自動化系統的製作方法
2023-05-03 09:37:26 2
專利名稱：自動化系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於工業設備的建造及操作的自動化系統，尤其是用於對原材料工業中的單個設備部件或全部設備進行設計、規劃、實施、投入工作、維護及優化的自動化系統，它具有一個以計算機為基礎的主導系統，該主導系統為了對過程進行控制技術性描述採用過程模型，如數學-物理形式的模型、神經網絡模型或基礎知識系統等等。
對工業設施、例如軋鋼廠的效率不斷增長的要求，需要工作及生產過程以最大限度的經濟性、安全性及可靠性來運行。對此已經知道，生產過程已由連續藉助計算機支持的信息流的設計在很大程度上自動化了。在此情況下，尤其對於過程引導及優化由數學-物理過程模型起作用，該模型描述過程並由此可實現工業設施的仿真及調節。
對此使用的主導系統已由DE 19508474A1或DE 19508476A1公知。該以計算機為基礎的主導系統獨立地識別一個工業設施的狀態或在設施中進行的生產過程並產生適合狀態的指示，該指示將保證一種智能化的過程控制。此外將進行持續的過程優化，這時基於預給定的給定值的過程模型藉助於自適應方法、例如神經網絡在線或離線地被改善。
由未預先公開的德國專利申請19624926.0還公知了一種具有設備主導系統的工業設施啟動運行的方法，該主導系統執行非控制功能及控制功能，它的控制功能用形式為數學模型、神經模型或專家系統的過程模型來工作。該公知方法的特徵是，運行啟動被分為非控制功能的運行啟動及控制功能的繼續運行啟動來執行，非控制功能的運行啟動主要是通過現場人員啟動控制功能來實現的，控制功能的運行啟動是通過數據導線由至少一個遠離設備場所、最好由一個技術中心遠程傳輸的數據控制的。
由US-PS 4 783 998還公知了一種發電機的調節方法，其中將在發電機上獲得的測量值遠程傳輸到一個計算機中用於分析和求值。其缺點是，所獲得的測量值僅涉及單個部件、如發電機軸，而未涉及關於發電機整體性能的描述。雖然與此相比藉助於由DE 19508474A1及DE 19508476A1公知的主導系統及由德國專利申請19624926.0公知的一個複雜設備整體過程的優化方法根據模型交錯可以作到，但這是與高成本相關的。對此的原因首先是，為了能由遠程中心分散地進行設備特定的優化，需要專用的傳輸路徑。
本發明的目的在於，對用於工業設備調節及操作的自動化系統進一步改進，它在克服上述缺點的情況下能實現距設備遠程的簡單且成本合理的分散的過程控制及優化。
本發明的目的在一個前言部分所述類型的自動化系統中通過一個或多個彼此聯網的控制點的分散過程控制及優化來實現，其中在充分利用現代公共通信設施的情況下連續地在線或離線地監視或至少按模型檢測過程變化，並且能使過程模型、參數及軟體與專門的設備適配。
這樣構型的一種自動化系統能實現由一個遠離設備的場所進行成本合理的過程控制及優化，其中遠程傳輸數據藉助現有的通信設施傳送到相關的工業設備。因為該數據不僅涉及過程專用參數而且也考慮到過程模型的變化甚或現場的、即相關工業設備處的軟體的變化，因此在改善設備功能的同時使整個工程的成本降低。
根據本發明的另一特徵，設置了一種技術性的遠程啟動運行，以便一方面利用中心計算能力及現代啟動運行工具，另一方面保證該相關設備的技術秘密安全地回用到開發中。為了儘可能實現高時間效率，以有利的方式設置了在線和/或離線的遠程優化。
特殊的優點還在於，設置了硬體及軟體部分，它們通過進化、尤其是遺傳學算法(genetischer Algorithm)來構成。遺傳學算法的應用對於實現極佳的優化提供了高概率。因此合乎要求的是，過程模型藉助演化策略，最好是一種遺傳學程序來優化。尤其是，演化策略也可以根據在整體優化方向上運行的值來檢驗神經網絡。由於高的計算成本，對此還是離線進行為佳。
根據本發明一個有利的改進設計，設置了用於模塊化軟體組件的預定範圍。以此方式能夠作到不用編程工作便可更換軟體組件，以使得設備專用適配及整個自動化系統的長期維護得以保證。合乎目的的還在於，通信設施為電話、ISDN、衛星、或網際網路/內聯網，以便鑑於現有數據導線實現符合需要的靈活性。
根據本發明另一有利特徵，控制點被設計成一個虛擬辦公室。通過現代通信設施的充分利用，以此方式可實現譬如分散的規劃、開發設計及售後服務，再基於聯網保證全球資源的匯合。
根據本發明的一個改進設計，主導系統可設有以下用途的計算裝置用於設備專用參數的適配，用於設備專用結構的過程模型的存儲，用於預計算算法的存儲，用於趨向跟隨的存儲，用於自適應算法的存儲，用於神經網絡模型的訓練和/或優化；而且可設有診斷存儲器，它們可受到通信設施的影響。這提供了這樣的優點可根據遠離裝置一場所處的技術給定值優化工業設備。為此目的進一步建議，控制點是遠離設備的技術中心，它藉助數據遠程傳輸與工業設備的主導系統相連接。
根據本發明的一個優選設計方案，技術中心設有一個內部網，為了與工業設備通信該內部網通過安全數據傳輸裝置與遠程啟動運行網絡和/或運行優化網絡相連接。這樣一種「防火牆」可實現安全工作及防範間諜的侵入。
為了匯集外部專業知識及規劃隊伍，還建議，設置在空間上與技術中心分開的外部場所，它通過數據導線與技術中心形成連接。
在本發明的另一改進方案中設置了一個管理單位，它設有對採集數據求值的軟體並同時適於構成「航海日記」式的指導。以此方式，可以遵循優化措施，由此可以得出用於將來優化措施的邏輯結論。合乎要求的是，在技術中心內的資料庫及一般的設備專用的技術組件中設有技術知識，這些技術知識可傳輸到主導系統的技術組件及數據採集單元中，以致在簡單輸入新數據的情況下，可以保證工業設備整體過程的逐步改善。
合乎要求的還在於，技術中心設有硬體裝置，軟體工具，啟動運行工具，軟體開發工具，軟體演進工具，用於人造神經網絡的訓練工具，及統計求值程序，它們可應用於設備中樞。通過使用設備中樞裝置及工具可以實現通用的自動化系統，設備專用的、即專門開發的裝置及工具僅在其必需時才使用。最後建議，技術中心藉助監視器、計算設備及攝像機構成多位置規劃、設計、啟動運行或工作優化辦公室，其中在直接對話、圖像改變或軟體輸入時可通過語音及電視圖像補充或替代地遠程傳輸。同樣能以此方式及方法構成技術中心的外部場所。在使用人造神經網絡工作時可得到特別有利的效果，其中從訓練數據採集到輸出新參數需要統一的處理。通過技術中心及外部場所的上述構型可以這樣地工作所有參與過程控制及優化的人員好比位於一個地點上，即專門的工業設備現場。
從以下對附圖中表示的優選實施例的說明中可以得到本發明內容的其它細節、特徵及優點，附圖中
圖1為體現本發明自動化系統特徵的組成部分的概要示圖；圖2為一個工業設備過程優化的概要示圖；圖3為一個技術中心的概要示圖；圖4為在技術中心及工業設備之間傳輸數據的概要示圖；及圖5為一個分散的過程控制及優化的概要示圖。
在圖1中概要表示的自動化系統的中心點具有數學-物理過程模型1，它描述一個工業設備的生產過程。因此藉助該數學-物理過程模型1可以實現對設備過程的模擬以及對設備進行機械和電方面的設計。為了改善數學-物理過程模型1的精確度，採用了神經網絡2a、2b，在所儲備的工業設備測量值的基礎上對神經網絡進行訓練。在此情況下神經網絡2a、2b的訓練可根據計算成本離線地(2a)或在線地(2b)進行。此外，神經網絡2a、2b的應用可結合數學-物理過程模型1進行(所謂的相對神經網絡)，或用於技術過程模型的構成，該技術過程迄今一直避免數學-物理的描述(所謂的絕對神經網絡)。尤其當需要識別工業設備的「日常形式」(「Tagesform」)以便使自動化系統對其適配時，可在線訓練的神經網絡2b就起作用了。在此情況下基於在線測得的測量值進行訓練，然後這些測量值匯入參數和/或過程模型的優化。
數學-物理過程模型1對相關工業設備的最佳適配可以通過遺傳學算法3來實現。藉助不同試探解法的隨機變異可以通過該演進算法找到對設備專用過程模型的最佳參數調整。因此相關工業設備技術性的啟動運行可轉移到遠離設備的計算中心，由此使技術性的啟動運行自動化。藉助遺傳學算法對上述參數優化的補充構成了遺傳學程序4。藉助該演進策略可實現過程模型的結構化改善。
對於上述組成部分的基本先決條件是一種合適的軟體建築結構。在此情況下目標定向程序5保證了軟體對不同應用目的的可重複使用性，這時明確的結構及標準接口構成方案管理及結構安排的基礎。此外，應用軟體的可重複使用性除目標定向外還通過一致的模塊化來增強。所謂「框架」6也有助於統一軟體模塊的使用，該框架構成模塊化軟體組件的給定範圍。在最簡單的情況下框架可理解為「軟體櫃」，在其中插著各個軟體組件，使得無需耗費編程工作就能進行軟體組件的更換。以此方式可保證自動化系統的長期維護。
通常一個工業設備的運行啟動可分為四個階段。第一階段由各系統的硬體構成及啟動組成。在其後緊接著進行應用軟體的運行啟動及接口試驗。第三階段是工業設備的試驗，例如在軋鋼設備的情況下為「第一鋼帶」的軋制。第四階段即最後階段構成技術性的啟動運行，它在自動化的範圍內具有重大意義。為了考慮到這樣的情況，該自動化系統將動用一個遠程啟動運行7，這可由一個遠離設備的計算中心通過現代通信設施來實現技術性的啟動運行。除了提供中心的計算容量以及支持開發者外，在此情況下也使工業設備的技術秘密回用到開發中。以此方式，將通過遠程診斷來進行工業設備的長期維護，遠程診斷則以短的響應時間著稱。
為了充分利用全球現有資源，使用了所謂虛擬辦公室8，它藉助現代通信設施相網際網路。該虛擬辦公室例如可實現分散的規劃，開發及售後服務。
具有上述組成部分1至8的自動化系統可從圖2中了解到。構成軋鋼機列9的工業設備設有一個主導系統10，該主導系統包括技術模型11及一個數據採集部分12。軋鋼機列9啟動運行的頭三個階段通過位於現場的啟動運行人員13來實現。而在第四階段進行的技術性啟動運行則通過技術中心14來完成，該技術中心通過現代通信設施15與軋鋼機列9的主導系統10相連接。技術中心14包括設計人員、開發人員、規劃人員及啟動運行人員的過程專用的知識。此外，普通的及設備專用的技術模型16，17，一個用於各種工業設備的資料庫18，及一個用於規劃的設備專用系統19也供技術中心14採用。這樣一種基本設施不僅允許技術性的遠程啟動運行，而且也允許軋鋼機列9的售後服務及維護。在此情況下，啟動運行人員13是一個維護人員。如果出現了故障情況，可通過快速(秒級)接通技術中心14中設有的計算機設施及通過位於技術中心14的專家的介入實現快速故障診斷及排除。由於設有框架6，在此情況可更換軟體組件，而不需要專家組來到軋鋼機列9跟前。
在圖3中以概要方式表示出技術中心14的結構。技術中心14在空間上與外部場所20分開設置，外部場所20通過數據導線與技術中心相連接。此外，技術中心14與維護站21連接，後者掌管區域性維護範圍並充分利用經驗知識。通過現代通信設施15，例如ISDN、數據機、內聯網或網際網路，該技術中心14與各種工業設備22至25相連接。技術中心14具有一個內部辦公網絡26，它通過一個防火牆(Firewall)27與遠程啟動運行網絡28相連接。辦公網絡26及遠程啟動運行網絡28分別由多個計算機29組成，它們例如通過乙太網用鉸接連接線對彼此連接。防火牆27具有一個監測站30，用於防止從外部對內部辦公網26進行未授權的訪問。
圖4中表示遠程啟動運行網絡28通過一個ISDN數據導線與一個工業設備的主導系統10連接。藉助所謂路由器(Router)31在主導系統10及遠程啟動運行網絡28之間自動建立最佳連接，以便實現譬如啟動運行人員13與技術中心14之間的對話。這種連接可以有規律地安排，也可以根據一周日期或每日時間變化。
藉助上述的自動化系統可以匯集世界範圍內的資源，如從圖5中看到的那樣。在此情況下，使用現代通信設施，例如ISDN可以建立全球性的、與時間及地點無關的過程控制及優化的前提。對此也利用虛擬辦公室8的裝置，以此例如來對規劃、設計開發或售後服務方面提供保證。
權利要求
1.一種用於工業設備(22至25)的建造及操作的自動化系統，尤其是用於對原材料工業中的單個設備部件或全部設備進行設計、規劃、實施、啟動運行、維護及優化的自動化系統，它具有一個以計算機為基礎的主導系統(10)，該主導系統為了對過程進行控制技術性的描述，動用過程模型，如數學-物理形式的模型(1)、神經網絡模型(2a、2b)或基礎知識系統，其特徵在於通過一個或多個彼此聯網的控制點(8、14、20)進行分散的過程控制及優化，其中在利用現代公共通信設施(15)的情況下連續地在線或離線地監視過程變化或至少用模型進行檢驗，並且能使過程模型(1)、參數及軟體專門與設備適配。
2.根據權利要求1所述的自動化系統，其特徵在於設有一個技術性遠程啟動運行部分(7)。
3.根據權利要求1或2所述的自動化系統，其特徵在於設有一個在線和/或離線的遠程優化部分。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的自動化系統，其特徵在於設有硬體及軟體組件，它們可通過演進、尤其是遺傳學算法(3)優化地構成。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的自動化系統，其特徵在於可藉助一個演進策略、最好是遺傳學程序(4)對過程模型(1)進行優化。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的自動化系統，其特徵在於設有用於模塊化軟體組件的預定框架(6)。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的自動化系統，其特徵在於通信設施(15)為電話、ISDN、衛星、或網際網路/內聯網。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的自動化系統，其特徵在於控制場所(14)被設計成虛擬辦公室(8)。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的自動化系統，其特徵在於主導系統(10)可設有以下用途的計算裝置(29)用於設備專用參數的適配，用於設備專用結構的過程模型(1)的存儲，用於預計算算法的存儲，用於趨向跟隨的存儲，用於自適應算法的存儲，用於神經網絡模型(2a、2b)的訓練和/或優化；以及可設有診斷存儲器(11、12)，它們可受到通信設施(15)的影響。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的自動化系統，其特徵在於控制場所是一個遠離設備的技術中心(14)，它藉助數據遠程傳輸(15)與一個工業設備(22至25)的主導系統(10)形成連接。
11.根據權利要求10所述的自動化系統，其特徵在於技術中心(14)具有一個內部網(26)，為了與工業設備(22至25)通信，該內部網通過安全數據傳輸裝置(27)與遠程啟動運行網絡(28)和/或運行優化網絡連接。
12.根據權利要求10或11所述的自動化系統，其特徵在於對技術中心(14)配置在空間上與其分開的外部場所(20)，後者通過數據導線(15)與前者形成連接。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的自動化系統，其特徵在於設有一個管理單位，它具有用於採集數據的求值軟體並同時適於構成「航海日記」式的控制。
14.根據權利要求10至13中任一項所述的自動化系統，其特徵在於在技術中心(14)中具有在資料庫(18)中的技術知識及在普通和設備專用的技術組件(16、17)中的技術知識，這些技術知識可傳輸到主導系統(10)的技術組件(11)和數據採集單元(12)中。
15.根據權利要求10至14中任一項所述的自動化系統，其特徵在於技術中心(14)具有硬體裝置，軟體工具，啟動運行工具，軟體開發工具，軟體演進工具，用於人造神經網絡(2a，2b)的訓練工具及統計求值程序，它們可應用於設備中樞。
16.根據權利要求10至15中任一項所述的自動化系統，其特徵在於技術中心(14)藉助監視器、計算裝置(29)及攝像機構成多位置規劃、設計、啟動運行或工作優化辦公室，其中在直接對話、圖像改變或軟體輸入時可通過語音及電視圖像補充或替代地進行遠程傳輸。
全文摘要
一種用於工業設備(22至25)的建造及操作的自動化系統,尤其是用於對原材科工業中的單個設備部件或全部設備進行設計、規劃、實施、投入運行、維護及優化的自動化系統,它具有一個以計算機為基礎的主導系統(10),該主導系統為了對過程進行控制技術性的描述動用過程模型,如數學－物理模型(1),神經網絡模型(2a、2b)或基礎知識系統,為了作如下改進,使得在遠離設備的地點上實現簡單及成本合理的分散式過程控制及優化;本發明建議:通過一個或多個彼此聯網的控制點(9、14、20)進行分散的過程控制及優化,其中在利用現代公共通信設施(15)的情況下連續地在線或離線地監視過程變化或至少用模型進行檢驗,使過程模型(1)、參數及軟體與專門的設備適配。
文檔編號G05B17/00GK1255208SQ98804847
公開日2000年5月31日 申請日期1998年4月2日 優先權日1997年4月14日
發明者岡特·佐爾格, 託馬斯·海姆克, 奧託·格拉姆科 申請人:西門子公司