專利名稱：自動化系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)設備的建造及操作的自動化系統(tǒng)，尤其是用于對原材料工業(yè)中的單個設備部件或全部設備進行設計、規(guī)劃、實施、投入工作、維護及優(yōu)化的自動化系統(tǒng)，它具有一個以計算機為基礎的主導系統(tǒng)，該主導系統(tǒng)為了對過程進行控制技術性描述采用過程模型，如數(shù)學-物理形式的模型、神經(jīng)網(wǎng)絡模型或基礎知識系統(tǒng)等等。
對工業(yè)設施、例如軋鋼廠的效率不斷增長的要求，需要工作及生產(chǎn)過程以最大限度的經(jīng)濟性、安全性及可靠性來運行。對此已經(jīng)知道，生產(chǎn)過程已由連續(xù)借助計算機支持的信息流的設計在很大程度上自動化了。在此情況下，尤其對于過程引導及優(yōu)化由數(shù)學-物理過程模型起作用，該模型描述過程并由此可實現(xiàn)工業(yè)設施的仿真及調節(jié)。
對此使用的主導系統(tǒng)已由DE 19508474A1或DE 19508476A1公知。該以計算機為基礎的主導系統(tǒng)獨立地識別一個工業(yè)設施的狀態(tài)或在設施中進行的生產(chǎn)過程并產(chǎn)生適合狀態(tài)的指示，該指示將保證一種智能化的過程控制。此外將進行持續(xù)的過程優(yōu)化，這時基于預給定的給定值的過程模型借助于自適應方法、例如神經(jīng)網(wǎng)絡在線或離線地被改善。
由未預先公開的德國專利申請19624926.0還公知了一種具有設備主導系統(tǒng)的工業(yè)設施啟動運行的方法，該主導系統(tǒng)執(zhí)行非控制功能及控制功能，它的控制功能用形式為數(shù)學模型、神經(jīng)模型或專家系統(tǒng)的過程模型來工作。該公知方法的特征是，運行啟動被分為非控制功能的運行啟動及控制功能的繼續(xù)運行啟動來執(zhí)行，非控制功能的運行啟動主要是通過現(xiàn)場人員啟動控制功能來實現(xiàn)的，控制功能的運行啟動是通過數(shù)據(jù)導線由至少一個遠離設備場所、最好由一個技術中心遠程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)控制的。
由US-PS 4 783 998還公知了一種發(fā)電機的調節(jié)方法，其中將在發(fā)電機上獲得的測量值遠程傳輸?shù)揭粋€計算機中用于分析和求值。其缺點是，所獲得的測量值僅涉及單個部件、如發(fā)電機軸，而未涉及關于發(fā)電機整體性能的描述。雖然與此相比借助于由DE 19508474A1及DE 19508476A1公知的主導系統(tǒng)及由德國專利申請19624926.0公知的一個復雜設備整體過程的優(yōu)化方法根據(jù)模型交錯可以作到，但這是與高成本相關的。對此的原因首先是，為了能由遠程中心分散地進行設備特定的優(yōu)化，需要專用的傳輸路徑。
本發(fā)明的目的在于，對用于工業(yè)設備調節(jié)及操作的自動化系統(tǒng)進一步改進，它在克服上述缺點的情況下能實現(xiàn)距設備遠程的簡單且成本合理的分散的過程控制及優(yōu)化。
本發(fā)明的目的在一個前言部分所述類型的自動化系統(tǒng)中通過一個或多個彼此聯(lián)網(wǎng)的控制點的分散過程控制及優(yōu)化來實現(xiàn)，其中在充分利用現(xiàn)代公共通信設施的情況下連續(xù)地在線或離線地監(jiān)視或至少按模型檢測過程變化，并且能使過程模型、參數(shù)及軟件與專門的設備適配。
這樣構型的一種自動化系統(tǒng)能實現(xiàn)由一個遠離設備的場所進行成本合理的過程控制及優(yōu)化，其中遠程傳輸數(shù)據(jù)借助現(xiàn)有的通信設施傳送到相關的工業(yè)設備。因為該數(shù)據(jù)不僅涉及過程專用參數(shù)而且也考慮到過程模型的變化甚或現(xiàn)場的、即相關工業(yè)設備處的軟件的變化，因此在改善設備功能的同時使整個工程的成本降低。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，設置了一種技術性的遠程啟動運行，以便一方面利用中心計算能力及現(xiàn)代啟動運行工具，另一方面保證該相關設備的技術秘密安全地回用到開發(fā)中。為了盡可能實現(xiàn)高時間效率，以有利的方式設置了在線和/或離線的遠程優(yōu)化。
特殊的優(yōu)點還在于，設置了硬件及軟件部分，它們通過進化、尤其是遺傳學算法(genetischer Algorithm)來構成。遺傳學算法的應用對于實現(xiàn)極佳的優(yōu)化提供了高概率。因此合乎要求的是，過程模型借助演化策略，最好是一種遺傳學程序來優(yōu)化。尤其是，演化策略也可以根據(jù)在整體優(yōu)化方向上運行的值來檢驗神經(jīng)網(wǎng)絡。由于高的計算成本，對此還是離線進行為佳。
根據(jù)本發(fā)明一個有利的改進設計，設置了用于模塊化軟件組件的預定范圍。以此方式能夠作到不用編程工作便可更換軟件組件，以使得設備專用適配及整個自動化系統(tǒng)的長期維護得以保證。合乎目的的還在于，通信設施為電話、ISDN、衛(wèi)星、或互聯(lián)網(wǎng)/內聯(lián)網(wǎng)，以便鑒于現(xiàn)有數(shù)據(jù)導線實現(xiàn)符合需要的靈活性。
根據(jù)本發(fā)明另一有利特征，控制點被設計成一個虛擬辦公室。通過現(xiàn)代通信設施的充分利用，以此方式可實現(xiàn)譬如分散的規(guī)劃、開發(fā)設計及售后服務，再基于聯(lián)網(wǎng)保證全球資源的匯合。
根據(jù)本發(fā)明的一個改進設計，主導系統(tǒng)可設有以下用途的計算裝置用于設備專用參數(shù)的適配，用于設備專用結構的過程模型的存儲，用于預計算算法的存儲，用于趨向跟隨的存儲，用于自適應算法的存儲，用于神經(jīng)網(wǎng)絡模型的訓練和/或優(yōu)化；而且可設有診斷存儲器，它們可受到通信設施的影響。這提供了這樣的優(yōu)點可根據(jù)遠離裝置一場所處的技術給定值優(yōu)化工業(yè)設備。為此目的進一步建議，控制點是遠離設備的技術中心，它借助數(shù)據(jù)遠程傳輸與工業(yè)設備的主導系統(tǒng)相連接。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選設計方案，技術中心設有一個內部網(wǎng)，為了與工業(yè)設備通信該內部網(wǎng)通過安全數(shù)據(jù)傳輸裝置與遠程啟動運行網(wǎng)絡和/或運行優(yōu)化網(wǎng)絡相連接。這樣一種“防火墻”可實現(xiàn)安全工作及防范間諜的侵入。
為了匯集外部專業(yè)知識及規(guī)劃隊伍，還建議，設置在空間上與技術中心分開的外部場所，它通過數(shù)據(jù)導線與技術中心形成連接。
在本發(fā)明的另一改進方案中設置了一個管理單位，它設有對采集數(shù)據(jù)求值的軟件并同時適于構成“航海日記”式的指導。以此方式，可以遵循優(yōu)化措施，由此可以得出用于將來優(yōu)化措施的邏輯結論。合乎要求的是，在技術中心內的數(shù)據(jù)庫及一般的設備專用的技術組件中設有技術知識，這些技術知識可傳輸?shù)街鲗到y(tǒng)的技術組件及數(shù)據(jù)采集單元中，以致在簡單輸入新數(shù)據(jù)的情況下，可以保證工業(yè)設備整體過程的逐步改善。
合乎要求的還在于，技術中心設有硬件裝置，軟件工具，啟動運行工具，軟件開發(fā)工具，軟件演進工具，用于人造神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練工具，及統(tǒng)計求值程序，它們可應用于設備中樞。通過使用設備中樞裝置及工具可以實現(xiàn)通用的自動化系統(tǒng)，設備專用的、即專門開發(fā)的裝置及工具僅在其必需時才使用。最后建議，技術中心借助監(jiān)視器、計算設備及攝像機構成多位置規(guī)劃、設計、啟動運行或工作優(yōu)化辦公室，其中在直接對話、圖像改變或軟件輸入時可通過語音及電視圖像補充或替代地遠程傳輸。同樣能以此方式及方法構成技術中心的外部場所。在使用人造神經(jīng)網(wǎng)絡工作時可得到特別有利的效果，其中從訓練數(shù)據(jù)采集到輸出新參數(shù)需要統(tǒng)一的處理。通過技術中心及外部場所的上述構型可以這樣地工作所有參與過程控制及優(yōu)化的人員好比位于一個地點上，即專門的工業(yè)設備現(xiàn)場。
從以下對附圖中表示的優(yōu)選實施例的說明中可以得到本發(fā)明內容的其它細節(jié)、特征及優(yōu)點，附圖中


圖1為體現(xiàn)本發(fā)明自動化系統(tǒng)特征的組成部分的概要示圖；圖2為一個工業(yè)設備過程優(yōu)化的概要示圖；圖3為一個技術中心的概要示圖；圖4為在技術中心及工業(yè)設備之間傳輸數(shù)據(jù)的概要示圖；及圖5為一個分散的過程控制及優(yōu)化的概要示圖。
在圖1中概要表示的自動化系統(tǒng)的中心點具有數(shù)學-物理過程模型1，它描述一個工業(yè)設備的生產(chǎn)過程。因此借助該數(shù)學-物理過程模型1可以實現(xiàn)對設備過程的模擬以及對設備進行機械和電方面的設計。為了改善數(shù)學-物理過程模型1的精確度，采用了神經(jīng)網(wǎng)絡2a、2b，在所儲備的工業(yè)設備測量值的基礎上對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練。在此情況下神經(jīng)網(wǎng)絡2a、2b的訓練可根據(jù)計算成本離線地(2a)或在線地(2b)進行。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡2a、2b的應用可結合數(shù)學-物理過程模型1進行(所謂的相對神經(jīng)網(wǎng)絡)，或用于技術過程模型的構成，該技術過程迄今一直避免數(shù)學-物理的描述(所謂的絕對神經(jīng)網(wǎng)絡)。尤其當需要識別工業(yè)設備的“日常形式”(“Tagesform”)以便使自動化系統(tǒng)對其適配時，可在線訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡2b就起作用了。在此情況下基于在線測得的測量值進行訓練，然后這些測量值匯入?yún)?shù)和/或過程模型的優(yōu)化。
數(shù)學-物理過程模型1對相關工業(yè)設備的最佳適配可以通過遺傳學算法3來實現(xiàn)。借助不同試探解法的隨機變異可以通過該演進算法找到對設備專用過程模型的最佳參數(shù)調整。因此相關工業(yè)設備技術性的啟動運行可轉移到遠離設備的計算中心，由此使技術性的啟動運行自動化。借助遺傳學算法對上述參數(shù)優(yōu)化的補充構成了遺傳學程序4。借助該演進策略可實現(xiàn)過程模型的結構化改善。
對于上述組成部分的基本先決條件是一種合適的軟件建筑結構。在此情況下目標定向程序5保證了軟件對不同應用目的的可重復使用性，這時明確的結構及標準接口構成方案管理及結構安排的基礎。此外，應用軟件的可重復使用性除目標定向外還通過一致的模塊化來增強。所謂“框架”6也有助于統(tǒng)一軟件模塊的使用，該框架構成模塊化軟件組件的給定范圍。在最簡單的情況下框架可理解為“軟件柜”，在其中插著各個軟件組件，使得無需耗費編程工作就能進行軟件組件的更換。以此方式可保證自動化系統(tǒng)的長期維護。
通常一個工業(yè)設備的運行啟動可分為四個階段。第一階段由各系統(tǒng)的硬件構成及啟動組成。在其后緊接著進行應用軟件的運行啟動及接口試驗。第三階段是工業(yè)設備的試驗，例如在軋鋼設備的情況下為“第一鋼帶”的軋制。第四階段即最后階段構成技術性的啟動運行，它在自動化的范圍內具有重大意義。為了考慮到這樣的情況，該自動化系統(tǒng)將動用一個遠程啟動運行7，這可由一個遠離設備的計算中心通過現(xiàn)代通信設施來實現(xiàn)技術性的啟動運行。除了提供中心的計算容量以及支持開發(fā)者外，在此情況下也使工業(yè)設備的技術秘密回用到開發(fā)中。以此方式，將通過遠程診斷來進行工業(yè)設備的長期維護，遠程診斷則以短的響應時間著稱。
為了充分利用全球現(xiàn)有資源，使用了所謂虛擬辦公室8，它借助現(xiàn)代通信設施相互聯(lián)網(wǎng)。該虛擬辦公室例如可實現(xiàn)分散的規(guī)劃，開發(fā)及售后服務。
具有上述組成部分1至8的自動化系統(tǒng)可從圖2中了解到。構成軋鋼機列9的工業(yè)設備設有一個主導系統(tǒng)10，該主導系統(tǒng)包括技術模型11及一個數(shù)據(jù)采集部分12。軋鋼機列9啟動運行的頭三個階段通過位于現(xiàn)場的啟動運行人員13來實現(xiàn)。而在第四階段進行的技術性啟動運行則通過技術中心14來完成，該技術中心通過現(xiàn)代通信設施15與軋鋼機列9的主導系統(tǒng)10相連接。技術中心14包括設計人員、開發(fā)人員、規(guī)劃人員及啟動運行人員的過程專用的知識。此外，普通的及設備專用的技術模型16，17，一個用于各種工業(yè)設備的數(shù)據(jù)庫18，及一個用于規(guī)劃的設備專用系統(tǒng)19也供技術中心14采用。這樣一種基本設施不僅允許技術性的遠程啟動運行，而且也允許軋鋼機列9的售后服務及維護。在此情況下，啟動運行人員13是一個維護人員。如果出現(xiàn)了故障情況，可通過快速(秒級)接通技術中心14中設有的計算機設施及通過位于技術中心14的專家的介入實現(xiàn)快速故障診斷及排除。由于設有框架6，在此情況可更換軟件組件，而不需要專家組來到軋鋼機列9跟前。
在圖3中以概要方式表示出技術中心14的結構。技術中心14在空間上與外部場所20分開設置，外部場所20通過數(shù)據(jù)導線與技術中心相連接。此外，技術中心14與維護站21連接，后者掌管區(qū)域性維護范圍并充分利用經(jīng)驗知識。通過現(xiàn)代通信設施15，例如ISDN、調制解調器、內聯(lián)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，該技術中心14與各種工業(yè)設備22至25相連接。技術中心14具有一個內部辦公網(wǎng)絡26，它通過一個防火墻(Firewall)27與遠程啟動運行網(wǎng)絡28相連接。辦公網(wǎng)絡26及遠程啟動運行網(wǎng)絡28分別由多個計算機29組成，它們例如通過以太網(wǎng)用鉸接連接線對彼此連接。防火墻27具有一個監(jiān)測站30，用于防止從外部對內部辦公網(wǎng)26進行未授權的訪問。
圖4中表示遠程啟動運行網(wǎng)絡28通過一個ISDN數(shù)據(jù)導線與一個工業(yè)設備的主導系統(tǒng)10連接。借助所謂路由器(Router)31在主導系統(tǒng)10及遠程啟動運行網(wǎng)絡28之間自動建立最佳連接，以便實現(xiàn)譬如啟動運行人員13與技術中心14之間的對話。這種連接可以有規(guī)律地安排，也可以根據(jù)一周日期或每日時間變化。
借助上述的自動化系統(tǒng)可以匯集世界范圍內的資源，如從圖5中看到的那樣。在此情況下，使用現(xiàn)代通信設施，例如ISDN可以建立全球性的、與時間及地點無關的過程控制及優(yōu)化的前提。對此也利用虛擬辦公室8的裝置，以此例如來對規(guī)劃、設計開發(fā)或售后服務方面提供保證。
權利要求
1.一種用于工業(yè)設備(22至25)的建造及操作的自動化系統(tǒng)，尤其是用于對原材料工業(yè)中的單個設備部件或全部設備進行設計、規(guī)劃、實施、啟動運行、維護及優(yōu)化的自動化系統(tǒng)，它具有一個以計算機為基礎的主導系統(tǒng)(10)，該主導系統(tǒng)為了對過程進行控制技術性的描述，動用過程模型，如數(shù)學-物理形式的模型(1)、神經(jīng)網(wǎng)絡模型(2a、2b)或基礎知識系統(tǒng)，其特征在于通過一個或多個彼此聯(lián)網(wǎng)的控制點(8、14、20)進行分散的過程控制及優(yōu)化，其中在利用現(xiàn)代公共通信設施(15)的情況下連續(xù)地在線或離線地監(jiān)視過程變化或至少用模型進行檢驗，并且能使過程模型(1)、參數(shù)及軟件專門與設備適配。
2.根據(jù)權利要求1所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于設有一個技術性遠程啟動運行部分(7)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于設有一個在線和/或離線的遠程優(yōu)化部分。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于設有硬件及軟件組件，它們可通過演進、尤其是遺傳學算法(3)優(yōu)化地構成。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于可借助一個演進策略、最好是遺傳學程序(4)對過程模型(1)進行優(yōu)化。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于設有用于模塊化軟件組件的預定框架(6)。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于通信設施(15)為電話、ISDN、衛(wèi)星、或互聯(lián)網(wǎng)/內聯(lián)網(wǎng)。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于控制場所(14)被設計成虛擬辦公室(8)。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于主導系統(tǒng)(10)可設有以下用途的計算裝置(29)用于設備專用參數(shù)的適配，用于設備專用結構的過程模型(1)的存儲，用于預計算算法的存儲，用于趨向跟隨的存儲，用于自適應算法的存儲，用于神經(jīng)網(wǎng)絡模型(2a、2b)的訓練和/或優(yōu)化；以及可設有診斷存儲器(11、12)，它們可受到通信設施(15)的影響。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于控制場所是一個遠離設備的技術中心(14)，它借助數(shù)據(jù)遠程傳輸(15)與一個工業(yè)設備(22至25)的主導系統(tǒng)(10)形成連接。
11.根據(jù)權利要求10所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于技術中心(14)具有一個內部網(wǎng)(26)，為了與工業(yè)設備(22至25)通信，該內部網(wǎng)通過安全數(shù)據(jù)傳輸裝置(27)與遠程啟動運行網(wǎng)絡(28)和/或運行優(yōu)化網(wǎng)絡連接。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于對技術中心(14)配置在空間上與其分開的外部場所(20)，后者通過數(shù)據(jù)導線(15)與前者形成連接。
13.根據(jù)權利要求10至12中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于設有一個管理單位，它具有用于采集數(shù)據(jù)的求值軟件并同時適于構成“航海日記”式的控制。
14.根據(jù)權利要求10至13中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于在技術中心(14)中具有在數(shù)據(jù)庫(18)中的技術知識及在普通和設備專用的技術組件(16、17)中的技術知識，這些技術知識可傳輸?shù)街鲗到y(tǒng)(10)的技術組件(11)和數(shù)據(jù)采集單元(12)中。
15.根據(jù)權利要求10至14中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于技術中心(14)具有硬件裝置，軟件工具，啟動運行工具，軟件開發(fā)工具，軟件演進工具，用于人造神經(jīng)網(wǎng)絡(2a，2b)的訓練工具及統(tǒng)計求值程序，它們可應用于設備中樞。
16.根據(jù)權利要求10至15中任一項所述的自動化系統(tǒng)，其特征在于技術中心(14)借助監(jiān)視器、計算裝置(29)及攝像機構成多位置規(guī)劃、設計、啟動運行或工作優(yōu)化辦公室，其中在直接對話、圖像改變或軟件輸入時可通過語音及電視圖像補充或替代地進行遠程傳輸。
全文摘要
一種用于工業(yè)設備(22至25)的建造及操作的自動化系統(tǒng),尤其是用于對原材科工業(yè)中的單個設備部件或全部設備進行設計、規(guī)劃、實施、投入運行、維護及優(yōu)化的自動化系統(tǒng),它具有一個以計算機為基礎的主導系統(tǒng)(10),該主導系統(tǒng)為了對過程進行控制技術性的描述動用過程模型,如數(shù)學－物理模型(1),神經(jīng)網(wǎng)絡模型(2a、2b)或基礎知識系統(tǒng),為了作如下改進,使得在遠離設備的地點上實現(xiàn)簡單及成本合理的分散式過程控制及優(yōu)化;本發(fā)明建議:通過一個或多個彼此聯(lián)網(wǎng)的控制點(9、14、20)進行分散的過程控制及優(yōu)化,其中在利用現(xiàn)代公共通信設施(15)的情況下連續(xù)地在線或離線地監(jiān)視過程變化或至少用模型進行檢驗,使過程模型(1)、參數(shù)及軟件與專門的設備適配。
文檔編號G05B17/00GK1255208SQ98804847
公開日2000年5月31日 申請日期1998年4月2日 優(yōu)先權日1997年4月14日
發(fā)明者岡特·佐爾格, 托馬斯·海姆克, 奧托·格拉姆科 申請人:西門子公司