實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)及方法
【專利摘要】一種實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)及方法，該平臺(tái)包括：過程控制級(jí)、基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)和設(shè)備仿真級(jí)；過程控制級(jí)通過以太網(wǎng)連接基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)通過硬接線連接設(shè)備仿真級(jí)；過程控制級(jí)和基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，在硬件和軟件的配置上均與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)保持一致。本發(fā)明采用實(shí)物與仿真模型相結(jié)合的方法，與實(shí)驗(yàn)軋機(jī)相比，節(jié)省了大量設(shè)備投入的情況下，兼顧了追求現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制系統(tǒng)得以再現(xiàn)的目標(biāo)；與純粹計(jì)算機(jī)軟件仿真相比，增加了工業(yè)過程控制中不可或缺的實(shí)時(shí)控制層，使之更加近似于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制結(jié)構(gòu)；同時(shí)，控制系統(tǒng)與仿真軋制設(shè)備之間采用硬接線的方式進(jìn)行連接，在非工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)直接再現(xiàn)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通訊連接方式。
【專利說明】實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬軋制過程自動(dòng)化仿真實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過 程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 金屬的軋制過程是典型的流程工業(yè)軋制過程，具有復(fù)雜、高速、多變量、時(shí)變等特 點(diǎn)，通常在軋機(jī)投入軋制運(yùn)行之前都需要進(jìn)行大量的調(diào)試工作；同時(shí)，盡管軋機(jī)控制系統(tǒng)的 基礎(chǔ)設(shè)備在技術(shù)上已經(jīng)成熟，基本的軋制自動(dòng)化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但其中還有很多理論和實(shí)際課 題等待研究解決，要對(duì)這些問題加以解決，同樣需要進(jìn)行大量基于軋制設(shè)備的實(shí)際測(cè)試工 作。而在實(shí)際情況中，金屬軋制過程由于設(shè)備、加工材料和成本等因素，在線進(jìn)行有關(guān)軋制 過程的試驗(yàn)研究具有很大風(fēng)險(xiǎn)性，而建設(shè)完全真實(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，則生產(chǎn)線部分對(duì)建設(shè)場(chǎng)地、 實(shí)驗(yàn)材料、投入成本等又提出很高要求，甚至難以實(shí)現(xiàn)。
[0003] 隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)，為解決上述矛盾提供了嶄新的方法。通過建立相應(yīng) 的仿真系統(tǒng)并在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)研究具有低成本、零風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。目前，金屬軋制過程 的仿真和模擬有以下兩種方法：
[0004] (1)實(shí)驗(yàn)軋機(jī)
[0005] 其特征是控制系統(tǒng)仿照實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)軋機(jī)，這樣做控制系統(tǒng)真實(shí)性較 高，實(shí)驗(yàn)軋機(jī)根據(jù)實(shí)際軋機(jī)按照一定比例縮小，因?yàn)橛写罅繉?shí)體設(shè)備，所以建設(shè)周期長(zhǎng)，投 入資金多，占地規(guī)模大，日常維護(hù)難。
[0006] (2)計(jì)算機(jī)軟件仿真
[0007] 其特征是采用純粹的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真，省略實(shí)驗(yàn)軋機(jī)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的硬 件設(shè)備，忽略實(shí)際軋制過程中大量的邏輯控制，不關(guān)心工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)軋制過程控制系統(tǒng)的具體 實(shí)現(xiàn)，只仿真軋制設(shè)備的輸出結(jié)果等。與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況區(qū)別較大，難以起到"仿真"或 "模擬"的目的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在 環(huán)仿真平臺(tái)及方法。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0010] 一種實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，該平臺(tái)包括：過程控制級(jí)、 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；所述過程控制級(jí)用于實(shí)現(xiàn)金屬軋制過程數(shù)據(jù)的設(shè)定、對(duì)金屬軋制過程的控 制和優(yōu)化；所述基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)用于實(shí)現(xiàn)金屬軋制過程各種工藝控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)及邏輯 控制；所述過程控制級(jí)通過以太網(wǎng)連接基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；該平臺(tái)還包括設(shè)備仿真級(jí)；
[0011] 所述設(shè)備仿真級(jí)，用于建立多個(gè)軋制設(shè)備的仿真模型、乳件的仿真模型和數(shù)據(jù)庫(kù)， 并運(yùn)行所述仿真模型模擬現(xiàn)場(chǎng)的軋制過程；所述數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)的軋制設(shè)備參數(shù)和軋 制過程數(shù)據(jù)；
[0012] 所述基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)通過硬接線連接設(shè)備仿真級(jí)；
[0013] 所述過程控制級(jí)和基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，在硬件和軟件的配置上均與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)保持一 致。
[0014] 所述設(shè)備仿真級(jí)，根據(jù)不同軋制設(shè)備的參數(shù)建立對(duì)應(yīng)的不同軋制設(shè)備的仿真模 型。
[0015] 采用所述的實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)模擬金屬軋制過程 自動(dòng)控制方法，包括如下步驟：
[0016] 首先，分別獲取工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中軋制設(shè)備參數(shù)和軋制過程數(shù)據(jù)；分別對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的 軋制設(shè)備和軋件建立仿真模型，并運(yùn)行所述仿真模型開始模擬軋制過程；將模擬軋制過程 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過硬接線傳送至基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)根據(jù)接收到的模擬軋制過程的 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和從過程控制級(jí)接收的控制指令對(duì)模擬軋制過程進(jìn)行控制，同時(shí)，將所述的模擬 軋制過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至過程控制級(jí)；過程控制級(jí)根據(jù)接收到的模擬軋制過程的實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)，對(duì)軋制過程的自動(dòng)控制進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的控制策略，并將對(duì)應(yīng)的控制指令傳送至基 礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；最后，基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)根據(jù)該控制指令通過硬接線對(duì)模擬軋制過程進(jìn)行控制。
[0017] 有益效果：本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)與現(xiàn)有技術(shù) 相比較有以下優(yōu)勢(shì)：
[0018] 本發(fā)明采用實(shí)物與仿真模型相結(jié)合的方法，為研究人員提供了一個(gè)面向金屬軋制 過程的高級(jí)控制算法設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的平臺(tái)，與實(shí)驗(yàn)軋機(jī)相比，在節(jié)省大量設(shè)備投入 的情況下，兼顧了追求現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制系統(tǒng)得以再現(xiàn)的目標(biāo)，且由于減少軋制設(shè)備的直接投 入而節(jié)約了設(shè)備投入成本；與純粹計(jì)算機(jī)軟件仿真相比，增加了工業(yè)過程控制中不可或缺 的實(shí)時(shí)控制層，使之更加近似于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制結(jié)構(gòu)；同時(shí)，控制系統(tǒng)與仿真軋制設(shè)備之間 采用硬接線的方式進(jìn)行連接，這與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)與實(shí)際軋制設(shè)備的連接方式一致， 在非工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)直接再現(xiàn)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通訊連接方式，從而可以進(jìn)行原本需要在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 完成的調(diào)試工作，可以大大減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作，經(jīng)過如上實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)的控制系統(tǒng)幾 乎稍加改動(dòng)就可以直接移植到現(xiàn)場(chǎng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái) 的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式的實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái) 所應(yīng)用的軟件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式的軋制設(shè)備機(jī)理模型生成過程示意圖；
[0022] 圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式的卷取機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)控圖；
[0023] 圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真方法的流程 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0025] 本實(shí)施方式的實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，如圖1所示，包 括：過程控制級(jí)L2、基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1和設(shè)備仿真級(jí)LO ;所述過程控制級(jí)L2與基礎(chǔ)自動(dòng)化 級(jí)L1通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相連，所述的基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1通過硬連接線連接到設(shè)備仿真 級(jí)L0。
[0026] 本實(shí)施方式的過程控制級(jí)L2,包括工程師站、操作終端、過程優(yōu)化計(jì)算機(jī)、便攜計(jì) 算機(jī)和打印機(jī)；本平臺(tái)采用的主要硬件的型號(hào)如表1所示，其中，工程師站、操作終端和過 程優(yōu)化計(jì)算機(jī)均采用型號(hào)為戴爾A4600K的臺(tái)式計(jì)算機(jī)，便攜計(jì)算機(jī)采用聯(lián)想E430筆記本 電腦，打印機(jī)采用惠普5100se打印機(jī)。在以上設(shè)備中，工程師站的操作安全級(jí)別要高于操 作終端，主要用于有一定權(quán)限的工程師對(duì)一些模型、工藝參數(shù)的修改；而操作終端只用于監(jiān) 視系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行一些加工和處理；過程優(yōu)化計(jì)算機(jī)主要是用來運(yùn)行 一些工藝參數(shù)的計(jì)算模型同時(shí)對(duì)軋制過程進(jìn)行優(yōu)化；便攜計(jì)算機(jī)的功能相當(dāng)于工程師站， 主要是用來作為特定階段的調(diào)試時(shí)使用；5100se打印機(jī)主要用來打印一些必要的報(bào)表和 過程數(shù)據(jù)。最終過程控制級(jí)L2通過以太網(wǎng)將設(shè)計(jì)的模型和參數(shù)傳輸給基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1同 時(shí)將基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示和打印。
[0027] 本實(shí)施方式的基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1，包括兩個(gè)裝入實(shí)時(shí)控制程序的PLC工業(yè)控制器， HMI人機(jī)交互界面以及手動(dòng)操作臺(tái)；其中，PLC工業(yè)控制器通過SM500通訊模塊與設(shè)備仿真 級(jí)L0的IPC-610工控機(jī)端的通訊板卡連接，用于實(shí)現(xiàn)各種工藝控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)及邏輯 控制，所述各種工藝控制系統(tǒng)既包括速度控制系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、厚度控制系統(tǒng)、板形控 制系統(tǒng)等，也包括各種控制系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)、補(bǔ)償、解耦、綜合等，還包括數(shù)據(jù)的采集、執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的控制，以及各種輔助控制功能；HMI人機(jī)交互界面用來顯示實(shí)時(shí)控制過程的一些關(guān) 鍵數(shù)據(jù)、曲線、圖形等，實(shí)現(xiàn)軋制過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)可視化；操作臺(tái)主要用于模擬現(xiàn)場(chǎng) 的一些人為干預(yù)的情況，由操作人員根據(jù)軋制過程的工作情況，進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯ぱa(bǔ)償。
[0028] 本實(shí)施方式的基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1通過硬接線連接設(shè)備仿真級(jí)L0,如前所述的PLC工 業(yè)控制器通過SM500通訊模塊與設(shè)備仿真級(jí)L0的IPC-610工控機(jī)端的通訊板卡連接；所述 硬接線方式指的是與軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的接線方式一致。技術(shù)人員在設(shè)備仿真級(jí)L0中完成對(duì)真實(shí) 軋機(jī)的仿真之后，將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1與設(shè)備仿真級(jí)L0采用硬接線的方式進(jìn)行連 接后，即可進(jìn)行原本需要在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完成的調(diào)試工作，可以大大減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作； 進(jìn)而，在連接設(shè)備仿真級(jí)L0完成調(diào)試工作之后，整個(gè)金屬軋制過程自動(dòng)控制系統(tǒng)可以基本 不加調(diào)試，直接連接到現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的軋機(jī)設(shè)備上，從而大大節(jié)省了設(shè)備的投運(yùn)成本。
[0029] 本實(shí)施方式中，設(shè)備仿真級(jí)L0包括兩個(gè)研華IPC-610工控機(jī)和一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算 機(jī)，其中每個(gè)IPC-610工控機(jī)通過PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡采集基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1發(fā)出的控制 信號(hào)，然后通過每個(gè)IPC-610工控機(jī)中安裝的PCI-1723模擬量輸出卡向PLC發(fā)送軋機(jī)的工 作數(shù)據(jù)。
[0030] 表1實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)中主要硬件的型號(hào)
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，該平臺(tái)包括：過程控制級(jí)、 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；所述過程控制級(jí)用于實(shí)現(xiàn)金屬軋制過程數(shù)據(jù)的設(shè)定、對(duì)金屬軋制過程的控 制和優(yōu)化；所述基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)用于實(shí)現(xiàn)金屬軋制過程各種工藝控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)及邏輯 控制；所述過程控制級(jí)通過以太網(wǎng)連接基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；其特征在于：該平臺(tái)還包括設(shè)備仿 真級(jí)； 所述設(shè)備仿真級(jí)，用于建立多個(gè)軋制設(shè)備的仿真模型、乳件的仿真模型和數(shù)據(jù)庫(kù)，并運(yùn) 行所述仿真模型模擬現(xiàn)場(chǎng)的軋制過程；所述數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)的軋制設(shè)備參數(shù)和軋制過 程數(shù)據(jù)； 所述基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)通過硬接線連接設(shè)備仿真級(jí)； 所述過程控制級(jí)和基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，在硬件和軟件的配置上均與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)保持一致。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，其特征在 于：所述設(shè)備仿真級(jí)，根據(jù)不同軋制設(shè)備的參數(shù)建立對(duì)應(yīng)的不同軋制設(shè)備的仿真模型。
3. 采用權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)用金屬軋制過程自動(dòng)控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)模擬金屬 軋制過程自動(dòng)控制方法，包括如下步驟： 首先，分別獲取工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中軋制設(shè)備參數(shù)和軋制過程數(shù)據(jù)；分別對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的軋制 設(shè)備和軋件建立仿真模型，并運(yùn)行所述仿真模型開始模擬軋制過程；將模擬軋制過程的實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)通過硬接線傳送至基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)；基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)根據(jù)接收到的模擬軋制過程的實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)和從過程控制級(jí)接收的控制指令對(duì)模擬軋制過程進(jìn)行控制，同時(shí)，將所述的模擬軋制 過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至過程控制級(jí)；過程控制級(jí)根據(jù)接收到的模擬軋制過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 對(duì)軋制過程的自動(dòng)控制進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的控制策略，并將對(duì)應(yīng)的控制指令傳送至基礎(chǔ) 自動(dòng)化級(jí)；最后，基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)根據(jù)該控制指令通過硬接線對(duì)模擬軋制過程進(jìn)行控制。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK104267613SQ201410468821
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】譚樹彬, 劉建昌, 焦璽曉, 于曉飛, 于霞 申請(qǐng)人:東北大學(xué)