應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬加工溫度控制的思考

張葵，張曉東，鄧鵬，何紹飛

（唐山鑫聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰?，河北 唐山 063200）

0 引言

溫度是工業(yè)工藝技術(shù)中最為關(guān)鍵的影響因素，合理地控制溫度可以提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。高質(zhì)量的有色金屬在冶金過程中會(huì)受到溫度因素的影響，質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)。大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)超高精度的溫控系統(tǒng)，讓有色金屬加工工作穩(wěn)定運(yùn)行，解決溫度偏差問題。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)建立溫度控制智能決策模型，可以更好地判斷有色金屬冶金過程中的溫度變化，及時(shí)調(diào)整溫度，進(jìn)一步加強(qiáng)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效果，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)階段重點(diǎn)。在現(xiàn)行的智能化、自動(dòng)化控制基礎(chǔ)上，融入大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以最大程度彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制技術(shù)中的不足，提高控制效果，逐漸降低成本，實(shí)現(xiàn)綠色化生產(chǎn)。

1 應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的有色金屬加工發(fā)展方向

大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高有色金屬加工工藝的智能化、信息化、數(shù)字化，確保加工工作高效、穩(wěn)定，工作質(zhì)量也可以得到保證。從溫度控制角度來看，這種參數(shù)指標(biāo)本身控制難度較高，在大數(shù)據(jù)技術(shù)的輔助下，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化、實(shí)時(shí)化、科學(xué)化管理，實(shí)現(xiàn)預(yù)先控制[1]。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用可以讓技術(shù)人員通過分析了解其他方面基礎(chǔ)信息情況完成對(duì)溫度變化走向的預(yù)判，有效避免事故發(fā)生、快速處理事故、保證有色金屬加工工藝穩(wěn)定進(jìn)行。簡言之，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，可以讓有色金屬加工得到可持續(xù)發(fā)展，為相關(guān)企業(yè)創(chuàng)造出更大的效益，尤其是在溫度控制這一關(guān)鍵性環(huán)節(jié)中，大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用尤其重要。工業(yè)工藝不斷改革發(fā)展，不僅是朝著智能化、智慧化的方向發(fā)展，從有色金屬加工角度來看，溫控性能、溫控需求需要根據(jù)環(huán)境的變化而改變，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用其中能夠讓應(yīng)用性、穩(wěn)定性得到進(jìn)一步增強(qiáng)。過高的溫度可能會(huì)影響有色金屬加工的最終質(zhì)量，尤其是金屬元素的提純度，打造出高質(zhì)量的溫控系統(tǒng)，保證生產(chǎn)工藝的溫控性能，是未來一段時(shí)間的重點(diǎn)內(nèi)容[2]。

2 應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的有色金屬加工溫度控制原理

從過往的有色金屬加工溫度控制工作經(jīng)驗(yàn)來看，溫度控制理念以線性控制為主，通過分析比例、積分等其他數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所謂剝離指的是溫度控制的比例系數(shù)；積分則指的是溫控微分常數(shù)，通過具體的計(jì)算分析，得到溫控輸出數(shù)值，完成控制。但從實(shí)際調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，這一傳統(tǒng)得到溫度控制技術(shù)手段，反應(yīng)速率較慢、反應(yīng)準(zhǔn)確性較低，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，也威脅到有色金屬加工流程的穩(wěn)定性。造成上述問題的主要原因在于傳統(tǒng)有色金屬加工溫度控制過程中，僅針對(duì)單一變量進(jìn)行監(jiān)控，其中存在一定的誤差，繼而導(dǎo)致溫度控制的過渡流程煩瑣、復(fù)雜，處理時(shí)間較長，造成的負(fù)面影響較大，控制系統(tǒng)的整體功能很難得到保證。最為關(guān)鍵的是，在傳統(tǒng)的控制管理工作中，工作參數(shù)數(shù)據(jù)有限，缺少數(shù)據(jù)分析能力，導(dǎo)致控制工作缺少具體的判斷，數(shù)據(jù)和信號(hào)之間的轉(zhuǎn)變難度較大。新時(shí)期，高質(zhì)量的溫度控制應(yīng)該建立在海量溫度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度參數(shù)的靈活控制。不僅如此，溫度控制指標(biāo)工作建立在多種不同參數(shù)數(shù)據(jù)的分析之上，想要保證控制效果，還需要對(duì)其他參數(shù)或指標(biāo)進(jìn)行收集，以最大限度降低溫度控制誤動(dòng)問題。另外，傳統(tǒng)的溫度控制設(shè)備功能有限，在預(yù)告、報(bào)警等方面都無法實(shí)現(xiàn)，新時(shí)期，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)溫度控制，還能夠打造出預(yù)警系統(tǒng)，落實(shí)智能巡檢工作，為后續(xù)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。不僅如此，大數(shù)據(jù)技術(shù)融入后，借助遠(yuǎn)程移動(dòng)通訊設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，及時(shí)處理溫度異常問題，配合智能巡檢工作，明確有色金屬加工過程中產(chǎn)生的參數(shù)數(shù)據(jù)，包括但不限于：工作量、狀態(tài)日?qǐng)?bào)、運(yùn)行參數(shù)等，上述數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集層進(jìn)入數(shù)據(jù)處理層，結(jié)合相應(yīng)的大數(shù)據(jù)計(jì)算分析功能，更好地了解智能終端狀態(tài)，靈活性、安全性、易用性都得到了不同程度的保證[3]。

3 應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的有色金屬加工溫度控制實(shí)現(xiàn)

有色金屬加工本身較為復(fù)雜，需要工作人員充分認(rèn)識(shí)到不同金屬材料的變形規(guī)律，并展開系統(tǒng)的熱處理，遵循科學(xué)的程序完成加工，不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量，全面優(yōu)化管理系統(tǒng)。

3.1 溫度控制算法

大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)，讓工業(yè)生產(chǎn)控制自動(dòng)化、智能化水平得到提高，從有色金屬加工工作來看，溫度控制最為關(guān)鍵，將大數(shù)據(jù)技術(shù)引入其中，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法配合具體的加工手段，能夠讓最終的產(chǎn)品質(zhì)量得到根本上的保證。從綜合情況來看，大數(shù)據(jù)技術(shù)的投入可以和其他溫控方案實(shí)現(xiàn)高效互補(bǔ)，切實(shí)提高溫控的適應(yīng)性，確保溫控效果?？梢砸雽＜铱刂品椒?，借助模糊PID溫度控制器實(shí)現(xiàn)溫度控制，在實(shí)際發(fā)展過程中，利用專家控制可以更加精準(zhǔn)管理溫度，保證精度，降低誤差。在實(shí)際運(yùn)行過程中利用專家知識(shí)完成對(duì)系統(tǒng)的控制和優(yōu)化，根據(jù)有色金屬加工過程中產(chǎn)生的數(shù)值以及溫度控制需求進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，一旦溫度數(shù)據(jù)參數(shù)出現(xiàn)變化，立即對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，配合其他溫控技術(shù)，確保有色金屬加工工序穩(wěn)定落實(shí)。在加工期間，有色金屬會(huì)受到多方面因素的影響，出現(xiàn)諸多不同的問題，想要實(shí)現(xiàn)輸出值的管控，就需要一個(gè)合理的溫度控制算法。結(jié)合過往的溫度控制經(jīng)驗(yàn)，選擇了雙變量輸入方法，確定具體的單輸出控制值，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入差值和輸入差分值的控制。從有色金屬加工特殊性來看，其中還存在諸多問題，作為一種動(dòng)態(tài)參數(shù)，溫度控制難度較大，在利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度控制中需要充分了解溫度對(duì)象的特性，包括放大系數(shù)、滯后時(shí)間、時(shí)間常數(shù)，從而制定出相應(yīng)的升溫控制算法。在設(shè)計(jì)算法的過程中需要考慮到過往的加工經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)專業(yè)知識(shí)，得到溫度和加熱功率之間的關(guān)系公式，就可以完成算法設(shè)計(jì)。公式（2）作為功率公式，其中k值格外關(guān)鍵，需要工作人員根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)以及具體的理論推導(dǎo)得到函數(shù)關(guān)系值，設(shè)定最高溫度結(jié)合實(shí)際溫度，完成對(duì)溫度的控制，而f為功率參數(shù)。但需要注意的是，這種模糊PID技術(shù)還存在一定的問題，尤其是穩(wěn)態(tài)誤差問題，無法完全滿足溫度控制技術(shù)需求，但從整體應(yīng)用情況來看，在這一技術(shù)算法得到應(yīng)用后，性能指標(biāo)得到提高，控制時(shí)間縮短，在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要配合其他多元化的控制技術(shù)完成相應(yīng)的溫度控制[1]。圖1為模糊PID控制器的復(fù)合仿真控制曲線。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是大數(shù)據(jù)視域下有色金屬加工中溫度控制技術(shù)的核心關(guān)鍵，主要是借助云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以此廣泛全面地收集數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)得到全面落實(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、實(shí)時(shí)化生產(chǎn)。想要在大數(shù)據(jù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高有色金屬加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)綠色化生產(chǎn)，就要打造出智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用定時(shí)定點(diǎn)的方式，針對(duì)重點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常也會(huì)及時(shí)推動(dòng)給相關(guān)工作人員[2]。在這種數(shù)據(jù)采集通信軟件運(yùn)行中所得到的數(shù)據(jù)會(huì)被保存在數(shù)據(jù)庫中，工作人員可以通過登錄系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫對(duì)有色金屬加工的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全面了解。在這一過程中，配合有色金屬加工智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控，并且對(duì)加工異常情況進(jìn)行處理。作為有色金屬加工中最為關(guān)鍵的參數(shù)控制指標(biāo)，在對(duì)溫度進(jìn)行控制的過程中，不僅需要明確具體的算法，還需要了解到相應(yīng)工作內(nèi)容情況，結(jié)合實(shí)際情況開發(fā)軟件。在進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集過程中，還需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作，因此除了常規(guī)的傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之外，還要設(shè)計(jì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，確保采集得到的溫度數(shù)值可以轉(zhuǎn)換為可以在上位機(jī)監(jiān)控軟件上顯示的模擬量數(shù)值，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的有效聯(lián)動(dòng)。從軟件本身的程序來講，上位機(jī)、下位機(jī)之間要實(shí)現(xiàn)高效聯(lián)動(dòng)，包括溫度變化曲線、實(shí)時(shí)溫度值、歷史數(shù)據(jù)查詢等不同的功能，確保溫度得到合理控制。

3.3 控制程序

在完成數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)具體的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此最大程度保證控制效果。借助STEP7 V5.5完成了對(duì)程序的編寫，在實(shí)際運(yùn)行過程中，溫度信號(hào)被PLC端口接收，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變成可識(shí)別的信號(hào)，然后利用PLC技術(shù)和上位機(jī)的溫度設(shè)計(jì)值發(fā)出控制信號(hào)。其中，模糊PID控制器是最為關(guān)鍵的存在。從PLC技術(shù)入手，在加熱爐啟動(dòng)后如果達(dá)到最高溫度，則無須升溫，進(jìn)入加熱保溫環(huán)節(jié)，直到保溫時(shí)間后切除PID控制，如果沒有達(dá)到最高溫度則進(jìn)行加熱。從邏輯控制來看，經(jīng)過信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換完成溫度顯示，在和上位機(jī)通信的過程中計(jì)算得到具體的偏差，實(shí)現(xiàn)全功率加熱，根據(jù)具體的計(jì)算結(jié)果選擇利用PID控制或者模糊控制，實(shí)現(xiàn)控制器輸出。數(shù)據(jù)通信是溫度控制中最為關(guān)鍵的部分，不僅需要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，還要實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化控制。從目前的情況來看有MPI方式、工業(yè)以太網(wǎng)方式、Profibus方式等，具體的通信方式可以結(jié)合系統(tǒng)的通訊發(fā)展需求，完成對(duì)通信方式的分析。以MPI方式為例，這種通訊方式相對(duì)便捷，傳輸效率較高，從實(shí)際仿真情況來看，效果較優(yōu)，能夠搭建形成溫度監(jiān)控模型，監(jiān)控效果突出，無論是穩(wěn)定性還是控制精度均得到了不同程度的提高。

3.4 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

要讓有色金屬加工溫控技術(shù)得到更好落實(shí)，不僅要利用PLC技術(shù)，也要考慮應(yīng)用DSC技術(shù)。在實(shí)際安裝設(shè)計(jì)的過程中，借助壓力傳感器、溫度傳感器，可以對(duì)有色金屬加工過程中產(chǎn)生的水壓變化和溫度變化進(jìn)行系統(tǒng)分析[3]。從過往的運(yùn)行情況來看，冷卻水在有色金屬加工過程中會(huì)對(duì)溫度產(chǎn)生直接的影響，想要高效率地控制溫度就要對(duì)冷卻水水壓進(jìn)行控制。配合DSC技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠具象化地表現(xiàn)出溫控情況，工作人員也可以及時(shí)地了解溫度參數(shù)指標(biāo)變化，并且根據(jù)冷卻水水壓參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判，配合預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。根據(jù)有色金屬加工原理來看，在實(shí)際運(yùn)行的過程中，風(fēng)機(jī)和冷卻水泵均處于工作狀態(tài)，想要保證溫度控制質(zhì)量，可以對(duì)這兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，還可以借助制冷劑，科學(xué)控制冷卻水流量，以此有效降低能耗。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用后比例調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)等技能應(yīng)用后，會(huì)出現(xiàn)成熟的控制策略，不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還能夠?qū)崿F(xiàn)綜合性的監(jiān)測(cè)行駛，調(diào)節(jié)速度較優(yōu)，能耗較低。從目前來看，有色金屬在加工過程中，借助模糊PID控制器，切實(shí)減少生產(chǎn)階段溫度變化，實(shí)現(xiàn)全生命周期的管理控制。這一技術(shù)手段還可以拓展應(yīng)用到其他不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中[4]。

3.5 仿真實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述控制技術(shù)、控制系統(tǒng)，明確這一系統(tǒng)本身的應(yīng)用性、穩(wěn)定性，選擇了某有色金屬加工設(shè)備進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，模糊PID控制器在實(shí)際應(yīng)用中可以有效管控偏差，讓溫度在合理范圍內(nèi)，并且實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的自主選擇，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間恒溫控制。系統(tǒng)可以迅速開展溫度調(diào)控，切實(shí)減少溫度變化。不僅如此，其本身具有的報(bào)表功能，可以將收集得到的溫度數(shù)據(jù)按照不同的表格文件格式輸出，技術(shù)人員可以根據(jù)自身需求，完成對(duì)圖片、表格的控制，確?？刂菩Ч涂刂瀑|(zhì)量，有效降低能耗。從目前來看，這一溫控技術(shù)效果突出，功能豐富，未來還需要根據(jù)溫控的諸多條件，展開具體的設(shè)計(jì)，以此確保溫控本身的效果，讓有色金屬加工工作得到全面落實(shí)，為后續(xù)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。有色金屬加工溫度控制工作的開展涉及編程、控制等多方面工作，在大數(shù)據(jù)技術(shù)下，這一溫度控制能力也會(huì)得到進(jìn)一步提高，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的引入，可以讓溫度控制的實(shí)際效果得到增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、高質(zhì)量、高精密度的控制，最大程度解決溫度控制需求，便捷高效地完成數(shù)據(jù)采集工作。但需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用過程中需要對(duì)具體的軟件硬件設(shè)備進(jìn)行選擇，從而確保應(yīng)用效果和應(yīng)用質(zhì)量[4]。從實(shí)際仿真數(shù)據(jù)來看，這種溫度控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)防性控制，如果出現(xiàn)溫度異常，還可以分析異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，更好地輔助工作人員進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，讓整個(gè)生產(chǎn)流程得到優(yōu)化。

4 結(jié)語

PLC技術(shù)、DSC技術(shù)、PID技術(shù)是有色金屬加工工藝技術(shù)中必不可少的技術(shù)，在控制溫度這一指標(biāo)參數(shù)的過程中，還需要充分考慮到工藝流程，對(duì)上述幾個(gè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在大數(shù)據(jù)視域下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、動(dòng)態(tài)專家控制技術(shù)、模糊PID混合技術(shù)的應(yīng)用，都可以進(jìn)一步提高溫度控制效果，實(shí)現(xiàn)溫度這一參數(shù)指標(biāo)的合理管控，讓有色金屬的加工質(zhì)量得到提高。