一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法与流程

本发明属于冶金生产流程的数字孪生领域，特别是一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法。

背景技术：

1、当下的钢铁企业大多已经采用了连续的自动化系统和设备，且一直在持续推动数字化、智能化转型，但仍然需要用尖端数字化技术取代老旧的技术及管理方式，来解决钢铁制造所面临的产品种类激增、供需波动等各种挑战；这种挑战既包括市场需求变化，也包括竞争带来的运营压力，还有碳达峰碳中和要求下的转型压力。

2、面对挑战，数字孪生是钢铁行业要借助的重要技术手段，它可以帮助企业实现可视化新产线、设备、资源、工厂、生产流程及供应链的完美规划，实现整个生产过程的最优控制，不断优化业务运营，满足市场需要，提升生产能力，提高产品质量，降低营运成本，实现可持续发展。

3、虚拟调试技术对企业的价值体现在：早期验证优化研发+工艺+制造的可行性，检测和消除设计缺陷，减少物理样机投入成本；提前解决一系列技术上的问题，减少用户去现场调试的时间和出错率，节约出差成本，提高调试质量和效率；调整生产工艺，优化生产参数；虚实融合后为整个工厂的数字孪生打好基础，工厂建成之后可以与scada系统融合，打造基于三维模型的可视化监控系统，实现工厂的数字孪生。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，解决现场调试时间长、调试时间紧导致交付困难、程序开发质量不高、生产工艺调整导致生产参数变更频繁等问题。

2、所述的用于自动化系统虚拟调试的设计方法，具体步骤为：

3、首先，搭建与工业现场一致的硬件及网络分布结构以及5大系统：数据采集与分析系统、对象实时仿真系统、生产三维虚拟场景系统、过程自动化控制系统以及基础自动化控制系统plc。

4、生产三维虚拟场景系统根据对象实时仿真系统、基础自动化控制系统、过程自动化控制系统等产生的数据，实时展现还原生产场景；

5、对象实时仿真系统对生产节奏和生产参数等对象进行实时仿真；

6、数据采集与分析系统对设备动作行为、生产状态、工况数据进行实时采集、实时存储、实时监控和分析处理等；

7、基础自动化控制系统接收来自过程自动化控制系统的设定数据，按照生产时序控制各执行机构到达指定状态；该系统仿真生产现场的顺序逻辑控制等，并提供人机交互界面(hmi)实现操作人员对生产系统的实时监控与干预。

8、过程自动化控制系统对全线的生产工艺过程进行跟踪和控制，主要是控制模型及与基础自动化系统、数据采集系统、实时仿真系统的接口。

9、然后，在simulink中创建含机理模型的生产模型下载到目标机，实时目标机与plc通过profinet进行通讯，保证和工业现场一直的实时通讯速率和数据规模。

10、生产模型包括的输入参数有：板坯入口厚度h0，板坯出口厚度h1，工作辊半径r，轧辊线速度v0，板坯温度t，含碳量c，含锰量mn；

11、输出参数有：变形抗力k；

12、计算公式为：

13、

14、其中，f为轧制力，δh为板坯入口厚度与板坯出口厚度的差值h1-h0，q为应力状态系数，τb为轧制垂直力，τf为轧制摩擦力。

15、最后，通过人机交互界面和3d仿真界面，调试plc时序逻辑以及控制算法，实现自动化系统虚拟调试；

16、plc时序逻辑以及控制算法包括程序结构、模块、过程逻辑，测试plc项目和io信号以及生产过程控制算法。

17、本发明的优点在于：

18、1)本发明一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，针对工艺生产，提供模块化的产品与设备对象仿真模型，从而可以使用现有模型进行仿真研究，产生仿真数据，进而供给数据驱动的建模使用；

19、2)本发明一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，搭建有完整的自动化控制系统并预留丰富的数据接口，方便使用人员开发先进控制算法及其控制效果的研究；

20、3)本发明一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，以生产过程中能量流、物质流为基础，结合订单计划智能化组织生产，可以开展对生产排产的优化研究；

21、4)本发明一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，以实际的生产车间为依据搭建3d虚拟仿真模型，该模型提供丰富的数据接口，能够以过程自动化系统、基础自动化系统等的实时数据为驱动，动态地、实时地显示生产过程中产品、各生产设备的状态数据，方便开展先进制造技术的研究与开发。

技术特征：

1.一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，其特征在于，具体步骤为：

2.如权利要求1所述的一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，其特征在于，所述对象实时仿真系统对生产节奏和生产参数等对象进行实时仿真。

3.如权利要求1所述的一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，其特征在于，所述变形抗力k计算公式为：

4.如权利要求1所述的一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，其特征在于，所述plc时序逻辑以及控制算法包括程序结构、模块、过程逻辑，测试plc项目和io信号以及生产过程控制算法。

技术总结
本发明公开了一种用于自动化系统虚拟调试的设计方法，属于冶金生产领域；具体为：首先，搭建与工业现场一致的硬件及网络分布结构；通过生产三维虚拟场景系统还原生产场景，过程自动化控制系统对全线的生产工艺过程进行跟踪和控制，PLC按照生产时序控制各执行机构到达指定状态，仿真生产现场的顺序逻辑控制；数据采集与分析系统实时采集和分析处理设备动作行为、生产状态和工况数据；然后，创建生产模型下载到目标机，实时目标机与PLC通讯；最后，通过基础自动化控制系统的人机交互界面，调试PLC时序逻辑以及控制，实现自动化系统虚拟调试；本发明解决了现场调试时间长、程序开发质量不高、生产工艺调整导致生产参数变更频繁的问题。

技术研发人员：路广洲,齐正,周钟檀,吴枫,孙晨熙,张宇杉
受保护的技术使用者：中国钢研科技集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12