专利名称：自动化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于工业设备的建造及操作的自动化系统，尤其是用于对原材料工业中的单个设备部件或全部设备进行设计、规划、实施、投入工作、维护及优化的自动化系统，它具有一个以计算机为基础的主导系统，该主导系统为了对过程进行控制技术性描述采用过程模型，如数学-物理形式的模型、神经网络模型或基础知识系统等等。
对工业设施、例如轧钢厂的效率不断增长的要求，需要工作及生产过程以最大限度的经济性、安全性及可靠性来运行。对此已经知道，生产过程已由连续借助计算机支持的信息流的设计在很大程度上自动化了。在此情况下，尤其对于过程引导及优化由数学-物理过程模型起作用，该模型描述过程并由此可实现工业设施的仿真及调节。
对此使用的主导系统已由DE 19508474A1或DE 19508476A1公知。该以计算机为基础的主导系统独立地识别一个工业设施的状态或在设施中进行的生产过程并产生适合状态的指示，该指示将保证一种智能化的过程控制。此外将进行持续的过程优化，这时基于预给定的给定值的过程模型借助于自适应方法、例如神经网络在线或离线地被改善。
由未预先公开的德国专利申请19624926.0还公知了一种具有设备主导系统的工业设施启动运行的方法，该主导系统执行非控制功能及控制功能，它的控制功能用形式为数学模型、神经模型或专家系统的过程模型来工作。该公知方法的特征是，运行启动被分为非控制功能的运行启动及控制功能的继续运行启动来执行，非控制功能的运行启动主要是通过现场人员启动控制功能来实现的，控制功能的运行启动是通过数据导线由至少一个远离设备场所、最好由一个技术中心远程传输的数据控制的。
由US-PS 4 783 998还公知了一种发电机的调节方法，其中将在发电机上获得的测量值远程传输到一个计算机中用于分析和求值。其缺点是，所获得的测量值仅涉及单个部件、如发电机轴，而未涉及关于发电机整体性能的描述。虽然与此相比借助于由DE 19508474A1及DE 19508476A1公知的主导系统及由德国专利申请19624926.0公知的一个复杂设备整体过程的优化方法根据模型交错可以作到，但这是与高成本相关的。对此的原因首先是，为了能由远程中心分散地进行设备特定的优化，需要专用的传输路径。
本发明的目的在于，对用于工业设备调节及操作的自动化系统进一步改进，它在克服上述缺点的情况下能实现距设备远程的简单且成本合理的分散的过程控制及优化。
本发明的目的在一个前言部分所述类型的自动化系统中通过一个或多个彼此联网的控制点的分散过程控制及优化来实现，其中在充分利用现代公共通信设施的情况下连续地在线或离线地监视或至少按模型检测过程变化，并且能使过程模型、参数及软件与专门的设备适配。
这样构型的一种自动化系统能实现由一个远离设备的场所进行成本合理的过程控制及优化，其中远程传输数据借助现有的通信设施传送到相关的工业设备。因为该数据不仅涉及过程专用参数而且也考虑到过程模型的变化甚或现场的、即相关工业设备处的软件的变化，因此在改善设备功能的同时使整个工程的成本降低。
根据本发明的另一特征，设置了一种技术性的远程启动运行，以便一方面利用中心计算能力及现代启动运行工具，另一方面保证该相关设备的技术秘密安全地回用到开发中。为了尽可能实现高时间效率，以有利的方式设置了在线和/或离线的远程优化。
特殊的优点还在于，设置了硬件及软件部分，它们通过进化、尤其是遗传学算法(genetischer Algorithm)来构成。遗传学算法的应用对于实现极佳的优化提供了高概率。因此合乎要求的是，过程模型借助演化策略，最好是一种遗传学程序来优化。尤其是，演化策略也可以根据在整体优化方向上运行的值来检验神经网络。由于高的计算成本，对此还是离线进行为佳。
根据本发明一个有利的改进设计，设置了用于模块化软件组件的预定范围。以此方式能够作到不用编程工作便可更换软件组件，以使得设备专用适配及整个自动化系统的长期维护得以保证。合乎目的的还在于，通信设施为电话、ISDN、卫星、或互联网/内联网，以便鉴于现有数据导线实现符合需要的灵活性。
根据本发明另一有利特征，控制点被设计成一个虚拟办公室。通过现代通信设施的充分利用，以此方式可实现譬如分散的规划、开发设计及售后服务，再基于联网保证全球资源的汇合。
根据本发明的一个改进设计，主导系统可设有以下用途的计算装置用于设备专用参数的适配，用于设备专用结构的过程模型的存储，用于预计算算法的存储，用于趋向跟随的存储，用于自适应算法的存储，用于神经网络模型的训练和/或优化；而且可设有诊断存储器，它们可受到通信设施的影响。这提供了这样的优点可根据远离装置一场所处的技术给定值优化工业设备。为此目的进一步建议，控制点是远离设备的技术中心，它借助数据远程传输与工业设备的主导系统相连接。
根据本发明的一个优选设计方案，技术中心设有一个内部网，为了与工业设备通信该内部网通过安全数据传输装置与远程启动运行网络和/或运行优化网络相连接。这样一种“防火墙”可实现安全工作及防范间谍的侵入。
为了汇集外部专业知识及规划队伍，还建议，设置在空间上与技术中心分开的外部场所，它通过数据导线与技术中心形成连接。
在本发明的另一改进方案中设置了一个管理单位，它设有对采集数据求值的软件并同时适于构成“航海日记”式的指导。以此方式，可以遵循优化措施，由此可以得出用于将来优化措施的逻辑结论。合乎要求的是，在技术中心内的数据库及一般的设备专用的技术组件中设有技术知识，这些技术知识可传输到主导系统的技术组件及数据采集单元中，以致在简单输入新数据的情况下，可以保证工业设备整体过程的逐步改善。
合乎要求的还在于，技术中心设有硬件装置，软件工具，启动运行工具，软件开发工具，软件演进工具，用于人造神经网络的训练工具，及统计求值程序，它们可应用于设备中枢。通过使用设备中枢装置及工具可以实现通用的自动化系统，设备专用的、即专门开发的装置及工具仅在其必需时才使用。最后建议，技术中心借助监视器、计算设备及摄像机构成多位置规划、设计、启动运行或工作优化办公室，其中在直接对话、图像改变或软件输入时可通过语音及电视图像补充或替代地远程传输。同样能以此方式及方法构成技术中心的外部场所。在使用人造神经网络工作时可得到特别有利的效果，其中从训练数据采集到输出新参数需要统一的处理。通过技术中心及外部场所的上述构型可以这样地工作所有参与过程控制及优化的人员好比位于一个地点上，即专门的工业设备现场。
从以下对附图中表示的优选实施例的说明中可以得到本发明内容的其它细节、特征及优点，附图中
图1为体现本发明自动化系统特征的组成部分的概要示图；图2为一个工业设备过程优化的概要示图；图3为一个技术中心的概要示图；图4为在技术中心及工业设备之间传输数据的概要示图；及图5为一个分散的过程控制及优化的概要示图。
在图1中概要表示的自动化系统的中心点具有数学-物理过程模型1，它描述一个工业设备的生产过程。因此借助该数学-物理过程模型1可以实现对设备过程的模拟以及对设备进行机械和电方面的设计。为了改善数学-物理过程模型1的精确度，采用了神经网络2a、2b，在所储备的工业设备测量值的基础上对神经网络进行训练。在此情况下神经网络2a、2b的训练可根据计算成本离线地(2a)或在线地(2b)进行。此外，神经网络2a、2b的应用可结合数学-物理过程模型1进行(所谓的相对神经网络)，或用于技术过程模型的构成，该技术过程迄今一直避免数学-物理的描述(所谓的绝对神经网络)。尤其当需要识别工业设备的“日常形式”(“Tagesform”)以便使自动化系统对其适配时，可在线训练的神经网络2b就起作用了。在此情况下基于在线测得的测量值进行训练，然后这些测量值汇入参数和/或过程模型的优化。
数学-物理过程模型1对相关工业设备的最佳适配可以通过遗传学算法3来实现。借助不同试探解法的随机变异可以通过该演进算法找到对设备专用过程模型的最佳参数调整。因此相关工业设备技术性的启动运行可转移到远离设备的计算中心，由此使技术性的启动运行自动化。借助遗传学算法对上述参数优化的补充构成了遗传学程序4。借助该演进策略可实现过程模型的结构化改善。
对于上述组成部分的基本先决条件是一种合适的软件建筑结构。在此情况下目标定向程序5保证了软件对不同应用目的的可重复使用性，这时明确的结构及标准接口构成方案管理及结构安排的基础。此外，应用软件的可重复使用性除目标定向外还通过一致的模块化来增强。所谓“框架”6也有助于统一软件模块的使用，该框架构成模块化软件组件的给定范围。在最简单的情况下框架可理解为“软件柜”，在其中插着各个软件组件，使得无需耗费编程工作就能进行软件组件的更换。以此方式可保证自动化系统的长期维护。
通常一个工业设备的运行启动可分为四个阶段。第一阶段由各系统的硬件构成及启动组成。在其后紧接着进行应用软件的运行启动及接口试验。第三阶段是工业设备的试验，例如在轧钢设备的情况下为“第一钢带”的轧制。第四阶段即最后阶段构成技术性的启动运行，它在自动化的范围内具有重大意义。为了考虑到这样的情况，该自动化系统将动用一个远程启动运行7，这可由一个远离设备的计算中心通过现代通信设施来实现技术性的启动运行。除了提供中心的计算容量以及支持开发者外，在此情况下也使工业设备的技术秘密回用到开发中。以此方式，将通过远程诊断来进行工业设备的长期维护，远程诊断则以短的响应时间著称。
为了充分利用全球现有资源，使用了所谓虚拟办公室8，它借助现代通信设施相互联网。该虚拟办公室例如可实现分散的规划，开发及售后服务。
具有上述组成部分1至8的自动化系统可从图2中了解到。构成轧钢机列9的工业设备设有一个主导系统10，该主导系统包括技术模型11及一个数据采集部分12。轧钢机列9启动运行的头三个阶段通过位于现场的启动运行人员13来实现。而在第四阶段进行的技术性启动运行则通过技术中心14来完成，该技术中心通过现代通信设施15与轧钢机列9的主导系统10相连接。技术中心14包括设计人员、开发人员、规划人员及启动运行人员的过程专用的知识。此外，普通的及设备专用的技术模型16，17，一个用于各种工业设备的数据库18，及一个用于规划的设备专用系统19也供技术中心14采用。这样一种基本设施不仅允许技术性的远程启动运行，而且也允许轧钢机列9的售后服务及维护。在此情况下，启动运行人员13是一个维护人员。如果出现了故障情况，可通过快速(秒级)接通技术中心14中设有的计算机设施及通过位于技术中心14的专家的介入实现快速故障诊断及排除。由于设有框架6，在此情况可更换软件组件，而不需要专家组来到轧钢机列9跟前。
在图3中以概要方式表示出技术中心14的结构。技术中心14在空间上与外部场所20分开设置，外部场所20通过数据导线与技术中心相连接。此外，技术中心14与维护站21连接，后者掌管区域性维护范围并充分利用经验知识。通过现代通信设施15，例如ISDN、调制解调器、内联网或互联网，该技术中心14与各种工业设备22至25相连接。技术中心14具有一个内部办公网络26，它通过一个防火墙(Firewall)27与远程启动运行网络28相连接。办公网络26及远程启动运行网络28分别由多个计算机29组成，它们例如通过以太网用铰接连接线对彼此连接。防火墙27具有一个监测站30，用于防止从外部对内部办公网26进行未授权的访问。
图4中表示远程启动运行网络28通过一个ISDN数据导线与一个工业设备的主导系统10连接。借助所谓路由器(Router)31在主导系统10及远程启动运行网络28之间自动建立最佳连接，以便实现譬如启动运行人员13与技术中心14之间的对话。这种连接可以有规律地安排，也可以根据一周日期或每日时间变化。
借助上述的自动化系统可以汇集世界范围内的资源，如从图5中看到的那样。在此情况下，使用现代通信设施，例如ISDN可以建立全球性的、与时间及地点无关的过程控制及优化的前提。对此也利用虚拟办公室8的装置，以此例如来对规划、设计开发或售后服务方面提供保证。
权利要求
1.一种用于工业设备(22至25)的建造及操作的自动化系统，尤其是用于对原材料工业中的单个设备部件或全部设备进行设计、规划、实施、启动运行、维护及优化的自动化系统，它具有一个以计算机为基础的主导系统(10)，该主导系统为了对过程进行控制技术性的描述，动用过程模型，如数学-物理形式的模型(1)、神经网络模型(2a、2b)或基础知识系统，其特征在于通过一个或多个彼此联网的控制点(8、14、20)进行分散的过程控制及优化，其中在利用现代公共通信设施(15)的情况下连续地在线或离线地监视过程变化或至少用模型进行检验，并且能使过程模型(1)、参数及软件专门与设备适配。
2.根据权利要求1所述的自动化系统，其特征在于设有一个技术性远程启动运行部分(7)。
3.根据权利要求1或2所述的自动化系统，其特征在于设有一个在线和/或离线的远程优化部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的自动化系统，其特征在于设有硬件及软件组件，它们可通过演进、尤其是遗传学算法(3)优化地构成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的自动化系统，其特征在于可借助一个演进策略、最好是遗传学程序(4)对过程模型(1)进行优化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的自动化系统，其特征在于设有用于模块化软件组件的预定框架(6)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的自动化系统，其特征在于通信设施(15)为电话、ISDN、卫星、或互联网/内联网。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的自动化系统，其特征在于控制场所(14)被设计成虚拟办公室(8)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的自动化系统，其特征在于主导系统(10)可设有以下用途的计算装置(29)用于设备专用参数的适配，用于设备专用结构的过程模型(1)的存储，用于预计算算法的存储，用于趋向跟随的存储，用于自适应算法的存储，用于神经网络模型(2a、2b)的训练和/或优化；以及可设有诊断存储器(11、12)，它们可受到通信设施(15)的影响。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的自动化系统，其特征在于控制场所是一个远离设备的技术中心(14)，它借助数据远程传输(15)与一个工业设备(22至25)的主导系统(10)形成连接。
11.根据权利要求10所述的自动化系统，其特征在于技术中心(14)具有一个内部网(26)，为了与工业设备(22至25)通信，该内部网通过安全数据传输装置(27)与远程启动运行网络(28)和/或运行优化网络连接。
12.根据权利要求10或11所述的自动化系统，其特征在于对技术中心(14)配置在空间上与其分开的外部场所(20)，后者通过数据导线(15)与前者形成连接。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的自动化系统，其特征在于设有一个管理单位，它具有用于采集数据的求值软件并同时适于构成“航海日记”式的控制。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的自动化系统，其特征在于在技术中心(14)中具有在数据库(18)中的技术知识及在普通和设备专用的技术组件(16、17)中的技术知识，这些技术知识可传输到主导系统(10)的技术组件(11)和数据采集单元(12)中。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的自动化系统，其特征在于技术中心(14)具有硬件装置，软件工具，启动运行工具，软件开发工具，软件演进工具，用于人造神经网络(2a，2b)的训练工具及统计求值程序，它们可应用于设备中枢。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的自动化系统，其特征在于技术中心(14)借助监视器、计算装置(29)及摄像机构成多位置规划、设计、启动运行或工作优化办公室，其中在直接对话、图像改变或软件输入时可通过语音及电视图像补充或替代地进行远程传输。
全文摘要
一种用于工业设备(22至25)的建造及操作的自动化系统,尤其是用于对原材科工业中的单个设备部件或全部设备进行设计、规划、实施、投入运行、维护及优化的自动化系统,它具有一个以计算机为基础的主导系统(10),该主导系统为了对过程进行控制技术性的描述动用过程模型,如数学－物理模型(1),神经网络模型(2a、2b)或基础知识系统,为了作如下改进,使得在远离设备的地点上实现简单及成本合理的分散式过程控制及优化;本发明建议:通过一个或多个彼此联网的控制点(9、14、20)进行分散的过程控制及优化,其中在利用现代公共通信设施(15)的情况下连续地在线或离线地监视过程变化或至少用模型进行检验,使过程模型(1)、参数及软件与专门的设备适配。
文档编号G05B17/00GK1255208SQ98804847
公开日2000年5月31日 申请日期1998年4月2日 优先权日1997年4月14日
发明者冈特·佐尔格, 托马斯·海姆克, 奥托·格拉姆科 申请人:西门子公司