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一种烧结生产过程控制云制造仿真实验平台

时间:2012-08-25作者:来源:中国论文库
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  摘 要:为减少自动化系统现场调试的风险,提高适应性和可靠性,针对钢铁制造业中的烧结生产过程,设计并实现了一种基于云制造的仿真实验平台,提出云服务端以可编程逻辑控制器群、集散型控

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  摘 要:为减少自动化系统现场调试的风险,提高适应性和可靠性,针对钢铁制造业中的烧结生产过程,设计并实现了一种基于云制造的仿真实验平台,提出云服务端以可编程逻辑控制器群、集散型控制系统群、服务器群和数据库群等为物理资源层,以烧结过程的各种虚拟过程控制对象和优化控制模型等为虚拟资源层,面向钢铁制造企业、研究与设计机构等云接入端用户,提供烧结过程优化控制系统的半实物仿真、操作参数验证、生产过程模拟以及工艺流程学习等云服务。以烧结生产偏析布料工序的料层厚度自动控制系统为例,验证了实验平台的有效性。

  关键词:烧结;过程控制;云制造;虚拟资源;仿真实验平台

  0引言云制造是云计算的进一步发展,它在云计算的软件即服务、框架即服务、平台即服务三种服务模式的基础上,又增加了一种新的服务模式———制造即服务[1]。一般认为,云制造除了能提供广义云计算所能提供的计算资源外,还应提供更广泛的制造能力资源,包括实际的车间制造资源、模型设计与论证资源、仿真与实验资源等[2]。由此可见,云制造的核心思想是制造资源的服务化,通过将制造资源虚拟为云服务,为云终端用户提供设计、仿真、实验和制造的按需服务,从而实现制造业的资源共享、优势集成和高效低耗。由于制造资源种类繁多,流动性差,各制造企业之间的制造资源和制造能力也不均衡,如何封装这些复杂的制造资源,实现虚拟化和云端化,再通过云服务平台提供服务,并组织和协调好企业内部生产,都是目前仍未解决的重要问题,因此国内外对云制造的研究尚处于起步阶段[3]。

  本文着重于云制造中仿真实验平台资源的设计、封装和服务化等相关部分的研究。由于在制造过程中,进行复杂的工业过程控制往往具有多变量、强耦合和非线性等特点,使得过程控制系统的优化控制模型及其运行参数一般需要通过现场的调试及试运行过程进行在线训练与获取,严重影响了正常的生产过程,特别是冶金、石化等流程工业生产过程。基于此,工业过程控制仿真技术和装置作为一种有效途径能对过程控制中各控制模型及方法进行仿真验证,从而减少控制系统的试运行时间,并确保其有效性和可靠性,对于减少过程控制系统的运行风险,提高其控制效果,进而改善制造产品的质量、产量、能耗等指标,具有重要的意义。

  当前,国内外在制造过程自动化控制方面已经建立了一些仿真平台[4-12],如文献[6]建立了一种风能驱动感应发电机的快速控制原型和半实物仿真平台;文献[7]开发了用于对所制造的飞机电子设备进行测试的实验平台;文献[8]设计了应用于热轧带钢层流冷却智能优化控制的半实物仿真实验平台;文献[9]开发了磨矿生产过程仿真实验平台;文献[10]开发了一种数控力位置控制半实物仿真系统等。总体来看,通用性好的仿真平台抽象层次较高,但往往只具有数值仿真能力,并未考虑生产现场的工业设备及装置对仿真效果的影响,而当前已有的半实物仿真系统,则存在实验装置可扩展性低、仅能针对某一个具体对象或工序进行仿真实验等局限性。因此,现有的仿真平台一般只适合数值仿真计算服务或者为企业内部提供相关制造仿真服务,难以作为云制造的仿真服务资源,为不同的云端用户提供有效的制造仿真服务。

  烧结是典型流程制造业———钢铁冶炼的重要环节,包括配料、混合制粒、偏析布料、点火烧结、余热回收和烟气脱硫等主要工序[13],为使各个工序的过程控制系统能够运行在优化的状态下,在新的或者改进后的控制系统投入实际运行之前进行仿真实验与验证显得尤为重要。本文基于云制造的思想,设计开发了一种针对典型钢铁烧结流程的过程控制半实物仿真实验平台,通过将其封装并虚拟化为一种云制造仿真资源,可以为钢铁企业、设计与研发机构等不同的云端用户提供一种可共享的云制造仿真服务,通过使用这种云仿真服务,可以对烧结生产各工序的优化控制模型进行性能测试与验证分析,使其用于实际生产过程后能较快地稳定运行并取得更好的控制效果,从而带来更大的效益。以烧结流程偏析布料工序的过程控制作为典型的应用实例,验证了云仿真实验平台的有效性。

  1烧结过程云仿真实验平台体系架构云制造的核心思想是“制造即服务”,即通过云制造服务平台为云端用户提供一种按需的制造资源服务,其中的制造资源除了工业设备与装置等硬设备外,还包括仿真、模型、计算等软制造资源,因此云仿真是一种重要的云制造服务模式。

  1.1平台的服务方本文提出的云仿真实验平台面向典型的流程制造业———钢铁工业,并针对钢铁工业中的烧结流程,所设计的仿真平台的云服务方式如图1所示。

  云提供端是一种半实物的仿真实验平台,拥有除了生产设备等硬制造资源外的其他一些过程控制所需要的软资源,如可编程逻辑控制器(Program-mable Logic Controller,PLC)群、集散型控制系统(Distributed Control System,DCS)群、数模转换设备群、服务器群、组态软件群、各种虚拟的控制对象资源等,云端用户可以根据自身需求选择合适的软资源组合,进而使用平台进行相关的仿真与实验。

  例如,云端用户可以在控制参数投入实际工业生产之前对其进行仿真验证与优化操作。

  云请求端用户主要包括钢铁企业、设计机构、研究机构与教育培训机构,其中企业用户可以直接加载相关的实际生产数据到云仿真平台,进而进行控制参数的优化与仿真,指导生产过程;设计机构(如钢铁设计院等)可以在过程控制系统投入运行之前,通过云仿真平台验证参数设置的合理性,减少调试时间与风险;研究机构可以有效利用云仿真平台所提供的制造过程数据(这些数据源自于服务提供者所采集的或者企业用户所加载共享的实际工业生产过程数据)与虚拟制造资源等服务进行相关控制算法的设计与实验验证,提高了研究成果的实用性;教育培训机构则可以使用平台进行工艺流程学习、过程控制相关知识的培训等。在云提供端为各类云请求端提供仿真服务后,仿真的过程数据与设计方案等结果数据在一定的安全范围内又可以为后续的云端用户所共享,从而使得烧结生产过程控制的发展趋向于良性循环,促进钢铁制造业的发展。

  1.2平台的体系架构与工作机理典型的云制造系统体系架构分为物理资源层、虚拟资源层(又称中间件层)、核心服务层、应用接口层(又称门户层)和应用层[1],作为云制造系统的应用实例,本文所设计的烧结过程控制云仿真平台体系架构如图2所示。(1)物理资源层实际的烧结生产过程中主要使用PLC、DCS、检测仪表和实时数据库等构成基础自动化层,从生产线上的配料设备、布料装置、烧结机、环冷机和脱硫塔等采集仪器设备的状态参数,优化控制层的控制模型通过输入这些参数,计算出合理的操作参数,再通过基础自动层下发给相关的执行机构,如阀门、开关、电磁耦合装置等,实现针对不同目标的优化控制。

  在云仿真平台中,通过考查典型钢铁企业烧结过程的基础自动化层所普遍使用的PLC、DCS和数据库类型,构建了PLC群、DCS群和数据库群,对于大部分云请求端用户而言,云仿真平台所提供的基础自动化设备能与其实际使用的或熟悉的相匹配,从而使仿真结果具有更好的实用性。仿真平台没有工业现场的各种生产设备与检测装置,为此在虚拟资源层建立对象模型(各种虚拟的过程控制对象),模拟生产设备与检测装置等控制对象,并将这些对象模型的输入输出接入PLS和DCS。因为虚拟对象模型运行在服务器群上,其输入输出为数字信号,而通常PLC和DCS的输入输出为模拟信号,所以在物理资源层使用数模转换采集设备群,用以连接PLC和DCS与对象模型。

  (2)虚拟资源层钢铁烧结流程由配料、混合制粒、偏析布料等多个工序组成,为此在虚拟资源层需要设计多个工序的相应对象模型,这些模型与物理资源层一起形成了对实际生产过程中制造设备与基础自动化系统的虚拟化。转贴于中国论文库 http://www.lwkoo.com

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