【正文】 溫預(yù)測(cè)和仿真利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力以及能夠逼近任意的非線性系統(tǒng)的特性，考慮鋼坯的邊界熱流系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、重度等物理參數(shù)都是隨溫度變化的函數(shù)的特點(diǎn)，按加熱爐的分區(qū)采用多個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分段預(yù)測(cè)，以適應(yīng)鋼坯的物理參數(shù)的變化，建立了基于分段BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加熱爐鋼坯溫度預(yù)報(bào)模型，并進(jìn)行了離線仿真。 三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立在進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、每層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)、隱層變換函數(shù)、學(xué)習(xí)速率等方面進(jìn)行考慮。增加隱層數(shù)可以提高訓(xùn)練的精度，但是網(wǎng)絡(luò)會(huì)變得更加復(fù)雜，并且訓(xùn)練時(shí)間會(huì)大大增加，誤差的精度同樣可以通過增加隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)來獲得。為了簡(jiǎn)化模型，本文在一個(gè)隱層可以完成訓(xùn)練和傳遞的前提下，選擇1個(gè)隱層的3層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。本文MATLAB仿真所用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入輸出量的確定對(duì)于被加熱的鋼坯來說，其在時(shí)刻的溫度值取決于時(shí)刻的鋼坯自身溫度及時(shí)刻鋼坯所在位置的爐氣溫度。當(dāng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)時(shí)，鋼坯在時(shí)刻的溫度分布可以表示為[6]： （）其中為時(shí)刻鋼坯的溫度分布，為時(shí)刻鋼坯所在位置的爐氣溫度，由于鋼坯溫度分布是沿爐長(zhǎng)方向滿足一定規(guī)律的，我們所關(guān)心的并不是整塊鋼坯的溫度分布，只是鋼坯上下表面溫度和中心溫度，故不妨?。? （）其中為時(shí)刻鋼坯的溫度分布，為鋼坯的上表面溫度，為鋼坯中心溫度，為鋼坯的下表面溫度。由式（）和（）可以得出：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量為當(dāng)前時(shí)刻的爐氣溫度，鋼坯上下表面溫度以及鋼坯中心溫度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出量為下一時(shí)刻的鋼坯上下表面溫度以及鋼坯中心溫度。為了讓網(wǎng)絡(luò)能夠更好地搜索，加速網(wǎng)絡(luò)的收斂，將樣本進(jìn)行歸一化處理，歸一化的數(shù)據(jù)分布在區(qū)間內(nèi)，將歸一化的數(shù)據(jù)作為BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的樣本。歸一化公式為： （）預(yù)測(cè)值的計(jì)算公式為： ()式中，為歸一化后的樣本值；為觀測(cè)值中的最大值；為觀測(cè)值中的最小值；為觀測(cè)值；為預(yù)測(cè)返回值；為網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層神經(jīng)元的確定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選擇是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，到現(xiàn)在還沒有一個(gè)理論能夠精確給出隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的計(jì)算公式。隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)與輸入輸出單元的多少有直接關(guān)系；網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練精度、容錯(cuò)性要求隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)不能太少；隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)也不能太多，這會(huì)使訓(xùn)練的時(shí)間過長(zhǎng)，誤差也不一定是最小的；本文根據(jù)高大啟所提出的網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式確定了最佳隱層數(shù)，經(jīng)驗(yàn)公式為：，其中：為隱層數(shù)，為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)。由于本文網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為4輸入3輸出，即：，可算出：。建立如下的BP網(wǎng)絡(luò)，其中i=4，j=5，l=3。其中，網(wǎng)絡(luò)的輸入分別是上一時(shí)刻的板坯上、下表面溫度、中心溫度和爐氣溫度，網(wǎng)絡(luò)的輸出是下一時(shí)刻板坯的上、下表面溫度和中心溫度。 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 隱層及輸出層的權(quán)值調(diào)整隱層神經(jīng)元的輸入為所有的輸入加權(quán)之和，即： （）隱層神經(jīng)元的輸出采用函數(shù)激發(fā)，得隱層輸出為： （）輸出層的神經(jīng)元輸出為 （）網(wǎng)絡(luò)輸出與理想輸出之間的誤差為： （）誤差性能指標(biāo)函數(shù)為： ()采用學(xué)習(xí)算法，調(diào)整各層間的權(quán)值，學(xué)習(xí)算法如下： （） （）其中：為學(xué)習(xí)速率。為了避免權(quán)值的學(xué)習(xí)過程中發(fā)生振蕩、收斂速度慢，引入動(dòng)量因子，時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)權(quán)值為： （） （） 仿真研究利用MATLAB語言進(jìn)行仿真。1）不分段網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為4輸入3輸出，隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為5的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。2）分段網(wǎng)絡(luò)按爐區(qū)數(shù)分為5段，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均為4輸入3輸出，隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為5的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中：將上一段BP網(wǎng)絡(luò)的最后輸出值作為下一段網(wǎng)絡(luò)的初始值。本仿真研究的訓(xùn)練樣本為鋼種為Q235的一組黑匣子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先利用黑匣子數(shù)據(jù)的其中一組進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，計(jì)算權(quán)值。再用其它組的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)見附件3，仿真結(jié)果如下：（a） 未分段BP網(wǎng)絡(luò)上表面溫度曲線 （b） 未分段BP網(wǎng)絡(luò)中心溫度曲線（a） 分段BP網(wǎng)絡(luò)上表面溫度曲線（b） 分段BP網(wǎng)絡(luò)中心溫度曲線，橫坐標(biāo)是時(shí)間（min），從入爐時(shí)刻起到出爐時(shí)刻止，每分鐘一次的采樣，實(shí)驗(yàn)坯在爐內(nèi)的總時(shí)間是200min，由于實(shí)驗(yàn)板坯近似在爐內(nèi)做固定節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)，因此，橫坐標(biāo)也和爐長(zhǎng)成線性關(guān)系?？v坐標(biāo)的單位是溫度（℃）。仿真結(jié)果表明：用分段BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)加熱爐內(nèi)鋼坯加熱過程進(jìn)行建模，取得了更好的仿真結(jié)果，模型預(yù)測(cè)最大誤差小于30℃，而不分段BP網(wǎng)絡(luò)的最大誤差小于40℃，分段BP網(wǎng)絡(luò)提高了鋼坯溫度的預(yù)測(cè)精度。第五章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和通訊開發(fā)前三章分別對(duì)加熱爐生產(chǎn)工藝進(jìn)行介紹，對(duì)加熱爐燃燒控制和順序控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)加熱爐鋼坯溫升數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了理論研究，為了實(shí)現(xiàn)上述各項(xiàng)控制功能，將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各個(gè)部件有機(jī)地結(jié)合起來，解決LEVELLEVEL2級(jí)系統(tǒng)以及其它系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，提出了對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的組網(wǎng)方案，構(gòu)建、配置了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。主要包括WINCC監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)，以及PLC與上位機(jī)、PLC與PLC、LEVEL2與LEVEL1系統(tǒng)之間的TCP/IP通信。PROFIBUSDP是目前廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線。它順應(yīng)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，為形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，可以大量減少電纜的鋪設(shè)量，并能在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備和PLC控制器間精確地傳送信號(hào)和控制指令。工業(yè)以太網(wǎng)，是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)()兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是交換技術(shù)和全雙工高速數(shù)據(jù)交換等新技術(shù)的出現(xiàn)，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能，使得早期各種自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)孤島的互相通訊變得簡(jiǎn)單。工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)目前的主流解決方案就是工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合，在過程監(jiān)控和控制器層采用Ethernet，而在實(shí)時(shí)性要求高的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制層采用PROFIBUS總線，通過兩種混合網(wǎng)絡(luò)的靈活使用，完成了對(duì)加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及配置 LEVEL1級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)是一種開放的標(biāo)準(zhǔn)，可以通過各種方式，如OPC，TCP/IP等，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)與過程控制級(jí)（LEVEL2）、MES(企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng))和ERP（企業(yè)資源管理系統(tǒng)）的無縫集成，為企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級(jí)改造預(yù)留通訊接口。本系統(tǒng)在上位機(jī)監(jiān)控級(jí)和控制器層，采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，TCP/IP通訊協(xié)議，完成WINCC軟件對(duì)PLC數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，同時(shí)在順控PLC、儀控PLC，以及軋線PLC之間通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，采用目前非常通用的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，在各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)較集中的區(qū)域，安裝具有PROFIBUS接口的ET200M遠(yuǎn)程分布式I/O站，采集現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)，并通過PROFIBUS總線和I/O映像區(qū)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給CPU，大量減少了控制電纜和信號(hào)電纜的鋪設(shè)量，縮短了施工周期，提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離輸送的精度和可靠性。在PLC控制器和全數(shù)字交流傳動(dòng)裝置間，由于距離遠(yuǎn)，干擾強(qiáng)，因而采用PROFIBUS光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，PLC將控制字和速度指令通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送給變頻器，同時(shí)變頻器將狀態(tài)字和速度反饋值和其它數(shù)據(jù)（如：變頻器輸出電流，輸出電壓等）傳送給PLC，實(shí)現(xiàn)交流傳動(dòng)裝置的啟停和正反轉(zhuǎn)控制，控制精度高，響應(yīng)速度快。上部為工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，完成過程監(jiān)控軟件和PLC、L1服務(wù)器和客戶端以及L1網(wǎng)絡(luò)和L2網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)通訊。下部為PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，完成PLC和ET200M遠(yuǎn)程站，PLC和變頻驅(qū)動(dòng)裝置的通訊。 LEVEL1級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 LEVEL1級(jí)硬件配置根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度的要求，本套控制系統(tǒng)的硬件配置方案如下：⑴ 2臺(tái)CPU各選用SIEMENS公司的S7400系列的CPU4162，在主機(jī)架上還安裝了CP4431以太網(wǎng)通訊模塊。⑵ 遠(yuǎn)程I/O選用SIEMENS公司的ET200M遠(yuǎn)程站。⑶ 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)選用SIEMENS公司的SCALANCE X208工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。⑷ HMI站選用SIEMENS公司的機(jī)架式PC IL43。這種配置的優(yōu)點(diǎn)有：① CPU4162自身集成了一個(gè)MPI接口和一個(gè)PROFIBUS接口，便于和現(xiàn)場(chǎng)ET200M遠(yuǎn)程站和傳動(dòng)裝置通訊，，是S7400系列中的高性能處理器，能滿足大型控制系統(tǒng)的要求。② 以太網(wǎng)通訊模塊便于實(shí)現(xiàn)HMI站和PLC間的TCP/IP通訊，同時(shí)通過軟件編程的方式進(jìn)行順控，儀控，軋機(jī)PLC間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。③ 選用了高可靠性的SIEMENS工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，大大提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。④ 變頻器的控制采用PROFIBUS通訊方式，控制方式靈活，精度高。并在距離遠(yuǎn)，干擾強(qiáng)的區(qū)域采用PROFIBUS光纖網(wǎng)絡(luò)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 LEVEL2級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整個(gè)二級(jí)網(wǎng)絡(luò)全部采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)中L2服務(wù)器是系統(tǒng)的核心，其完成和L1服務(wù)器、軋線L2服務(wù)器、MES通訊服務(wù)器以及L2的客戶端之間的通訊任務(wù)。 LEVEL2級(jí)網(wǎng)絡(luò)通訊方式序號(hào)通訊伙伴1通訊伙伴2通訊方式1L2服務(wù)器軋線L2服務(wù)器TCP/IP SOCKET 靜態(tài)通訊2L2服務(wù)器MES服務(wù)器TCP/IP SOCKET 靜態(tài)通訊3L2服務(wù)器L1服務(wù)器OPC 通訊4L2服務(wù)器L2客戶端共享數(shù)據(jù)庫 通訊 LEVEL2級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 LEVEL2級(jí)硬件配置主要硬件設(shè)備：a) PC服務(wù)器1臺(tái)型號(hào)：DL580G4配置：四核Xeon7120 ，內(nèi)存 4GB，硬盤 2146G，顯示器 TFT 17’’，網(wǎng)卡：3100/1000 Ethernet網(wǎng)卡。b) 工程師站2臺(tái)，操作終端3臺(tái)，采用PC，各臺(tái)配置如下：型號(hào)：DELL 360配置：Pentium4 ，內(nèi)存 1G，硬盤 120G，顯示器 TFT 19’’，網(wǎng)卡：100/1000 Ethernet網(wǎng)卡c) 打印機(jī)A4激光打印機(jī)：1臺(tái)；d) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)8口光纖交換機(jī)，2套； 網(wǎng)絡(luò)通訊電文內(nèi)容 與MES管理計(jì)算機(jī)的通信加熱爐過程控制計(jì)算機(jī)從L3接收下列信息：1) 軋制計(jì)劃信息2) 板坯原始數(shù)據(jù)信息3) 軋制計(jì)劃改變信息4) 原始數(shù)據(jù)刪除信息5) 軋制順序改變信息等加熱爐過程控制計(jì)算機(jī)傳送給L3下列信息：1） 板坯吊銷信息2） 板坯入爐信息3） 板坯出爐信息 與軋線過程計(jì)算機(jī)通信加熱爐過程控制計(jì)算機(jī)接收軋線過程計(jì)算機(jī)下列信息： 粗軋出口溫度實(shí)際值信息 中間坯返回信息 裝爐板坯預(yù)軋制時(shí)間 下一塊板坯出爐信息加熱爐過程控制計(jì)算機(jī)傳送給軋線過程計(jì)算機(jī)下列信息： 裝爐板坯信息 出爐板坯信息 停止出爐信息 板坯吊銷信息等 與基礎(chǔ)自動(dòng)化通信加熱爐過程控制計(jì)算機(jī)傳送給L1下列設(shè)定值或控制信息：1） 板坯核對(duì)設(shè)定信息2） 裝鋼機(jī)設(shè)定信息3） 步進(jìn)梁設(shè)定信息4） 出鋼機(jī)設(shè)定信息5） 加熱爐爐溫設(shè)定信息等加熱爐過程控制計(jì)算機(jī)接收L1下列控制信號(hào)及測(cè)量值信息：1） 板坯長(zhǎng)度2） 板坯入爐溫度3） 加熱爐爐溫4） 燃料流量5） 入爐輥道印象信息6） 出爐輥道印象信息7） 裝鋼機(jī)動(dòng)作完成信息8） 出鋼機(jī)動(dòng)作完成信息。9） 步進(jìn)梁動(dòng)作完成信息。 LEVEL1級(jí)通訊程序的開發(fā) WINCC和PLC以太網(wǎng)通訊開發(fā)加熱爐基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)采用西門子WinCC作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工具，WinCC提供了基于以太網(wǎng)的S7通信驅(qū)動(dòng)程序和對(duì)應(yīng)的通道單元，系統(tǒng)選擇Ethernet通道單元，以此建立和下位PLC的邏輯連接；：WinCC應(yīng)用程序以變量的形式從變量管理器中請(qǐng)求數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)由變量管理器進(jìn)行管理，它的任務(wù)是從PLC中取出所需的變量值，而這個(gè)過程是通過集成在WinCC項(xiàng)目中的通信驅(qū)動(dòng)程序程序來完成，通信驅(qū)動(dòng)程序利用其選擇的通道單元(Ethernet)構(gòu)成WinCC與過程處理之間的接口。 PLC與WinCC以太網(wǎng)通信原理圖。計(jì)算機(jī)側(cè)硬件需要CP1613以太網(wǎng)卡或者普通的以太網(wǎng)卡，而PLC側(cè)則需要CP4431以太網(wǎng)通信處理器，以完成上下位機(jī)的通信鏈接。 PLC與WinCC以太網(wǎng)參數(shù)配置：在TAG MANAGEMENT中找到WINCC自帶的S7通訊協(xié)議，找到TCP/IP通道，建立通道名稱PLC12，在PLC12的參數(shù)配置中輸入CP4431的以太網(wǎng)地址，同時(shí)輸入CPU所在的槽號(hào)，即可建立WINCC和PLC間的通訊。WINCC與PLC間的通訊不需要編寫任何代碼，只需要正確地設(shè)定參數(shù)和配置變量（TAG）的地址即可建立通訊連接。 PLC和PL