鍵盤接口電路的設(shè)計中,為了盡量減少輸入輸出插頭的占用,選擇特殊按鍵接口電路。根且根據(jù)實際操作條件,選擇ZLG7289為控制芯片,采用串行和單片機(jī)通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,組成64鍵陣,驅(qū)動8位數(shù)碼管。在按鍵被按下時,鍵盤與單片機(jī)之間的連接只需4個 I/O接口,就可以實現(xiàn)從高到低的 INT管腳的切換,便于系統(tǒng)在按下鍵時立即觸發(fā)外部中斷事件,在子程序被破壞時熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)仍可讀出鍵數(shù)值[10-11]。

3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱風(fēng)爐模糊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序工作流程

主程序是整個軟件開發(fā)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它能夠保證軟件的正常工作,其工作任務(wù)就是建立一個初始化的體系結(jié)構(gòu)。它的工作過程是:首先對單片機(jī)、 A/D等部件進(jìn)行初始化,在初始化工作結(jié)束后,開始進(jìn)行溫度探測,實時采集熱風(fēng)爐內(nèi)的溫度,將測量結(jié)果上傳到顯示模塊中,便于操作人員在 LCD中觀察熱風(fēng)爐的工作狀況[12]。操作人員預(yù)先在控制系統(tǒng)中設(shè)置熱風(fēng)爐的溫度區(qū)間,當(dāng)溫度超過熱風(fēng)爐溫度設(shè)計區(qū)間的極限值時,會自動觸發(fā)警報;則利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)熱風(fēng)爐內(nèi)的溫度實時控制,循環(huán)執(zhí)行程序以實現(xiàn)對熱風(fēng)爐溫度控制。

3.2 溫度檢測控制

采用ATmega16微處理器中的T/CO實現(xiàn)了對溫度的測量。在溫度探測程序的設(shè)計中,利用分頻器對單片機(jī)的內(nèi)部時鐘進(jìn)行分頻,并將分頻后的時鐘與定時器進(jìn)行連接,利用分頻器實現(xiàn)了對不同頻率的技術(shù)脈沖信號的采集[13]。在設(shè)計溫度探測軟件時,采用K型熱電偶與MAX6675芯片,將兩者充分融合,實現(xiàn)了將溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,如圖3所示。

圖3 熱風(fēng)爐溫度檢測程序流程

3.3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件

為準(zhǔn)確地提取和監(jiān)測爐溫,采用 LABVIEW虛擬器開發(fā)一體化工具,完成上位計算機(jī)監(jiān)測軟件的研制。在熱風(fēng)爐的溫度控制系統(tǒng)中,當(dāng)計算機(jī)采集到爐溫數(shù)據(jù)時,必須經(jīng)過RS232輸出端。完成采集數(shù)據(jù)后,將采集到的數(shù)據(jù)上傳到顯示界面,然后在軟件界面上進(jìn)行實時的顯示[14]。在此基礎(chǔ)上,將軟件分為數(shù)據(jù)處理顯示、存儲查詢、打印、報警等模塊。其中,數(shù)據(jù)處理部分主要是收集、計算爐溫,完成后,將結(jié)果以曲線形式實時地呈現(xiàn)在面板上,便于熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)操作人員能夠準(zhǔn)確地了解熱風(fēng)爐的工作狀況,為工作原因在優(yōu)化熱風(fēng)爐系統(tǒng)過程中提供參考。打印模塊主要負(fù)責(zé)將溫度的數(shù)據(jù)以報告的形式進(jìn)行打印。報警模塊是保證系統(tǒng)安全的關(guān)鍵,當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時,它會自動發(fā)出警報,便于工作人員及時發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)爐工作故障[15]。

4 現(xiàn)場實際應(yīng)用效果分析

為了檢驗所設(shè)計的 BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定串級控制系統(tǒng)的正確性,并將其應(yīng)用于某熱風(fēng)爐的溫度控制系統(tǒng)。采用優(yōu)化算法,在不改變原有的工藝結(jié)構(gòu)和硬件配置的情況下,實現(xiàn)了熱風(fēng)爐的自動控制,并對流程及關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了實時監(jiān)控。實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn),當(dāng)煤氣閥門保持穩(wěn)定開度狀態(tài)下,煤氣的流量以及壓力之間存在明顯的差異,且隨著時間的增加,差異有縮小的趨勢。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模糊控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度較快,煙道的溫度在拱頂溫度穩(wěn)定前有小幅度的波動,能夠保證熱風(fēng)爐在安全、穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行,使得煤氣閥門以及空氣流量的調(diào)節(jié)實現(xiàn)動態(tài)平衡,熱風(fēng)爐的溫度較為穩(wěn)定,滿足鋼鐵企業(yè)節(jié)能的需要。

5 結(jié) 語

由于熱風(fēng)爐在實際運(yùn)行過程中拱頂?shù)臏囟韧尸F(xiàn)出非線性的變化特征,且存在較多時滯性的特點(diǎn),嚴(yán)重地影響到了高爐煉鐵的效率。本文探究了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對熱風(fēng)爐進(jìn)行模糊控制的自動化系統(tǒng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制應(yīng)用能夠顯著地增強(qiáng)自動化控制系統(tǒng)的抗干擾性,保證其溫度平穩(wěn),有利于提升鋼鐵企業(yè)的資源利用效率。