CN106249703B - 用于控制和/或分析工业的过程的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对工业的过程进行控制和/或分析的系统，该系统在设备侧具有至少一个自动化单元，其借助第一数据连接与用于对过程进行控制和/或监视的监视系统连接，并且在时间t_频率之内基于在时间t＝0时读入的过程输入变量N来执行对第一过程控制算法的结果的测定。该系统具有至少一个设备外部的计算单元，其中，设备外部的计算单元经由分布的通信机构接通至少一个自动化单元，并且与其经由第二数据连接进行数据交换。此外，本发明涉及一种用于控制和/或分析工业的过程的方法。

Description

用于控制和/或分析工业的过程的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制和/或分析工业的过程的系统和方法，并且因此涉及一种用于对于工业过程进行混合的过程控制的系统和方法。

背景技术

通常，进行过程控制的多个设备完成简单的自动化和控制技术上的任务。任务通常由自动化单元来执行，其安装在现场并且因此在要进行自动化的过程的附近。因此，通常这样的设备也由多个主要也在空间上分开的较小的自动化单元组成，这随后导致的是，各个过程任务也分布地进行。这样的较小的自动化单元由于其受限的计算能力在以前不能形成复杂的调节结构或控制策略和/或模拟策略，如同其在更高级别的自动化装置中能够实现的那样。这样的能够需要巨大的计算容量的复杂的控制策略能够例如是所谓的模型预测式的控制(模型预测控制，MPC)，就如其优选地在方法技术的过程中使用的那样。经常也存在有设置复杂的控制的愿望，其建立在大量的历史数据之上并且其例如在所谓的支持向量机(SVM)中使用，以便能够在此基础上对过程进行优化。因此，经常在设备的上级的控制和监视系统中对这样的计算密集的方法技术的过程进行自动化。

当前，我们经历的是在外部的计算单元中的、在中央数据分析方向上的趋势(所谓的基于云的分析)。由于其大量的分析方式和主要自我学习的技术，基于云的分析使得过程控制得到明显改进。然而，基于云的方式通常是不能实时的，因为工业过程的传感器或执行机构的数据必须从设备传输到外部的计算单元中，以便在那里对其进行分析。随后发回用于另外的行为的分析结果，以便在设备中对过程有效(prozesswirksam)，这总体而言意味着不能接受的时间损耗。闭合的调节回路-特别是因为调节速度而需要相对快的采样率-利用基于云的方式由于不安全的、却至少是很少确定的通信是有问题的。这样的时间损耗的主要来源在于a)数据获取、数据预处理和数据压缩，b)数据到云端的传输和c)分析和结果计算本身。为了减少在基于云的系统中的延迟时间的问题，尝试通过合适的更快的硬件来实现数据收集。此外提出对数据进行预处理，以便随后仅传输减少的数据量到基于云的系统中。另一个观点涉及数据的传输，通过尝试提供具有相应带宽的更快的传输通道的方式。在分析自身的范畴中装配具有高端计算机的基于云的系统，在其上随后应当运行高效的算法。

已经显示出的是，仅仅有高的带宽和小的等待时间通常是不够的。这在包含有重要的工业过程的时候尤其适用。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种替代的装置和替代的方法，其在工业的环境中确定地实时地支持基于云的过程控制和/或过程分析。

本发明提出一种用于对工业的过程进行控制和/或分析的系统，该系统在设备侧具有至少一个自动化单元，该自动化单元借助第一数据连接与用于对过程进行控制和/或监视的监视系统连接，并且在时间t_频率之内基于在时间t＝0时读入的过程输入变量N来执行对第一过程控制算法的结果的测定，其中，该系统具有至少一个设备外部的计算单元，

其中，设备外部的计算单元经由分布的通信机构接通至少一个自动化单元，并且与自动化单元经由第二数据连接进行数据交换，

其中，设备侧的自动化单元的输入模块设置用于在时间t＝0时读入过程输入变量M，

其中，设备侧的自动化单元的发送模块经由第二数据连接将用于处理的过程输入变量M发送到设备外部的计算单元，

其中，设备外部的计算单元的运算器设置用于基于过程输入变量M 地执行第二过程控制算法，

其中，本地的自动化单元的接收模块设置用于接收第二过程控制算法的结果，

其中，在设备侧的自动化单元中的检查模块包括如下的检查，即在时间t<t_频率或t＝t_频率之内是否接收到第二过程控制算法的结果，

其中，在设备侧的自动化单元中的输出模块设置用于，只要在时间t<t _频率或t＝t_频率之内接收到第二过程控制算法的结果，就将第二过程控制算法的结果应用到过程上。

此外，本发明提出一种用于控制和/或分析工业的过程的方法，其中，本地的自动化单元在时间t_频率之内基于多个过程输入变量N来执行第一过程控制算法，并且外部的计算单元基于多个过程输入变量M来执行第二过程控制算法，该方法具有以下步骤：

在t＝0时通过本地的自动化单元读取过程输入变量N和M，

发送过程输入变量M到外部的计算单元，

通过本地的自动化单元，基于过程输入变量N来测定第一过程控制算法的至少一个结果，

通过外部的计算单元，基于过程输入变量M来测定第二过程控制算法的至少一个结果，

在本地的自动化单元中接收第二过程控制算法的至少一个结果，

检查在时间t<t_频率或t＝t_频率之内是否接收到第二过程控制算法的结果，

只要在时间t<t_频率或t＝t_频率之内接收到第二过程控制算法的结果，就将第二过程控制算法的结果应用到过程上。

由此，用于对过程进行控制的系统在设备侧具有至少一个自动化单元。工业设备能够是在工业环境中具有生产过程和制造过程的任何设备。设备侧的意思是，自动化单元是原始自动化系统的组成部分并且通常布置在过程附近。自动化单元执行多个第一过程参量计算。对此，自动化单元借助于传感器和执行机构接入到过程中。过程输入变量是传感器和执行机构，其为了过程的控制由自动化单元的输入模块来循环地读入和缓存，并且因此通过自动化部件的处理器来提供另外的软件技术上的处理。自动化单元之中的具体的软件技术上的处理根据过程控制算法来实现。该处理的输出参量、即设备侧的自动化单元的过程控制算法的结果通常同样经由自动化单元的输出模块循环地对过程有效。时间t_频率描述了在输入模块中存在有过程输入变量的、即自动化单元的处理器能够存取数据的时间点(t＝0) 与在输出模块中存在有过程控制算法的结果的、亦即能够经由输出组件对过程有效的时间点之间的时间间隔。通过如下方式为上级的控制和/或监视系统提供过程控制算法的过程参量(过程输入变量)和结果或者主要的参量，即通过第一数据连接使自动化单元与用于对过程进行控制和/或监视的上级的监视系统连接。

该系统还具有至少一个设备外部的计算单元，其经由分布的通信机构接通到至少一个自动化单元上，即能够与该单元交换数据。作为设备外部的计算单元应当设置的是，其在空间上和/或在功能上位于原始自动化系统之外。这样的设备外部的计算单元能够例如位于外部的服务提供者处并且也被称为云计算单元。数据交换经由第二数据连接实现。属于分布的通信机构的例如有通信标准OPC(OPC DA，OPC UA)或者TCP/IP(Profinet)，其允许独立的计算单元连接到分布的系统上。

设备外部的计算单元与设备侧的自动化单元的第一过程控制算法的计算并行地执行第二过程控制算法。有利地，第二过程控制算法是明显更复杂的，并且与在本地的自动化单元之中的计算能力相比要求明显更高的计算能力。更复杂的第二过程控制算法在此通常也基于更大数量的数据，其包括在设备侧的自动化单元中的、用于对过程控制算法进行计算的过程输入变量，然而也包括附加的数据。只要这些数据能够由过程本身提供(例如通过附加的并且到那时不使用的传感器和执行机构)，那么其同样经由设备侧的自动化单元的输入模块来读入和提供。然而，这样的数据也能够包括历史数据，如其本身例如存在于设备侧的自动化单元、监视系统或设备外部的计算单元之中那样。在设备外部的计算单元中执行的计算远远比能够在设备侧的自动化单元中执行的计算更加复杂并且更加计算密集。因此，外部的计算单元承担了扩展的调节技术上的功能，如其例如由MPC 调节器已知的那样。此外，条件监视系统、模拟系统或历史系统也能够在该计算单元之中执行附加的评估，并且为了该目的还调用通过控制处理的信号。因为更多数量的数据、特别是历史数据，过程控制算法能够例如也包括基于所谓的支持向量机(SVM)的模型预测控制(MPC)算法。

因为经常需要要求实时性、即结果的快速的、但特别确定地重复的序列、特别是保持预设的采样时间，对由设备外部的计算单元发送并且由设备侧的自动化单元接收的、来自第二过程控制算法的处理的结果进行如下检查，即其是否在预设的采样时间t_频率之内由设备侧的自动化单元接收。设备侧的自动化单元的软件之中的检查模块承担该检查。

对于在预设的时间之内接收到结果的情况来说，其经由在设备侧的自动化单元之中的输出模块来给其提供输出组件，并且因此对过程有效。然而，对于时间t_频率到期而在设备侧的自动化单元之中不存在第二过程控制算法的计算结果的情况来说，并行运行的第一过程控制算法的结果经由输出组件切换为对过程有效。以该方式也保障的是，结果实时地存在并且通信中的可能的延迟没有明显的影响。第一过程控制算法的结果对于过程来说能够不代表最优，然而在该情况下其保障了过程的合适的无错误的控制。

该目的也通过用于控制和/或分析工业的过程的方法来实现，其中，本地的并且设备侧的自动化单元在时间t_频率之内基于多个过程输入变量N来执行第一过程控制算法，并且其中，外部的计算单元基于多个过程输入变量M来执行第二过程控制算法。该方法具有如下步骤：在t＝0时、即以t＝0 为开端在第一步骤中通过本地的自动化单元读取过程输入变量N和M。因此，将其提供给自动化单元的处理器以用于处理。过程输入变量N是传感器的和/或执行机构的数据，这些数据对于第一过程控制算法的计算是必要的。过程输入变量M是传感器的和/或执行机构的数据，这些数据对于相对更复杂的第二过程控制算法的计算是必要的。这意味着，过程输入变量M通常也包括过程输入变量N。在接下来的步骤中，将过程输入变量 M从设备侧的自动化系统发送到外部的计算单元。对此并行地，通过本地的自动化单元基于过程输入变量N根据第一过程控制算法来执行计算并且提供结果。这样的过程控制算法能够是简单的调节方法的迭代步骤，这取决于设备侧的自动化单元的或者MPC调节方法的功效。利用在外部的计算单元中获得过程输入变量M，外部的计算单元执行第二过程控制算法并且测定结果。这样的第二过程控制算法是与第一过程控制算法相关的算法。其由此定向为，提供能与在设备侧的自动化单元中的计算相比较的、但通常更精确的、更正确的、更精密的、更高质量的结果。然而至少，第二过程控制算法中的计算方式是更复杂的和更广泛的。在该意义上能比较的是，第二计算在技术上是等效的或者等价的。例如，只要第一过程控制算法包括简单的调节回路，那么第二过程控制算法就表示MPC调节器。

在另外的步骤中，在设备侧的自动化单元中接收该第二计算的结果。这能够通过本地的自动化单元的请求实现，或者通过设备外部的计算单元的主动发送实现。在设备侧的自动化单元之中，在下一步骤中检查，第二过程控制算法的结果是否准时地出现在设备侧的自动化单元中，使得其在采样时间时对过程有效。对此，结果必须在采样时间之内出现，最大到采样时间的时间点。对于结果准时地出现的情况来说，应用该结果，即该结果在过程控制的基础上进行控制，过程在该结果的基础上进行控制。只要该结果包含用于驱控调节执行器的值，那么就利用该值由自动化单元来驱控对应的执行器。否则，就将第一过程控制算法的结果应用到过程控制上，即该过程在该结果的基础上或者直接利用该结果进行控制。

附图说明

本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现其的方式和方法结合附图进行详细阐述。在此在示意图中示出：

图1示出用于工业设备的分布的过程控制的系统，

图2示出所述方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了用于对工业的过程1进行控制的系统100，例如在净化设备中用于水处理的过程或者用于通过管道输送液体或气体的过程。工业的过程也能够是在一个地点之中进行的、又或者跨过多个地点的过程。过程 1经由非中心的、设备侧的自动化单元2控制和调节。其装配有一个或多个在此未示出的处理器，这些处理器与必要的缓存器共同处理以软件编码形式存储的指令。这些指令涉及用于对过程进行控制和调节的全部的过程控制算法以及单元之间的数据通信。自动化单元2为了对过程进行控制和调节而具有到在图1中未详细示出的传感器和执行机构的一系列的有效连接3，16。输入模块21经由该连接读取数据，其随后在自动化单元的存储区中作为过程输入变量N，M存在。经由有效连接4，17实现了从输出模块22到过程的在图1中未详细示出的执行机构的控制指令。示例性地示出了两个自动化单元2，实际上有更多的自动化单元对过程进行控制、调节和监视。自动化单元2经由第一数据连接18与对过程1进行控制和监视的监视系统5连接。自动化单元2基于经由有效连接3生成的过程输入变量N来执行过程控制算法8。这里存在对过程有效的监视分析和调节函数，其通常包含更简单和更少的复杂的分析和调节任务。该过程控制算法的结果19在自动化单元2中保留以用于进一步的应用，并且基本上不需要在接下来的循环中覆盖。在该配置中，系统100是有效的并且能够满足其控制、调节和监视任务。将经由过程的传感器和执行机构的有效连接3， 16由设备侧的自动化单元2读入作为过程输入变量M的数据转交给发送模块13。过程输入变量M也能够包含过程输入变量N。附加地，也能够为发送模块13转交历史数据X，其在时间进行中存储在自动化单元2中。系统100通过设备外部的计算单元6扩展。其装配有一个或多个在此未示出的处理器，这些处理器与必要的缓存器共同处理以软件编码形式存储的指令。这些指令涉及对过程进行控制、调节和分析的全部的过程控制算法以及单元之间的数据通信。计算单元6经由第二数据连接14与自动化单元2连接。在当前的实例中，两个自动化单元2经由第二数据连接14与设备外部的计算单元6连接。在另外的实施方式中，也能够是仅一个或任意数量的自动化单元2与设备外部的计算单元6连接。第二数据连接14 优选地经由因特网要么有线地要么无线地实现。设备外部的计算单元6在主要基于过程输入变量M的输入过程变量12的基础上来执行过程控制算法7，并且输出该计算的结果11。输入过程变量12同样能够以存在于自动化单元2中的历史数据X为基础。可替换地或附加地，输入过程变量 12能够以存在于计算单元6本身中的历史数据Y为基础。图1示例性地示出了作为过程控制算法7的MPC控制结构。然而，更广泛的数据分析也能够是前述算法的内容。过程控制算法7的结果11由自动化元件2的接收模块15接收。检查模块10获得如下信息，即是否能在由具体的调节任务预设的循环时间之内提供结果11。如果能提供，那么就将其提供到输出模块22上并且经由有效连接17对过程有效。如果其在时间区间中不存在，那么就为输出模块22提供并行地测定的结果19并且经由有效连接4 对过程有效。

图2示出了所述方法的流程图。过程1的控制和调节循环地实现。循环时间固定为t_频率。

随后，在步骤20中读取过程输入变量N和M。过程输入变量通过自动化单元的读入也循环地实现。也就是说，在循环时间开始时为程序通过如下方式更新地提供过程映射，即请求自动化单元2的输入组件21。在循环时间结束时为输出组件22提供过程结果11，19，由此使其控制过程。通过自动化单元的循环程序的每次新的读取都应当在时间点t＝0进行。过程输入变量N在步骤21中通过自动化单元2中的第一过程控制算法在时间t_{过程_1}之内处理。结果19在该过程控制算法的计算结束时提供。自动化单元2能够在循环时间t_频率之内执行其过程控制算法。步骤次序22并行于步骤21地运行。其中，在步骤23中将过程输入变量M发送到计算单元6。整个步骤23应当也包含在计算单元6中的数据的接收并且在时间t_向上之内进行。过程输入变量M也能够包含过程输入变量N，其也能够仅包括过程输入变量N。然而通常，过程输入变量包括过程数据，其超出了数据N 的范围。在该过程输入变量的基础上，在步骤24中在时间t_{过程_2}之内处理第二过程控制算法，其提供用于控制过程的结果、例如用于执行机构的驱控指令。这在步骤25中在时间t＝t_向下之内由自动化单元2接收。在判定块 26中通过自动化单元2检查，时间t_向上、t_{过程_2}和t_向下之和是否小于循环时间t_频率，并且过程控制算法的结果是否因此在循环时间之内出现。如果是该情况，那么这些计算就对过程有效，即执行机构例如在计算单元6中的位置参量计算的基础上进行驱控。

如果结果不在循环时间之内，那么自动化单元2的计算就可替换地对过程有效。

Claims (5)

1.一种用于对工业的过程(1)进行控制和/或分析的系统，所述系统在设备侧具有至少一个自动化单元(2)，所述自动化单元借助第一数据连接(18)与用于对所述过程(1)进行控制和/或监视的监视系统(5)连接，并且在时间t_频率之内基于在时间t＝0时读入的过程输入变量N来执行对第一过程控制算法(8)的结果(19)的测定，其特征在于，所述系统具有至少一个设备外部的计算单元(6)，

其中，所述设备外部的计算单元经由分布的通信机构接通至少一个所述自动化单元，并且与所述自动化单元经由第二数据连接(14)进行数据交换，

其中，设备侧的所述自动化单元的输入模块(21)设置用于在时间t＝0时读入过程输入变量M，

其中，设备侧的所述自动化单元的发送模块(13)经由所述第二数据连接将用于处理的过程输入变量M发送到所述设备外部的计算单元，

其中，所述设备外部的计算单元的运算器设置用于基于过程输入变量M地执行第二过程控制算法(7)，

其中，本地的自动化单元的接收模块(15)设置用于接收所述第二过程控制算法(7)的结果(11)，

其中，在设备侧的所述自动化单元中的检查模块(10)包括如下的检查，即在时间t<t_频率或t＝t_频率之内是否接收到所述第二过程控制算法的结果，

其中，在设备侧的所述自动化单元中的输出模块(22)设置用于，只要在时间t<t_频率或t＝t_频率之内接收到所述第二过程控制算法的结果，就将所述第二过程控制算法的结果应用到所述过程上，只要在时间t>t_频率之内接收到所述第二过程控制算法(7)的结果，就将所述第一过程控制算法(8)的结果应用到所述过程上。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述设备外部的计算单元与多个另外的设备外部的计算单元连接。

3.一种用于控制和/或分析工业的过程的方法，其中，本地的自动化单元在时间t_频率之内基于多个过程输入变量N来执行第一过程控制算法，并且外部的计算单元基于多个过程输入变量M来执行第二过程控制算法，所述方法具有以下步骤：

在t＝0时通过所述本地的自动化单元读取过程输入变量N和M，

发送过程输入变量M到所述外部的计算单元，

通过所述本地的自动化单元，基于过程输入变量N来测定所述第一过程控制算法的至少一个结果，

通过所述外部的计算单元，基于过程输入变量M来测定所述第二过程控制算法的至少一个结果，

在所述本地的自动化单元中接收所述第二过程控制算法的至少一个结果，

检查在时间t<t_频率或t＝t_频率之内是否接收到所述第二过程控制算法的结果，

只要在时间t<t_频率或t＝t_频率之内接收到所述第二过程控制算法的结果，就将所述第二过程控制算法的结果应用到所述过程上，只要在时间t>t_频率之内接收到所述第二过程控制算法的结果，就将所述第一过程控制算法的结果应用到所述过程上。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，过程输入变量N和M是一致的。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，对所述第一过程控制算法的结果和所述第二过程控制算法的结果的测定附加地基于多个历史数据实现。