CN109213099B - 基于互联网的数学模型控制生产的应用方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于互联网的数学模型控制生产的应用方法及系统，包括基于互联网，采用数学模型控制模块与控制生产过程的过程控制模块并联在线运行，生产过程实际仍由过程控制模块来实施；并联在线运行过程中，数学模型控制模块与过程控制模块对比运行，数学模型控制软件得到提升，具备实用性，则切换到数学模型控制模块实际控制生产过程的状态运行。本发明采用过程控制模块辅助数学模型控制模块两种控制方式在互联网上切换、交替使用的办法，为控制系统找到最佳控制参数，使工艺体系在应对变化时，始终处于最佳状态。

Description

基于互联网的数学模型控制生产的应用方法及系统

技术领域

本发明属于生产控制领域，特别是涉及到一种基于互联网的数学模型控制生产的应用方法及系统。

背景技术

用一个完整的数学模型而不是一整套相对不变的参数来控制生产的运行，是从业者多年以来一直在努力做的一件事情，但成功应用的实例很少，究其原因，其重要的一点就是数模的应用，需要经历一个在大规模生产条件下反复调试的过程，而实际生产中，给出这样的条件，代价很大，所以数模的应用也很难实现。

让生产可以稳定运行的工艺参数有很多套组合，哪一套参数是最佳组合或接近最佳组合呢？在生产实践中，这样的探索，从来也没有停止过。以高炉为例，现代高炉炼铁的基本工艺是200年前形成的，但它的工艺参数的调整，一直都在进行，直到200年后的今天，才有一种观点出现：高炉技术已发展比较成熟，冶炼指标的挖潜提升空间不大了。而事实上，对高炉冶炼指标的调整和优化，仍然是今天炼铁厂管理的重要工作。

现代工业的工艺体系，是依据物质变化的基本理论设计建造的，它依靠一套刚性的指标来维持生产的合理运行，即参与生产的所有要素，如原料的性质、设备的能力等因素，都必须是研究设计依据的条件。但是，在长期的生产实践中，原料、设备能力等影响生产的条件常常会发生变化，依靠一套相对稳定的工艺参数来管理生产，要么运转不了，要么效率低下。目前的实际生产中，应对这种变化的办法是:局部依靠理论，总体依靠经验，致使摸索的时间很长，不知道终点在哪里。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于互联网的数学模型控制生产的应用方法及系统，以解决当工况的发生变化时，传统经验和方法难以在短期内找到较优的工艺参数搭配，使整个工艺体系无法低耗稳定运行的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于互联网的数学模型控制生产的应用方法，包括:

(1)基于互联网，采用数学模型控制模块与控制生产过程的过程控制模块并联在线运行，生产过程实际仍由过程控制模块来实施；

(2)并联在线运行过程中，数学模型控制模块与过程控制模块对比运行，数学模型控制软件得到提升，具备实用性，则切换到数学模型控制模块实际控制生产过程的状态运行。

进一步的，所述数学模型控制模块是依据生产工艺体系的基本理论，结合已经被证明为正确的工艺参数组建的反应该工艺体系中物质变化规律的数学方程式；所述数学方程式的运行，依据全部工控信息及工程管理系统的其它信息，包括财务、保安、管理的相关信息；影响生产效率的所有参数都作为变量组合到这个数学方程式或方程组中，给出工控系统所需的工艺参数设定值。

进一步的，步骤(2)所述对比运行包括：

(201)当生产的工艺参数波动时，数学模型控制软件采集过程控制模块的整套值，以及实际生产的效果参数，与数学模型控制软件自己的整套值和预期结果比较，即利用一个实测环境来校验自己的理论算法，修正理论算法；

(202)根据比较结果提示开发人员找到问题的症结，修改算法或系数；从显而易见的环节入手，对逐个参数进行调整，最终获得全套采用理论方程计算出来的控制系统的参数；

(203)有选择的、逐渐的把这些计算出来的控制系统参数交由过程控制模块来执行，实测效果不佳时，恢复过程控制模块的原设定值，查找原因，再次修正数学模型的理论算法，直至所有参数都被替换。

进一步的，步骤(2)所述比对运行中，每一组不同的工艺参数以及对应的最佳运行参数，由哈希运算及区块链存储模块控制作为一个完整的文件储存于数据库，并且，该文件被做一个哈希运算，其运算后的数值作为该文件的文件名存于区块链，以后在调用该文件时，只要把该文件作一次哈希运算，与之前存于区块链的文件名做一个对比，就知道该文件是否被修改过。

进一步的，步骤(2)所述切换由一个转换开关来完成。

本发明的另一方面，还提供了一种基于互联网的数学模型控制生产的应用系统，包括基于互联网相互连接的：过程控制模块、数学模型控制模块、哈希运算及区块链存储模块、工控信息的数据节点、除工控信息外的信息数据节点；所述数学模型控制模块与过程控制模块并联在线运行，生产过程实际仍由过程控制模块来实施。

进一步的，所述工控信息的数据节点为若干个，每一个节点是一个网关，每个网关之下都设有智能设备，控制着某一个工段的运行。

进一步的，所述除工控信息外的信息数据节点作为其它数据的汇集点，所述其他数据包括财务数据、安保数据、管理数据。

进一步的，所述数学模型控制模块为依据工艺体系的基本理论，结合已经被证明为正确的工艺参数组建的反应该工艺体系中物质变化规律的数学方程式。

进一步的，所述哈希运算及区块链存储模块中，每一组不同的工艺参数以及对应的最佳运行参数，作为一个完整的文件储存于数据库，并且，该文件会被做一个哈希运算，其运算后的数值作为该文件的文件名存于区块链。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种基于互联网的数学模型控制生产的应用方法及系统，针对工况任何变化，都采用基本理论，对整个工艺过程进行多种平衡(如物料、热量、化学平衡等)计算，可得到稳定生产优化控制的参数值以及参数变化趋势，按照这个计算结果指导生产调试工作，就可能迅速掌握实际生产的变化规律，并通过不断修正、实现该工艺体系达到最佳运行状态。

本发明采用过程控制模块辅助数学模型控制模块两种控制方式在互联网上切换、交替使用的办法，为控制系统找到最佳控制参数，使工艺体系在应对变化时，始终处于最佳状态。相对于采用本地局域网的软件控制方式，基于互联网的控制模式可以调用的网络资源更多、计算能力更强，系统的建构方式可以更灵活，例如可以通过云计算和分布式存储提高软件系统的反应速度和控制效率，以更好的应对工艺条件的不断变化。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明实施例的天闪炉炼铁的工艺原理图；

图3为本发明实施例的天闪炉炼铁的控制系统结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明针对的是控制系统的软件，所述控制系统的软件从结构上分为两部分:在互联网上运行的软件和不在互联网上运行的软件。划分的标准是“响应速度”，即，因互联网的延时而不能满足生产系统快速控制要求的控制软件，放在互联网之下的现场智能设备中，如现场的PLC中，由现场的控制设备来完成有快速性要求的控制。这类控制对应的逻辑关系往往简单，即使有运算，也不会复杂，现存的工控设备都能满足要求。把快速性要求之外的所有控制都放在互联网上，由互联网上生成的软件来完成，如此构成的软件，功能比现场控制设备的功能强大的多，可以适应几乎是任何复杂性要求的生产系统。

在本专利中，在互联网上运行的软件指的是“数学模型模块”和“过程控制模块”；不在互联网上运行的软件是指网关之下的存于现场智能设备中的软件。

本发明具体方案如下：

采用两套目的相同、但依据原理不同的软件并联运行，其中一套软件就是现代工厂中起主导作用的过程控制模块，工厂的实际运行仍然由这套软件来实施。另一套软件就是采用基础理论构建的数学模型控制模块，它采集的信息，等于或多于过程控制模块采集的信息，它输出的控制参数不直接作用于生产设备，而是作为一种参考值被显示出来，它的效率和过程控制模块的实际效率也被一一对应的方式排列对比展示。

有了在线运行的数学模型的引导，应对变化的、由过程控制模块控制的工艺体系的调试时间会很短；两个软件经一段时间的对比运行之后，数学模型软件有条件得到提升，很快具备实用性，系统可以切换到“数学模型控制”的状态运行。

现代互联网，为两套软件如此运行创造了条件，如图1所示，作为示例而非限制，工厂运行的所有参数都被采集上了互联网。

图1中的说明：

1、节点1、2、3……n是所有工控信息的数据节点。

2、节点C:工厂除工控信息外的工厂的信息数据节点。

3、节点P:生产系统的过程控制模块。

4、节点M:生产系统的数学模型控制模块。

5、节点H:哈希运算及区块链存储模块

6、节点1、2、3…n以下是用于工厂控制的智能设备，包括但不限于工厂局域网控制系统、智能设备单机控制系统，如PLC、单片机、智能仪表等，或是独立的传感器。

编号1-n的节点，是生产体系中所有参数的采集点，作为示例而非限制，每一个节点是一个网关，网关之下是一个或多个智能设备，控制着某一个工段的运行，如PLC，也可以是一台智能仪表或一个独立的智能传感器，工控信息通过网关进入互联网。

节点C也是除生产体系之外的工厂的其它数据的汇集点，包括但不限于财务、管理、安保等，这些信息通过作为示例而非限制的网关或防火墙与互联网相连。

节点P是过程控制模块，有别于传统的控制系统，工艺过程的控制被切分为两个部分，切分的原则是“响应时间”:要求动作快的、因为网络延时性不能满足要求的控制回路放到网关之下的现场来控制，把除此之外的一切控制要求、运算等工作，全部交给“过程控制模块”和“数学模型控制模块”来解决，这种利用网络更强的编程能力和极其丰富的资源构建的控制系统，比现在流行的局域网过程控制系统，其能力有大幅度的提升。

节点M是“数学模型控制模块”，它是依据该工艺体系的基本理论，结合已经被证明为正确的一些工艺参数组建的反应该工艺体系中物质变化规律的数学方程式。该数学方程式的运行，依据全部工控信息1…n及工程管理系统的其它信息，包括但不限于财务的、保安的、管理的相关信息。影响生产效率的所有参数都作为变量组合到这个数学方程式或方程组中，给出工控系统所需的工艺参数设定值。按如下的方式使用：

先备用、后主用：

它与“过程控制模块”轮流使用:当工艺参数波动时，例如原料性质发生变化，工艺运行切换到过程控制，工厂还是根据以往的经验来操控生产，而与此同时，“数模”会采集过程控制模块的整套值，实际生产的效果参数，与“数模”自己的整套值和预期结果比较，即利用一个实测环境来校验自己的理论算法，修正理论算法。一个未经检验的理论算法的效果值，不可能全面超过实测的效果值，而是“有好有坏”，或普遍都“坏”。但是，这种对比能提示开发人员找到问题的症结，修改算法或系数。从显而易见的环节入手，对逐个参数进行调整，最终获得全套采用理论方程计算出来的控制系统的参数。控制人员可以有选择的、逐渐的把这些控制参数交由过程控制模块来执行，最终生产系统可以从“过程控制模块”切换到“数学模型控制模块”来控制。作为示例而非限制，两个模块的切换可以由一个转换开关来完成，此种情况，控制系统设计为：“掉电，所有输出值保持不变。”数模给出的控制参数，用手动的办法，逐个的输入过程控制模块，当发现实测效果不佳时，恢复当前该过程控制模块的设定值，查找原因，其中，不排除再次修正理论算法的可能，直至所有参数都被替换。当工艺系统处于数模控制状态时，对原材料性质的变化(在行业可能使用的范围内)，系统都能给出最佳设定值，使该工艺系统始终处于效率最好的状态运行。

即采用“过程控制模块”辅助“数模控制模块”两种控制方式在互联网上切换、交替使用的办法，为控制系统找到最佳控制参数，使工艺体系在应对变化时，始终处于最佳状态。

价值保存及产权保护

取“数学模型控制系统”间隔时间段传输控制值数组及对应工况条件下的各工艺参数变量值和实时的生产控制指标数据，并附带工厂事故预警等信息，带时间戳，进行数据信息打包，在云服务中存储，同时通过哈希加密运算，运算结果上链传输至区块链网络各节点进行存储。存储的各个数组信息将揭示实际生产不同工况条件下，如何控制产品指标最合理，如何作业使得工况稳定运行，如何达到节能优化生产的操作密码。我们采用区块链方式对同行业开放。

应用举例天闪炉炼铁

天闪炉炼铁的工艺原理如图2所示：首先，粉煤和氧气喷入天闪炉的上部空间，在此生产高温、高浓度及高压强的还原气体，该气体从上部空间的下出口喷入中部空间，在此，与侧向喷入中部空间的铁精矿粉混合，混合后的气粉流体高速进入下部空间，铁精矿在下部空间漂浮下落的过程中即完成了还原熔炼。熔融的金属铁落入熔池。在熔池的侧壁有粉煤和氧气的喷入，保持熔池的强还原环境。少量在空间未还原的氧化亚铁，在熔池被彻底的还原。经造渣反应及渣铁分离后，融渣和铁水分别排出天闪炉。

采用本发明设计的天闪炉炼铁的控制系统结构图如图3所示：

组成生产工艺体系的每一个工段，都采用一套独立的可编程序控制器来控制及采集信息，所有信息经网关GW与互联网连接，有快速性要求的控制由可编程序控制器完成，其它控制由运行在互联网上的过程控制模块和数学模型控制模块来完成。数学模型控制模块需要的其它信息，经由钢铁厂综合信息节点采集。

冶炼工艺有一个特点:控制程序非常复杂，但是，工艺过程运行的控制，快速要求不高，重要的参数，不允许频繁的调节，对安全保障系统有的快速性要求高，但这些回路的控制都极其简单。所以，把简单的、有快速性要求的控制交由现场的PLC来做，把复杂的、无快速性要求的控制交由网络软件来做，如此构建的控制系统，比传统的PLC系统、DCS系统，有更大的灵活性、延展性和更强的处理能力。

系统的最佳运行状态、故障信息等重要信息，做区块链存储，把价值做可靠的保存，使故障能被准确的追溯。

天闪炉过程控制模块管理着天闪炉炼铁的整个工艺过程，其中，原料准备工段、燃料准备工段、出铁、出渣工段由一套过程控制软件来控制，有快速性要求的控制回路由现场的可编程序控制器来完成。

天闪炉本体的过程控制分为两个区域，煤气化区和冶炼区，每个区域里都分别有一套热平衡计算软件、物料平衡计算软件、过程控制软件。这六套软件给出的参数，可以保证天闪炉在某一个工况范围内稳定运行。

天闪炉的数学模型控制模块，包含了天闪炉过程控制模块的所有软件，同时，它还有一套负责完成天闪炉精确控制的动力学模型。依靠理论构建的数学模型，在原料发生变化时(行业允许的范围内)，会做一个“从头再来”的计算，给出一组效率最好的控制参数，保证以天闪炉为主体的整个工艺装备始终处于最佳能效状态下运行。

动力学计算中的一个重要参数:一氧化碳的活化能，在构建数模时我们并不知道，但是一氧化碳的活化能在实际生产时能被测到，尽管这时系统是处在过程控制模块的控制下运行，但并不影响一氧化碳活化能实测值的准确性，该值代入动力学计算模型，就使得天闪炉炼铁的数学模型完整。从实践得来，又能指导实践，具体事例中这种丰富多彩的特点，使我们总能找到“显而易见”的入口，理出问题的头绪，形成解决问题的办法。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于互联网的数学模型控制生产的应用方法，其特征在于，包括:

(1)基于互联网，采用数学模型控制模块与控制生产过程的过程控制模块并联在线运行，生产过程实际仍由过程控制模块来实施；

(2)并联在线运行过程中，数学模型控制模块与过程控制模块对比运行，数学模型控制软件得到提升，具备实用性，则切换到数学模型控制模块实际控制生产过程的状态运行；

步骤(2)所述对比运行包括：

(201)当生产的工艺参数波动时，数学模型控制软件采集过程控制模块的整套值，以及实际生产的效果参数，与数学模型控制软件自己的整套值和预期结果比较，即利用一个实测环境来校验自己的理论算法，修正理论算法；

(202)根据比较结果提示开发人员找到问题的症结，修改算法或系数；从显而易见的环节入手，对逐个参数进行调整，最终获得全套采用理论方程计算出来的控制系统的参数；

(203)有选择的、逐渐的把这些计算出来的控制系统参数交由过程控制模块来执行，实测效果不佳时，恢复过程控制模块的原设定值，查找原因，再次修正数学模型的理论算法，直至所有参数都被替换。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数学模型控制模块是依据生产工艺体系的基本理论，结合已经被证明为正确的工艺参数组建的反应该工艺体系中物质变化规律的数学方程式；所述数学方程式的运行，依据全部工控信息及工程管理系统的其它信息，包括财务、保安、管理的相关信息；影响生产效率的所有参数都作为变量组合到这个数学方程式或方程组中，给出工控系统所需的工艺参数设定值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述比对运行中，每一组不同的工艺参数以及对应的最佳运行参数，由哈希运算及区块链存储模块控制作为一个完整的文件储存于数据库，并且，该文件被做一个哈希运算，其运算后的数值作为该文件的文件名存于区块链，以后在调用该文件时，只要把该文件作一次哈希运算，与之前存于区块链的文件名做一个对比，就知道该文件是否被修改过。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述切换由一个转换开关来完成。

5.一种基于互联网的数学模型控制生产的应用系统，其特征在于，包括基于互联网相互连接的：过程控制模块、数学模型控制模块、哈希运算及区块链存储模块、工控信息的数据节点、除工控信息外的信息数据节点；所述数学模型控制模块与过程控制模块并联在线运行，生产过程实际仍由过程控制模块来实施；

基于互联网,采用数学模型控制模块与控制生产过程的过程控制模块并联在线运行，生产过程实际仍由过程控制模块来实施,并联在线运行过程中,数学模型控制模块与过程控制模块对比运行,数学模型控制软件得到提升,具备实用性,则切换到数学模型控制模块实际控制生产过程的状态运行；所述对比运行具体为：当生产的工艺参数波动时,数学模型控制软件采集过程控制模块的整套值以及实际生产的效果参数,与数学模型控制软件自己的整套值和预期结果比较,根据比较结果提示开发人员找到问题的症结,修改算法或系数,对逐个参数进行调整，最终获得全套采用理论方程计算出来的控制系统的参数；有选择的、逐渐的把这些计算出来的控制系统参数交由过程控制模块来执行,实测效果不佳时,恢复过程控制模块的原设定值,查找愿因,再次修正数学模型的理论算法，直至所有参数都被替换。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述工控信息的数据节点为若干个，每一个节点是一个网关，每个网关之下都设有智能设备，控制着某一个工段的运行。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述除工控信息外的信息数据节点作为其它数据的汇集点，所述其它数据包括财务数据、安保数据、管理数据。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数学模型控制模块为依据工艺体系的基本理论，结合已经被证明为正确的工艺参数组建的反应该工艺体系中物质变化规律的数学方程式。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述哈希运算及区块链存储模块中，每一组不同的工艺参数以及对应的最佳运行参数，作为一个完整的文件储存于数据库，并且，该文件被做一个哈希运算，其运算后的数值作为该文件的文件名存于区块链。

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