专利名称：用于确定设备的部分负荷工况的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定带有多个组件的设备的部分负荷工况的方、法、一种计算机程序产品以及一种全部设备的部分负荷工况的应用。
背景技术：
现在的设备、特别是生产和制造设备，目前通常都是满负荷运行或者将负荷完全断开。在设备只是部分地被充分利用时，例如由订货情况的规范确定，从设备能量消耗方面来看，设备在部分负荷运行状态中运行是比较有益的。除了上述的能量优势之外，其他情况下、特别是在单个组件的维修间隔期和使用寿命设备支持在部分负荷工况中运行，而不是设备在一定时间内持久地满负荷运行并且然后进入静止状态。如果要整个设备在确定的部分负荷工况中运行，自然必须使设备的各个组件在各自的部分负荷工况中运行。组件可以理解为如生产线上的过程化设备或是机械手，此外也可以是例如传送带和电机的设备，它们通常具有至少最小化的电子控制器和或多或少出现的通信接口，用于交换过程和运行参数。然而，设备的单个组件在部分负荷工况中运行时应注意一方面，确定的组件并不允许每一个随意的部分负荷工况，并且此外单个组件的可能或允许的部分负荷工况对设备不具有相同的效果。例如电机以预定全功率的25%运行，而下一个机器只利用50%来运行。另一个问题是，设备的所有组件在确定的部分负荷工况中运行时，例如预定全功率的50%,对于不同的组件具有不同的影响。例如,50%的部分负荷工况在第一个组件上的作用效果会与在第二个组件上在其吞吐量(Durchsatz)方面不同。现在既不能为单个的组件定义也不能为整个设备定义组件的部分负荷工况和运行参数、如上述的吞吐量之间的关系。即使为单个组件可能提供一个定义，设备规划者将面临这样一个问题，要实现整个设备中的至少一个部分负荷工况，由于各个组件的特性不同，因而这是一个非常复杂的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定具有多个组件的设备的部分负荷工况的方法。该目的在其方法方面通过一种具有权利要求1所述特征的方法实现。此外，该目的还通过一种具有权利要求11所述特征的计算机程序产品来实现，通过一种在具有权利要求12所述特征的过程控制系统中的应用以及一种在具有权利要求13所述特征的组件中的应用来实现。在根据本发明的用于确定具有多个组件的设备的部分负荷工况的方法中，在此提出以下步骤-评估设备的至少一个组件的能量模型，通过评估将组件的运行参数组分配给该部件的至少一个部分负荷工况；-评估预定参数，预定参数包括对于设备的需调整的吞吐量的规范；
-在至少一个能量模型的基础上、考虑预定参数的情况下确定设备的部分负荷工况组；-根据设备的参数化的模拟模型，模拟部分负荷工况组。此外，前两个方法步骤的顺序是任意的，从而可以实现通过另外一个顺序而不是通过所要求的顺序评估这样能量模型以及评估预定参数。本发明建立在至少一个能量模型基础之上，这个模型以一个理想但不是必需的方式几乎可用于设备的每一个组件。通过使用根据本发明的方法，在规定预定参数基础上、如设备的最小吞吐量或是最大能量消耗，设备规划者能够获得用于每一个参与确定的组件的这些部分负荷工况组也或者一个部分负荷工况。通过这种方式，可调整用于每一个组件的单独的部分负荷工况，其中所有的部分负荷工况满足预定参数标准。本发明有利的改进方案是从属权利要求的内容。以有利的方式，能量模型的运行参数包含持续时间，这个持续时间给出了组件用于转换到组件的各自部分负荷工况中、或是由各自的部分负荷工况转换到另一个中所需要的时间。本发明的一个有利的实施例提出，能量模型的运行参数包括组件各自部分负荷工况的能量消耗。这样的措施在部分负荷工况方面允许整个设备的优化，其中组件根据所期望的吞吐量的标准在尽可能节能的运行中工作。根据本发明另一个有利的实施例，运行参数还包括能量消耗，其对于由组件各自部分负荷工况转换或是转换到各自部分负荷工况中是需要的。为了调整有利的设备能源消耗，在此还要考虑一个动态方面，即在设备部分负荷工况转换过程中会产生什么。本发明另一个有利的实施例提出，能量模型的运行参数包括关于组件在各自部分负荷工况中的运行的数据。数据在这里主要是指与组件相关的吞吐量，因此，在例如电机50%的部分负荷运行中，预期的是相对于满负荷运行的40%的吞吐量。这一措施考虑到这种情况，即部分负荷运行无需与组件所属的吞吐量呈线性地进行。根据本发明的另一个有利的设计提出，运行参数包括一些数值，这些数值包含部分负荷工况以及各自部分负荷工况之间的转换对组件的使用寿命和所需要的维修间隔期的影响。该实施方式确保了对影响的考虑，部分负荷工况转换会对维修间隔期增加有影响或也会对单个组件或整个设备的使用寿命有影响。根据本发明的方法的另一个有利的设计提出，预定参数除了包括设备的需调整的吞吐量以外，还包括设备的需调整的能量消耗的规范。设备的能量消耗在过去是次要的，在设备的经济运行的计划中逐渐被大量地关注。根据本发明的方法的一个有利的改进，提出了一个用于确定设备部分负荷工况组的分散优化法(ein dezentrales Optimierungsverfahren)。这种优化法特别是在使用以市场为基础的优化法时实现。根据本发明的另一个有利的设计提出，通过模拟获得的部分负荷工况组借助重复的优化法得以修订。这通过利用修订的预定参数和/或利用至少修订的能量模型重复确定部分负荷工况组来实现。在这样修订对部分负荷工况的确定时可能也要考虑，通过可替代的组件来更换设备的现有组件，可替代的组件具有与被更换的组件的能量模型不同的能量模型。根据本实施例的方法可以在需要时重复执行，以获得设备的部分负荷工况的优化组。可以二者择一地集中或分散地实现根据本发明确定设备的部分负荷工况组。在集中的方式中，组件的各个能量模型被传送给中央系统、比如过程控制系统(ManufacturingExecution System),以便随后执行集中确定。集中的系统可以使用如工程工具的数据。在分散的方式中，评估器分布在多个组件上。如果每个组件都具有特有的数据处理可能性以及通信单元，那么这种分散的变体是特别有利的。
以下根据附图详细说明本发明带有其他优点和设计的一个实施例。在此示出图1用于示意性说明组件的能量模型的结构图；图2用于示意性说明确定部分负荷工况组的结构图；以及图3用于示意性说明对部分负荷工况组进一步优化的流程图。
具体实施例方式图1中示出了一个组件的能量模型的示意图。在使用以组件为基础的能量模型时，组件平面上的能量管理是通过设置在图中点划线右侧的运行状态以及通过设置在图中点划线左侧的部分负荷工况来实现。在能量模型的右半部分中示出了组件的第一运行状态IDL或“Idle”(空闲)。在布置在第一运行状态IDL右侧的圆圈中示出组件的第二个运行状态STB或“standby”(待机)。最后示出组件的第三运行状态HIB或“Hibernate”(休眠)。在能量模型中的每种运行状态HIB，IDL，STB都配有-未示出的-参数量。在这个参数量中，例如定义了说明各自的运行状态最少或最多允许停止多久的时间间隔，还定义了由第一运行状态转换到第二运行状态所需的持续时间。在右半部分示出的运行状态HIB，IDL, STB将部件的不同静止状态模型化，例如由用于组件的能量管理的PROFIenergy标准设置了这种静止状态。部分负荷工况的定义，在图中的虚线左侧部分示出，在目前的方案里相反地未被设置。换句话说，组件是否可以转换到部分负荷工况中，目前看来都无法实现，更不要提设备了。因此，目前也没有任何这样的可能性，即不同的部分负荷工况取决于所使用的组件和取决于边界条件例如效率、吞吐量等自动地被确定。根据本发明的解决方案，图1所示的部件的能量模型扩展了部分负荷工况33，80，100。第一部分负荷工况33在所属的参数量中，除了上述的参数之外还包括关于在组件中在第一部分负荷工况33中实现哪个运行特性的信息，该第一部分负荷工况与组件满载相比相应于33%的负荷。说明上述运行特性的运行参数特别包括一些数值，例如在第一部分负荷运行33中的组件的吞吐量，以及在部分负荷工况33中的能量消耗和状态转换所需的能量消耗。例如可以为驱动装置存储的是，在相应于驱动装置的33%的负荷的第一部分负荷工况33中，驱动装置的目标速度为3000转每秒。此外，可以在运行参数里存储的是，驱动装置以500s_2加速和制动。
在有利的实施方式中可以存储数据，其定义了对相应组件的维修间隔期、磨损以及使用寿命的影响。这些数据解释的是，部分负荷工况之间的频繁转换偶尔会对组件的维修间隔期或是使用寿命产生负面影响。所有上述运行参数的量会在以下的能量模型中提到。在图1中示出了相应于组件80%的负荷工况的第二部分负荷工况80以及相应于组件满载(S卩100%)的第三负荷工况100。图2示出用于示意性说明在应用根据本发明的方法时确定设备的部分负荷工况的结构图。设备的三个组件Cl，C2, C3被示范性地示出，其中各个组件Cl，C2, C3都分配有各自的能量模型EM1，EM2，EM3。分配一方面理解为分散的分配，其中能量模型EM1，EM2，EM3例如保持在属于该组件的存储区中。在-未示出的-集中分配的情况下，能量模型EMl，EM2，EM3集中地保持在例如过程数据库中。在第一步骤Ia中评估了能量模型EM1，EM2，EM3、更确切地说是其中保持有能量模型EM1，EM2，EM3的运行参数以及部分负荷工况参数。优选地在语义描述语言中形成能量模Memi, em2, em3。接下来，外部规范XSP在第二步骤Ib中被评估。作为外部规范XSP，例如在最小的能量消耗时实现数值为设备满载运行的50%的吞吐量。维护和磨损值可被定义为外部规范。评估在例如由控制单元CTR执行的优化组件OPT中实现。上述实施方式在应用中央控制单元CTR时也可根据需要通过-未示出的-分散评估器来代替，在该分散评估器中，单个组件Cl，C2, C3以协作方式进行评估。在能量模型EMl，EM2，EM3以及外部规范XSP的基础上，在优化组件OPT中现在确定设备的部分负荷工况的一个临时组。在这个优化步骤中，优化组件OPT在使用例如分散优化法时、特别是在以市场为基础的协商的基础上确定每一个组件Cl，C2，C3的部分负荷工况。在方法步骤2中，设备的部分负荷工况的这个临时组被引入模拟组件SIM，在这个模拟组件中，根据设备的可参数化的模拟模型执行对该部分负荷工况的临时组的模拟。该步骤借助设备的真实情况用于确认为设备确定的部分负荷工况组。设备的模拟模型将设备的上级过程模型化。控制组件CTR承担模拟所必需的数据交换。当优化组件OPT在能量模型EM1，EM2，EM3的基础上计算出所有允许的部分负荷工况时，模拟组件SM的结合整合在设备情况方面上限制了部分负荷工况，其中也要考虑设备的原始情况或初始状态。该方法步骤2通过在图中所示的两个箭头根据需要被多次执行，同时修订的模拟结果根据需要被发回给优化组件0PT，并且模拟结果被重新优化。此外，模拟结果在优化组件OPT中被重新评估，并可能重新启动优化，用于计算临时部分负荷工况的修订组。以这种方式-根据需要在一个反复过程中-执行至少一个优化和模拟步骤之后，在方法步骤3中作为结果得出设备部分负荷工况PLS组。
在设备需经外部规范XSP调整的部分负荷工况基础上，部分负荷工况组包括设备的至少一个组件C1，C2，C3的需调整的部分负荷工况。例如在设备的一半吞吐量中，作为外部规范得出传送带的部分负荷工况的40%、机械手的部分负荷工况的60%、制造控制系统的部分负荷工况的90%等。确定的部分负荷工况PLS组可以选择性地由设备运行者或规划者检查并重新被引向优化组件OPT。如果部分负荷工况的数量或其数值应该是不可转变的，则如在图3中所示，外部规范XSP (相应于步骤5)或者设备的组件(相应于步骤4)可以被修改或是交换。随着组件Cl的修改或是交换，分配给组件Cl的能量模型EMl也发生变化。因此，在图3中作为单个能量模型EMl，EM2，EM3的总量CMM也发生变化。在图3的流程图的第一分支Al “答案量为空？ ”中，在步骤3中首先检查，是否完全在外部规范XSP以及单个能量模型EM1，EM2，EM3的总量CMM的基础上，可通过优化组件OPT确定部分负荷工况PLS组，其中外部规范包括设备设计、设备规划以及设备控制。如果答案数量不是空，相应于第一分支Al的标记为N的分支“不是”，在第二分支A2 “答案可接受的？ ”中由设备运行者或是设备规划者进行复查。在相反情况下，如果答案数量是空，根据步骤5在外部规范变化的情况下、或是根据步骤4在单个能量模型EM1，EM2，EM3的总量CMM调整的情况下需要调整。在步骤4中不会发现可能的部分负荷工况。结果是，必须改变外部规范或甚至改变机器模型，也就是说必须使用其它机器。以类似方式，在否定结果的情况下，根据标记为N的分支“不是”，在第二分支A2 “答案可接受的？ ”中根据步骤5在外部规范变化的情况下进行调整。在步骤5中可以发现部分负荷工况，然而根据设备安装者的知识，它是不可接受的。在这种情况下，外部规范(例如其他吞吐量)同样能被调整。通过这种方式，可以重复地发现部分负荷工况的最优数据形式的最佳配置，根据方法步骤E，“结束”。
权利要求
1.一种用于确定包括多个组件的设备的部分负荷工况的方法，包括以下步骤-评估设备的至少一个组件的能量模型，通过所述评估将所述组件的运行参数组分配给所述部件的至少一个部分负荷工况；-评估预定参数，所述预定参数包括对于所述设备的需调整的吞吐量的规范；-在至少一个能量模型的基础上、考虑所述预定参数的情况下确定所述设备的部分负荷工况组；-根据所述设备的参数化的模拟模型，模拟所述部分负荷工况组。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量模型的所述运行参数包括由所述组件各自的部分负荷工况转换出的持续时间和/或转换到所述组件各自的部分负荷工况中的持续时间。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量模型的所述运行参数包括所述组件各自的部分负荷工况的能量消耗。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量模型的所述运行参数包括用于由所述组件各自的部分负荷工况转换出的能量消耗和/或转换到所述组件各自的部分负荷工况中的能量消耗。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量模型的所述运行参数包括关于所述组件在各自部分负荷工况中的运行、特别是关于吞吐量的数据。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量模型的所述运转参数包括数值，该数值包含部分负荷工况和/或在各自部分负荷工况之间的转换对于所述组件的使用寿命和所需要的维修间隔期的影响。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定参数包括所述设备的需调整的能量消耗的规范。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在分散优化基础上、特别是在应用以市场为基础的方法的情况下来实现确定所述设备的部分负荷工况组。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据通过模拟获得的部分负荷工况组，利用修订的预定参数和/或利用至少一个修订的能量模型来实现重新确定部分负荷工况组。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述设备的优化过的部分负荷工况在最少执行一次根据权利要求9所述的方法步骤之后被确定。
11.一种计算机程序产品，在过程控制系统中执行所述计算机程序产品时，所述计算机程序产品具有用于执行上述权利要求1至10中任一项所述的方法的措施。
12.一种在过程控制系统中对根据权利要求10所述的设备的优化过的部分负荷工况的应用。
13.—种在组件中对根据权利要求10所述的设备的优化过的部分负荷工况的应用。
全文摘要
本发明涉及一种确定设备的部分负荷工况的方法。现在的设备，特别是生产和制造设备目前通常是满负荷运行或将其完全断开。如果整个设备在部分负荷工况中运行，需使设备的各个组件在各自的部分负荷工况中运行。由于各个组件的特性不同，要实现整个设备中的部分负荷工况非常复杂。根据本发明的方法提出评估组件相关的能量模型和外部规范参数，在此基础上制订对设备参数化的模拟模型模拟的部分负荷工况组的确定。通过该方法在规定预定参数如设备最小吞吐量或最大能耗的基础上，设备规划者能获得每个参与确定的组件的部分负荷工况或部分负荷工况组。由此可设置每个组件单独的部分负荷工况，其中所有部分负荷工况满足预定参数标准。
文档编号G06F1/26GK103034313SQ20121037172
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年9月29日
发明者约尔格·哈塞尔, 约尔格·奈迪格, 迈克尔·皮克尔, 克里斯蒂安·塞茨 申请人:西门子公司