基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统的制作方法

本发明属于电解车间产业控制，尤其是涉及一种适用于铜电解车间的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统。

背景技术：

1、在大力推进产业数字化的背景下，各行各业都在使用数字孪生系统实现产业数字化，为了实现电解车间的智慧生产、智能控制，促进产业结构的升级，应用数字化的手段，电解车间也提出了使用数字孪生系统实现产业数字化的方案。比如中国专利公开的基于数据驱动的铝电解数字孪生工厂、控制方法及系统[公告号：cn111651890b]，提供的是铝电解车间对数字孪生技术的应用，通过融合多元异构数据解决了铝电解工厂中大量不同频率与来源的异构数据无法得到充分利用的问题，利用融合得到的深层融合特征可在保证铝电解稳定生产的前提下，实现铝电解生产过程最优控制，配合实时槽况参数及仿真技术实现物理模型与现实生产情况的数字映射，实现了铝电解数字孪生工厂的构建。

2、上述方案提出了基于数据驱动的新概念，提出通过融合多元异构数据提高数据利用，但是其所针对的数据均是车间设备和装置所采集的数据，比如机床和生产装置的智能仪表、传感器，比如plc/dcs等现场控制设备等，仍然存在数据维度有限，导致基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统对数据利用的有限，从而导致数据资源的浪费。

3、此外，目前电解车间的预警机制多对设备状态进行监控，然后在出现异常时发出警报，仅实现对设备本身的安全预警，没有考虑到车间生产安全的预警。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统。

2、为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

3、一种基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统，包括数字孪生系统，所述的数字孪生系统包括数据层，应用层和前端展示层，所述的数字孪生系统对接现场采集设备，根据现场采集设备的现场数据提供现场车间的数字孪生体，所述的现场采集设备包括桁架机器人，所述的数字孪生系统对接于人员定位系统和机组运载小车系统，并从人员定位系统同步人员定位信息，从机组运载小车系统同步小车信息；运行过程中，根据人员定位信息、桁架机器人的运行信息和机组运载小车的运行信息判断人员是否位于桁架危险区域、小车危险区域范围内，若是，则发出一级预警表示已进入危险区域，以及判断人员是否有落入桁架危险区域和小车危险区域的风险，若有，则发出二级预警，表示为进入危险区域，但是未来有可能进入。

4、通过将数字孪生系统与独立系统对接的方式，复用独立系统的数据信息，特别在于通过与人员定位系统、机组运载小车系统的对接实现对该两个系统数据的更高利用能力，并且通过更高的数据利用能力，实现电解车间的安全生产。此外，上述方案着重从车间内移动的潜在风险与人员的定位对人员进入移动的风险区域或有进入移动的风险区域的风险时发出一级预警或二级预警，提升数字孪生系统的报警能力，对危险情况进行全面且动态地预警，提升电解车间安全生产能力。

5、在上述的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统中，运行过程中，数字孪生系统实时获取桁架机器人的运行信息，机组运载小车的运行信息以及人员定位信息，并在前端展示层的数字孪生体中对显示区域内的人员、机组运载小车和桁架进行动态展示；

6、根据桁架机器人的运行信息划定桁架危险区域；根据机组运载小车的运行信息划定小车危险区域；根据人员定位信息对人员获取其坐标信息，进而判断各人员是否位于桁架危险区域范围内和小车危险区域范围内。

7、在上述的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统中，数字孪生系统根据桁架机器人的目的坐标、当前坐标和速度计算未来任意时刻的桁架危险区域，根据机组运载小车的运行轨迹、运行速度和当前坐标计算未来任意时刻的小车危险区域，同时根据人员的移动轨迹和移动速度计算各人员未来任意时刻的可能坐标区域；

8、根据未来任意时刻的人员可能坐标区域、桁架危险区域、小车危险区域判断各人员是否有进入桁架危险区域、小车危险区域的风险。

9、总的来说，桁架危险区域和小车危险区域都包括当前危险区域和未来危险区域两种，比如随着桁架的运行，根据目的坐标、当前坐标和速度等参数可以知道其未来每个时刻的位置，从而划定未来每个时刻的危险区域，从而做到通过多方位数据分析、比较、利用实现更全面、更超前的车间预警效果。

10、此外，桁架机器人的运行状态为停止时，不存在桁架危险区域；

11、同样地，机组运载小车的运行状态为停止时，不存在小车危险区域；

12、即，只有在运行状态下才有危险区域，停止时是没有危险区域的，包括没有当前危险区域和未来任意时刻的危险区域。在有些场景，可能会有运行计划，此时，可以根据桁架机器人的运行计划和运载小车的运行计划得到进入运行以后未来时刻的危险区域。

13、由于数字孪生系统会获取到桁架机器人和运载小车的信息，所以桁架机器人和运载小车的状态信息可以从两者各自的信息中提取。

14、在上述的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统中，在未来n时间段内有进入桁架危险区域、小车危险区域的风险时，发出二级预警，否则不发出二级预警；

15、且，当发出二级预警以后，随着人员、桁架、小车的移动，在未来n时间段内人员不再有进入桁架危险区域、小车危险区域的风险时解除二级预警，而在未来某时刻人员进入了桁架危险区域、小车危险区域时，将二级预警改为一级预警。由于随着现实世界动态的运行，桁架、小车、人员都是在随时移动的，桁架、小车的移动以及位置容易预判，人员的移动变化性相对较高，所以本方案采用灵活调整二级预警的方式。

16、在上述的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统中，进入车间的人员身上携带有与数字孪生系统对接的通讯设备，当相关人员进入桁架危险区域、小车危险区域范围内，或具有进入桁架危险区域和小车危险区域的风险时，数字孪生系统同时通过应用层和数据层再通过通讯网络向相应人员的通讯设备发出相应的预警信息。

17、在上述的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统中，根据机组运载小车的当前坐标确定当前小车危险区域，当接收到显示指令时，在前端展示层的数字孪生体中圈出相应机组运载小车的危险区域范围；

18、根据桁架机器人的当前坐标确定当前桁架危险区域，当接收到显示指令时，在前端展示层的数字孪生体中圈出相应机组运载小车的危险区域范围。以便于数字孪生体所在的后台工作人员可以及时掌握车间内情况，提前解除危险事件。

19、在上述的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统中，所述的数字孪生系统通过opcda协议对接包括所述人员定位系统和机组运载小车系统的多种系统；

20、且多种系统包括设备管理系统、limis系统、短路系统、能源系统、生产管理系统中的一个或多个。

21、在上述的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统中，所述的人员定位信息包括人员信息和定位信息，人员信息包括编号、姓名、性别、班组、职务、厂区信息、手机号、组信息、手环id；

22、数字孪生系统记录各特定人员的区域停留时长，并在数字孪生体画面中对区域内人员进行动态展示，当接收到人员信息请求时，显示所述的人员信息，实现基于数字孪生系统的现场人员管理。

23、数字孪生系统的数据层中记录有电解车间的特定危险区域，根据人员的定位信息判断相应人员是否进入特定危险区域，若进入，则发出机组预警，表示有人员进入了机组特定危险区域，通过与人员定位系统和生产管理系统的对接，对人员信息的统计进行二次开发，包括当班在线时长统计，特定危险区域闯入统计，点巡检任务提醒及完成情况统计。该方式对电解车间内固定的几个特定危险区域进行安全预警。

24、在上述的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统中，现场采集设备包括监控设备，监控设备使用rtsp流地址接口接入数字孪生系统，数字孪生系统对每个监控设备进行虚拟定义，数字孪生体包括孪生体监控设备，对孪生体监控设备绑定对应的rtsp地址，当接收到监控显示请求时，从数据层中提取相应监控设备的监控数据并在数字孪生体中显示真实监控画面；

25、数字孪生系统通过与设备管理系统的对接获取设备的运行和巡检信息，并在设备运行和巡检异常时发出设备预警，同时调用相应监控设备，从数据层中提取相应监控设备的监控数据并在数字孪生体中显示真实监控画面。在数字孪生上绑定虚拟监控展示监控画面，并对报警关联到特定监控来展示，能够进一步降低现场人员的需求量。

26、在上述的基于数字孪生系统的电解车间智能控制系统中，所述的数字孪生系统包括有多终端电脑；

27、现场采集设备还包括plc、dcs、智能仪表、传感器，现场采集设备的现场数据通过边缘网关上传至数据中台形式的数据层；

28、数据层存储有用于模拟现场操作室的操作台模型，对操作台的每个按钮进行指令绑定，通过多终端电脑使用模拟操作台接收实际操作台，从数据层向现场plc发送操作指令以通过数字孪生系统实现对机组的远程反向控制。

29、本发明的优点在于：

30、(1)基于数字孪生系统提高电解车间安全的警示和监督；通过与人员定位系统和机组运载小车系统的对接，实现对外部系统数据的利用，通过多方位的数据利用，实现数据资源的高利用率，通过人员定位、配合桁架和小车的移动监测实现电解区域的安全生产，并通过下发的警示提升安全能力；

31、(2)电解车间的预警不局限于设备本身运行状态的预警，也不局限于闯入特定危险区域的预警，而是结合整个电解车间的动态运行，将桁架和小车运行所涉及的危险区域考虑在内，结合人员的移动，对人员进入或即将进入桁架和小车的危险区域范围内实现一个超前预警，从而更加全面的提升电解车间的安全预警，提升电解车间的安全生产能力。

32、(3)基于数字孪生系统，通过与人员定位系统的对接，实现电解车间人员管理的线上可视化管理模式，进一步提升人员管理效果，剔除现场人员管理和安全管理存在的安全隐患；

33、(4)数字孪生系统配合多终端电脑，通过模拟现场操作室的操作台，并对操作台的每个按钮进行指令绑定，结合显示的数字孪生体，实现近乎现场的机组运行控制，实现远程控制的同时具备直观可实时查看等进距离的控制优势；

34、(5)同时对监控在孪生体中进行孪生，通过在孪生体监控设备中绑定对应的rtsp地址实现虚实结合以及基于数字孪生系统的报警与监控的联动。