實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺及方法
2023-04-25 01:50:36 1
實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺及方法
【專利摘要】一種實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺及方法，該平臺包括：過程控制級、基礎自動化級和設備仿真級；過程控制級通過乙太網連接基礎自動化級；基礎自動化級通過硬接線連接設備仿真級；過程控制級和基礎自動化級，在硬體和軟體的配置上均與工業現場保持一致。本發明採用實物與仿真模型相結合的方法，與實驗軋機相比，節省了大量設備投入的情況下，兼顧了追求現場實際控制系統得以再現的目標；與純粹計算機軟體仿真相比，增加了工業過程控制中不可或缺的實時控制層，使之更加近似於工業現場的控制結構；同時，控制系統與仿真軋制設備之間採用硬接線的方式進行連接，在非工業現場直接再現實際工業現場的通訊連接方式。
【專利說明】實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於金屬軋制過程自動化仿真實驗領域，具體涉及一種實驗用金屬軋制過 程自動控制硬體在環仿真平臺及方法。
【背景技術】
[0002] 金屬的軋制過程是典型的流程工業軋制過程，具有複雜、高速、多變量、時變等特 點，通常在軋機投入軋制運行之前都需要進行大量的調試工作；同時，儘管軋機控制系統的 基礎設備在技術上已經成熟，基本的軋制自動化已經實現，但其中還有很多理論和實際課 題等待研究解決，要對這些問題加以解決，同樣需要進行大量基於軋制設備的實際測試工 作。而在實際情況中，金屬軋制過程由於設備、加工材料和成本等因素，在線進行有關軋制 過程的試驗研究具有很大風險性，而建設完全真實的實驗系統，則生產線部分對建設場地、 實驗材料、投入成本等又提出很高要求，甚至難以實現。
[0003] 隨著計算機仿真技術的出現，為解決上述矛盾提供了嶄新的方法。通過建立相應 的仿真系統並在仿真系統上進行試驗研究具有低成本、零風險的特點。目前，金屬軋制過程 的仿真和模擬有以下兩種方法：
[0004] (1)實驗軋機
[0005] 其特徵是控制系統仿照實際工業系統控制實驗軋機，這樣做控制系統真實性較 高，實驗軋機根據實際軋機按照一定比例縮小，因為有大量實體設備，所以建設周期長，投 入資金多，佔地規模大，日常維護難。
[0006] (2)計算機軟體仿真
[0007] 其特徵是採用純粹的計算機軟體進行仿真，省略實驗軋機和實時控制系統中的硬 件設備，忽略實際軋制過程中大量的邏輯控制，不關心工業現場軋制過程控制系統的具體 實現，只仿真軋制設備的輸出結果等。與工業現場的實際情況區別較大，難以起到"仿真"或 "模擬"的目的。
【發明內容】
[0008] 針對現有技術存在的不足，本發明提供一種實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在 環仿真平臺及方法。
[0009] 本發明的技術方案：
[0010] 一種實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺，該平臺包括：過程控制級、 基礎自動化級；所述過程控制級用於實現金屬軋制過程數據的設定、對金屬軋制過程的控 制和優化；所述基礎自動化級用於實現金屬軋制過程各種工藝控制系統的綜合設計及邏輯 控制；所述過程控制級通過乙太網連接基礎自動化級；該平臺還包括設備仿真級；
[0011] 所述設備仿真級，用於建立多個軋制設備的仿真模型、乳件的仿真模型和資料庫， 並運行所述仿真模型模擬現場的軋制過程；所述資料庫用於存儲現場的軋制設備參數和軋 制過程數據；
[0012] 所述基礎自動化級通過硬接線連接設備仿真級；
[0013] 所述過程控制級和基礎自動化級，在硬體和軟體的配置上均與工業現場保持一 致。
[0014] 所述設備仿真級，根據不同軋制設備的參數建立對應的不同軋制設備的仿真模 型。
[0015] 採用所述的實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺模擬金屬軋制過程 自動控制方法，包括如下步驟：
[0016] 首先，分別獲取工業現場中軋制設備參數和軋制過程數據；分別對工業現場中的 軋制設備和軋件建立仿真模型，並運行所述仿真模型開始模擬軋制過程；將模擬軋制過程 的實時數據通過硬接線傳送至基礎自動化級；基礎自動化級根據接收到的模擬軋制過程的 實時數據和從過程控制級接收的控制指令對模擬軋制過程進行控制，同時，將所述的模擬 軋制過程的實時數據傳送至過程控制級；過程控制級根據接收到的模擬軋制過程的實時數 據，對軋制過程的自動控制進行優化，得到最優的控制策略，並將對應的控制指令傳送至基 礎自動化級；最後，基礎自動化級根據該控制指令通過硬接線對模擬軋制過程進行控制。
[0017] 有益效果：本發明的實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺與現有技術 相比較有以下優勢：
[0018] 本發明採用實物與仿真模型相結合的方法，為研究人員提供了一個面向金屬軋制 過程的高級控制算法設計和控制系統設計的平臺，與實驗軋機相比，在節省大量設備投入 的情況下，兼顧了追求現場實際控制系統得以再現的目標，且由於減少軋制設備的直接投 入而節約了設備投入成本；與純粹計算機軟體仿真相比，增加了工業過程控制中不可或缺 的實時控制層，使之更加近似於工業現場的控制結構；同時，控制系統與仿真軋制設備之間 採用硬接線的方式進行連接，這與工業現場的控制系統與實際軋制設備的連接方式一致， 在非工業現場直接再現實際工業現場的通訊連接方式，從而可以進行原本需要在工業現場 完成的調試工作，可以大大減少工業現場的調試工作，經過如上實驗和改進的控制系統幾 乎稍加改動就可以直接移植到現場。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明一種實施方式的實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺 的硬體結構示意圖；
[0020] 圖2為本發明一種實施方式的實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺 所應用的軟體結構示意圖；
[0021] 圖3為本發明一種實施方式的軋制設備機理模型生成過程示意圖；
[0022] 圖4為本發明一種實施方式的卷取機轉速實時監控圖；
[0023] 圖5為本發明一種實施方式的金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真方法的流程 圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖對本發明的一種實施方式作進一步詳細的說明。
[0025] 本實施方式的實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺，如圖1所示，包 括：過程控制級L2、基礎自動化級L1和設備仿真級LO ;所述過程控制級L2與基礎自動化 級L1通過乙太網與現場總線相連，所述的基礎自動化級L1通過硬連接線連接到設備仿真 級L0。
[0026] 本實施方式的過程控制級L2,包括工程師站、操作終端、過程優化計算機、便攜計 算機和印表機；本平臺採用的主要硬體的型號如表1所示，其中，工程師站、操作終端和過 程優化計算機均採用型號為戴爾A4600K的臺式計算機，便攜計算機採用聯想E430筆記本 電腦，印表機採用惠普5100se印表機。在以上設備中，工程師站的操作安全級別要高於操 作終端，主要用於有一定權限的工程師對一些模型、工藝參數的修改；而操作終端只用於監 視系統的運行情況，並能夠對數據進行一些加工和處理；過程優化計算機主要是用來運行 一些工藝參數的計算模型同時對軋制過程進行優化；便攜計算機的功能相當於工程師站， 主要是用來作為特定階段的調試時使用；5100se印表機主要用來列印一些必要的報表和 過程數據。最終過程控制級L2通過乙太網將設計的模型和參數傳輸給基礎自動化級L1同 時將基礎自動化級L1的數據進行採集、顯示和列印。
[0027] 本實施方式的基礎自動化級L1，包括兩個裝入實時控制程序的PLC工業控制器， HMI人機互動界面以及手動操作臺；其中，PLC工業控制器通過SM500通訊模塊與設備仿真 級L0的IPC-610工控機端的通訊板卡連接，用於實現各種工藝控制系統的綜合設計及邏輯 控制，所述各種工藝控制系統既包括速度控制系統、張力控制系統、厚度控制系統、板形控 制系統等，也包括各種控制系統之間的協調、補償、解耦、綜合等，還包括數據的採集、執行 機構的控制，以及各種輔助控制功能；HMI人機互動界面用來顯示實時控制過程的一些關 鍵數據、曲線、圖形等，實現軋制過程的實時監測和數據可視化；操作臺主要用於模擬現場 的一些人為幹預的情況，由操作人員根據軋制過程的工作情況，進行適當的人工補償。
[0028] 本實施方式的基礎自動化級L1通過硬接線連接設備仿真級L0,如前所述的PLC工 業控制器通過SM500通訊模塊與設備仿真級L0的IPC-610工控機端的通訊板卡連接；所述 硬接線方式指的是與軋機現場的接線方式一致。技術人員在設備仿真級L0中完成對真實 軋機的仿真之後，將工業現場基礎自動化級L1與設備仿真級L0採用硬接線的方式進行連 接後，即可進行原本需要在工業現場完成的調試工作，可以大大減少工業現場的調試工作； 進而，在連接設備仿真級L0完成調試工作之後，整個金屬軋制過程自動控制系統可以基本 不加調試，直接連接到現場真實的軋機設備上，從而大大節省了設備的投運成本。
[0029] 本實施方式中，設備仿真級L0包括兩個研華IPC-610工控機和一個資料庫計算 機，其中每個IPC-610工控機通過PCI-1716L數據採集卡採集基礎自動化級L1發出的控制 信號，然後通過每個IPC-610工控機中安裝的PCI-1723模擬量輸出卡向PLC發送軋機的工 作數據。
[0030] 表1實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺中主要硬體的型號
[0031]
【權利要求】
1. 一種實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺，該平臺包括：過程控制級、 基礎自動化級；所述過程控制級用於實現金屬軋制過程數據的設定、對金屬軋制過程的控 制和優化；所述基礎自動化級用於實現金屬軋制過程各種工藝控制系統的綜合設計及邏輯 控制；所述過程控制級通過乙太網連接基礎自動化級；其特徵在於：該平臺還包括設備仿 真級； 所述設備仿真級，用於建立多個軋制設備的仿真模型、乳件的仿真模型和資料庫，並運 行所述仿真模型模擬現場的軋制過程；所述資料庫用於存儲現場的軋制設備參數和軋制過 程數據； 所述基礎自動化級通過硬接線連接設備仿真級； 所述過程控制級和基礎自動化級，在硬體和軟體的配置上均與工業現場保持一致。
2. 根據權利要求1所述的實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺，其特徵在 於：所述設備仿真級，根據不同軋制設備的參數建立對應的不同軋制設備的仿真模型。
3. 採用權利要求1所述的實驗用金屬軋制過程自動控制硬體在環仿真平臺模擬金屬 軋制過程自動控制方法，包括如下步驟： 首先，分別獲取工業現場中軋制設備參數和軋制過程數據；分別對工業現場中的軋制 設備和軋件建立仿真模型，並運行所述仿真模型開始模擬軋制過程；將模擬軋制過程的實 時數據通過硬接線傳送至基礎自動化級；基礎自動化級根據接收到的模擬軋制過程的實時 數據和從過程控制級接收的控制指令對模擬軋制過程進行控制，同時，將所述的模擬軋制 過程的實時數據傳送至過程控制級；過程控制級根據接收到的模擬軋制過程的實時數據， 對軋制過程的自動控制進行優化，得到最優的控制策略，並將對應的控制指令傳送至基礎 自動化級；最後，基礎自動化級根據該控制指令通過硬接線對模擬軋制過程進行控制。
【文檔編號】G05B17/02GK104267613SQ201410468821
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】譚樹彬, 劉建昌, 焦璽曉, 於曉飛, 於霞 申請人:東北大學