一种基于云端虚拟化的烧结偏析布料先进控制实验系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于云端虚拟化的烧结偏析布料先进控制实验系统，属于先进制造领域。包括底层数据模拟层：相当于实际工业对象，通过数模转换机箱模拟现场的各种模拟信号，为PLC计算、上位机监控提供数据支持；基础自动化层：与现场基础自动化系统保持一致，由PLC设备组成，实现现场过程的基本控制；先进优化控制层：实现各种优化智能控制算法，作为上位机实现现场控制室的监控功能；客户浏览层：实现整个实验平台的Web发布功能，使客户可以在Internet上使用本系统。本发明为烧结偏析布料过程提供了可视化、网络化学习方法，并能对过程控制算法进行仿真研究与开发，用户可以随时通过网络浏览器访问本系统，了解钢铁烧结偏析布料工艺，学习烧结工业现场的基本控制过程，试验各种控制算法的仿真。
【专利说明】一种基于云端虚拟化的烧结偏析布料先进控制实验系统
【技术领域】
[0001]本发明专利属于先进制造领域，基于云端虚拟化技术，着重于仿真实验平台资源的设计，是一个包括硬件和软件在内的实验系统，将虚拟制造资源及控制算法的仿真功能提供给在线用户。
【背景技术】
[0002]云制造是由中国工程院李伯虎院士提出的，它的基本概念是把制造资源和制造能力在网上作为服务提供给所需要的用户。云制造是云计算的进一步发展，它在云计算的软件即服务、框架即服务、平台即服务三种服务模式的基础上，又增加了一种新的服务模式:制造即服务。云制造中除了能提供广义云计算所能提供的计算资源外，还应提供更广泛的制造能力资源，包括实际的车间制造资源、模型设计与论证资源、仿真与实验资源等，而这些资源的提供需要依靠云端虚拟化技术。
[0003]由于在制造过程中，进行复杂的工业过程控制往往具有多变量、强耦合以及非线性等特点，这使得过程控制系统的优化控制模型及其运行参数一般需要通过现场的调试及试运行过程进行在线训练与获取，从而严重影响了正常的生产过程，特别是冶金、石化等流程工业生产过程。基于此，工业过程控制仿真技术及装置作为一种能对过程控制中各控制模型及方法进行仿真验证，从而减少控制系统试运行时间，并确保其有效性和可靠性的有效途径，对于减少过程控制系统的运行风险，提高其控制效果，进而改善制造产品的质量、产量、能耗等指标，具有重要的意义。
[0004]烧结偏析布料过程是烧结生产的一道重要工序，实现偏析布料的先进自动控制对于保证烧结优质高产，达到节能减排效果具有十分重要的意义。烧结过程的复杂性使得其各种控制手段的实现需要大量的实际应用效果，因而对控制算法的仿真及其试运行效果尤为重要。对烧结偏析布料过程的基础自动化控制乃至先进智能控制往往是建立在实验可靠结果的基础上才进行实施的。因此，本文建立起烧结偏析布料先进控制实验系统，一方面可以让人了解其工艺，学习烧结工业现场的基本控制过程以及各种工控软件的使用；另一方面可以实现各种控制算法的仿真，从而为算法实际工业的应用做理论支持，提高控制算法的开发效率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于为烧结偏析布料过程提供了可视化、网络化学习方法，并能对过程控制算法进行仿真研究与开发。
[0006]本发明的技术解决方案如下:
[0007]本发明的烧结偏析布料先进控制实验系统包括:
[0008]一个完整的过程控制系统就是控制器_>执行器_>被控对象_>检测元件组成的闭环控制过程，而具体到某一个工业对象，基本的控制过程需要一套基础自动化系统(主要由PLC设备组成)实现，同时现场操作工利用上位机对现场生产过程进行监控以及实现先进控制算法，针对这样一个基本流程，本发明提出了过程控制实验平台四层架构，即网络-监控-计算-数据模式，详细来说，从下往上依此分为:底层数据模拟层、基础自动化层、先进优化控制层和客户浏览层。
[0009]底层数据模拟层相当于实际的工业对象，通过建立该对象的模型继而模拟计算得出各种数字量，再通过数模转换机箱模拟现场的各种模拟信号，从而为PLC计算、上位机监控提供数据支持。
[0010]基础自动化层与现场基础自动化系统保持一致，实现现场过程的基本控制。
[0011]先进优化控制层实现各种优化智能控制算法，并且作为上位机实现现场控制室的监控功能。
[0012]客户浏览层主要是实现整个实验平台的Web发布功能。
[0013]实验平台四层架构的每一层都包含着各自的数据块，各数据块之间的通信是非常重要的问题，它主要分为三个部分:基础自动化层与先进优化控制层通信、底层数据模拟层与基础自动化层及先进优化控制层通信、web数据流。
[0014]基础自动化层与先进优化控制层通信。PLC通过OPC协议和DDE协议与TCP/IP客户连接。其中，上位机与PLC之间先通过串口连接，采用OPC协议进行通信并调试，分配各自IP地址，从而完成本地、远程机架的通信连接。InTouch采用DDE协议配置监控软件的组态。
[0015]底层数据模拟层与基础自动化层、先进优化控制层通信。底层模型数模拟层包含两个数据块。首先，底层数据模拟层中的生产对象模拟数据通过编写VC++数据驱动程序，再用电缆直接连接PLC与数模转换机箱即可完成数据的下发和接收。其次，底层数据模拟层中的数据库数据采用ADO技术开发VC++通信程序，该部分数据在本层、基础自动化层和先进优化控制中都要用到，分别作为生产对象建模数据、PLC计算程序数据以及上位机监控软件显示数据中的一部分。
[0016]Web数据流。这一部分主要由Wonderware公司的系列软件完成，PLC产生的生产过程数据通过配置FSGateway为Information Server提供数据源，Information Server连接支持AD0/0DBC的数据库Historian，对Web数据进行储存与管理，从而为历史数据分析、报表功能提供数据支持。
[0017]底层对象产生各种生产过程数据并且接受各种控制输入，是整个实验平台数据交换的中心。针对复杂的工业对象，本发明基于机理分析建立起部分参数的数学模型，并针对机理关系复杂的参数，利用神经网络、支持向量机等智能建模方法建立起该部分参数模型，最后集成两种|吴型完成对整个对象的建丰吴。
[0018]从工艺上来讲，偏析布料主要是使烧结混合料在台车上铺成一定厚度和形成一定偏析程度，厚度和偏析度之间几乎没有影响，因此本发明分别设计偏析布料的两个子模型:料层厚度模型和偏析度模型。
[0019]本发明的有益效果为:为烧结偏析布料过程提供了可视化、网络化学习方法，并能对过程控制算法进行仿真研究与开发，用户可以随时通过浏览器访问烧结偏析布料先进控制实验系统，了解其工艺，学习烧结工业现场的基本控制过程，试验各种控制算法的仿真，为算法实际工业的应用做理论支持，提高控制算法的开发效率。【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1烧结偏析布料先进控制实验系统四层架构
[0021]图2烧结偏析布料先进控制实验系统软硬件配置及数据流图
[0022]图3烧结偏析布料先进控制实验系统运行控制结构
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明的技术和有益效果进一步进行阐述。
[0024]参见附图1，本发明的烧结偏析布料先进控制实验系统分为四层。
[0025]底层数据模拟层相当于实际的工业对象，通过建立该对象的模型继而模拟计算得出各种数字量，再通过数模转换机箱模拟现场的各种模拟信号，从而为PLC计算、上位机监控提供数据支持。基础自动化层与现场基础自动化系统保持一致，实现现场过程的基本控制。先进优化控制层实现各种优化智能控制算法，并且作为上位机实现现场控制室的监控功能。客户浏览层主要是实现整个实验平台的Web发布功能。
[0026]首先由底层数据模拟层模拟出烧结偏析布料过程的现场数据，这些数据通过由vc++编写的程序传递给基础自动化层的AB-PLC和先进优化控制层的Intouch软件，由Intouch软件编写的组态界面可以图形化的显示烧结偏析布料过程的工业现场，即为监控画面，客户浏览层将此监控画面发布到Internet上供客户使用。客户通过网络浏览器访问本实验系统，可在页面上监控烧结偏析布料过程。当客户修改烧结偏析布料控制参数时，系统将修改数据下发到基础自动化层，并通过vc++程序修改底层模拟数据层中的参数，该层立即模拟出相应的数据并传递给先进优化控制层进行优化，最后先进优化控制层将实验结果数据传递到Intouch组态界面，并通过web发布返回到用户界面。
[0027]附图2是系统四层架构的软硬件配置和数据流图。
[0028]底层数据模拟层由CONTEC数模转换机箱和安装了 SQL Server2008数据库的曙光服务器组成，信号的接受和发送经由CONTEC数模转换机箱转换，模型的计算在曙光服务器上实现，两者结合起来实现对现场对象的模拟。生产对象模拟数据通过编写VC++数据驱动程序，用电缆直接连接PLC与数模转换机箱完成数据的下发和接收。数据库数据采用ADO技术开发VC++通信程序，该部分数据在本层、基础自动化层和先进优化控制中都要用到，分别作为生产对象建模数据、PLC计算程序数据以及上位机监控软件显示数据中的一部分。底层数据模拟层中的生产对象数据，与基础自动化层PLC的I/O模块以及先进优化控制层的Intouch软件实时地进行数据交换，而底层数据模拟层中的数据库数据，通过编写的vc++程序与Intouch直接通信,再由Intouch下发到PLC中，实现与基础自动化层间接通信。
[0029]基础自动化层由RockWell公司的AB-PLC的ControlLogix集散控制系统组成，并且安装一个本地机架和一个远程机架，使其具有本地和远程I/O 口，利用RSLinx通信软件完成与上位机的通信。上位机与PLC之间先通过串口连接，采用OPC协议进行通信并调试，分配各自IP地址，然后再采用EtherNet的连接方式，完成本地、远程机架的通信连接，InTouch利用DASABCIP4.0来配置监控软件的组态，采用DDE协议。
[0030]Web数据流,这一部分主要由Wonderware公司的系列软件完成,PLC产生的生产过程数据通过配置 FSGateway 为 Information Server 提供数据源，Information Server 连接支持AD0/0DBC的数据库Historian，对Web数据进行储存与管理，从而为历史数据分析、报表功能提供数据支持。
[0031]附图3是烧结偏析布料先进控制实验系统运行控制结构。
[0032]基础自动化层AB-PLC程序主要完成偏析布料的圆辊给料机和九辊布料器的转速控制，从而完成对料层厚度及偏析程度的控制。
[0033]先进优化控制层开发监控界面及各种先进优化控制算法。InTouch监控界面同时显示混合制粒及偏析布料两个工艺环节，其中偏析布料包括料层厚度检测和圆辊、九辊转速控制两个部分。稳定料层厚度控制算法满足了偏析布料过程中料层厚度及偏析程序控制和优化需稳定的要求，弥补了底层PLC程序的调节很难达到良好效果的不足。
【权利要求】
1.烧结偏析布料先进控制实验系统包括: 一个完整的过程控制系统就是控制器-> 执行器-> 被控对象-> 检测元件组成的闭环控制过程，而具体到某一个工业对象，基本的控制过程需要一套基础自动化系统(主要由PLC设备组成)实现，同时现场操作工利用上位机对现场生产过程进行监控以及实现先进控制算法，针对这样一个基本流程，本发明提出了过程控制实验平台四层架构:网络-监控-计算-数据模式，即底层数据模拟层、基础自动化层、先进优化控制层和客户浏览层。 底层数据模拟层相当于实际的工业对象，通过建立该对象的模型继而模拟计算得出各种数字量，再通过数模转换机箱模拟现场的各种模拟信号，从而为PLC计算、上位机监控提供数据支持。 基础自动化层与现场基础自动化系统保持一致，实现现场过程的基本控制。 先进优化控制层实现各种优化智能控制算法，并且作为上位机实现现场控制室的监控功能。 客户浏览层主要是实现整个实验平台的Web发布功能。 实验平台四层架构的每一层都包含着各自的数据块，各数据块之间的通信是非常重要的问题，它主要分为三个部分:基础自动化层与先进优化控制层通信、底层数据模拟层与基础自动化层及先进优化控制层通信、web数据流。 基础自动化层与先进优化控制层通信。PLC通过OPC协议和DDE协议与TCP/IP客户连接。其中，上位机与PLC之间先通过串口连接，采用OPC协议进行通信并调试，分配各自IP地址，从而完成本地、远程机架的通信连接。InTouch采用DDE协议配置监控软件的组态。 底层数据模拟层与基础自动化层、先进优化控制层通信。底层模型数模拟层包含两个数据块。首先，底层数据·模拟层中的生产对象模拟数据通过编写VC++数据驱动程序，再用电缆直接连接PLC与数模转换机箱即可完成数据的下发和接收。其次，底层数据模拟层中的数据库数据采用ADO技术开发VC++通信程序，该部分数据在本层、基础自动化层和先进优化控制中都要用到，分别作为生产对象建模数据、PLC计算程序数据以及上位机监控软件显示数据中的一部分。 Web数据流。PLC产生的生产过程数据通过配置Wonderware自带的FSGateway为Information Server 提供数据源，Information Server 连接支持 AD0/0DBC 的数据库Historian,对Web数据进行储存与管理，从而为历史数据分析、报表功能提供数据支持 底层对象产生各种生产过程数据并且接受各种控制输入，是整个实验平台数据交换的中心。针对复杂的工业对象，本发明基于机理分析建立起部分参数的数学模型，并针对机理关系复杂的参数，利用神经网络、支持向量机等智能建模方法建立起该部分参数模型，最后集成两种模型完成对整个对象的建模。 从工艺上来讲，偏析布料主要是使烧结混合料在台车上铺成一定厚度和形成一定偏析程度，厚度和偏析度之间几乎没有影响，因此本发明分别设计偏析布料的两个子模型:料层厚度模型和偏析度模型。
2.根据权利要求1所述的烧结偏析布料先进控制实验系统，其特征在于:底层数据模拟层还包括，由CONTEC数模转换机箱和安装了 SQL ServerfOOS数据库的曙光服务器组成，各种信号的接受和发送经由CONTEC数模转换机箱转换，模型的计算则在曙光服务器上实现，两者结合起来实现对现场对象的模拟。基础自动化层还包括由RockWell公司生产的AB-PLC的ControlLogix集散控制系统组成，并且安装一个本地机架和一个远程机架，使其具有本地和远程I/O 口，利用其自带的RSLinx软件组态驱动程序以便将上位机和PLC进行通信。 先进优化控制层还包括采用普通PC机，并且安装InTouchl0.0监控软件以完成对生产过程的监控，先进智能控制算法采用VC++6.0开发。 客户浏览层还包括，完整的Web发布由Wonderware Information Server、Historian和Activefactory三者共同完成，分别充当数据接口、数据储存以及数据分析的角色，即InformationServer连接生产过程数据源,开发在线工厂过程界面并且集成数据趋势分析、生产报表功能；Historian是一个用于工厂数据的内嵌了 SQL Server的实时和历史数据库，用以全方位的获取和储存工厂数据；Activefactory提供实时和历史数据趋势分析功能，方便用户进行数据分析。最终Web发布界面与Intouch监控界面一致，由InformationServer进行导入，该层在曙光服务器上运行，使用户既能够在线查看现场工作画面、访问生产实时数据，也能进行数据趋势和分析以及生产绩效管理。
3.根据权利要求1所述的烧结偏析布料先进控制实验系统，其特征在于:基础自动化层AB-PLC程序主要完成偏析布料的圆辊给料机和九辊布料器的转速控制，从而完成对料层厚度及偏析程度的控制。先进优化控制层开发监控界面及各种先进优化控制算法。InTouch监控界面同时显示混合制粒及偏析布料两个工艺环节，其中偏析布料包括料层厚度检测和圆辊、九辊转速控制两个部分。稳定料层厚度控制算法满足了偏析布料过程中料层厚度及偏析程序控制和优化需稳定的要求，弥补了底层PLC程序的调节很难达到良好效果的不 足。
【文档编号】G05B19/418GK103529803SQ201310499580
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】熊永华, 吴敏, 孙景浩, 曹卫华, 雷琪, 安剑奇 申请人:中南大学