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一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统

阅读：880发布：2020-05-14

IPRDB可以提供一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统，具体包括：包括：采集焦炉机械设备的实时运行状态信息的数据采集分析单元、服务器单元，工作人员进行监控操作的客户端单元。其中数据采集分析单元包括：多个焦炉机械四大车PLC控制器、用于汇总现场各车辆设备实时数据的焦炉机械地面中控PLC控制器、用于数据OPC通讯、数据筛选、变换、初始化等进行数据处理分析服务的边缘计算服务器，该控制系统突破人工管理设备的局限性，焦炉车辆的管理人员可通过数字化环境实现焦炉机械全方位、多维度的管控，这样可以真实、精确反应的焦炉机械设备现场实时状态，更有利于设备的管控。，下面是一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统，其特征在于包括：

采集焦炉机械设备的实时运行状态信息的数据采集分析单元(1)、服务器单元(2)，工作人员进行监控操作的客户端单元(3)；

所述数据采集分析单元(1)采用横向、纵向对比方式结合焦炉机械设备工艺过程、对系统中各运行设备故障的历史数据进行分析，获取关于设备故障类型、故障设备种类、故障频次以及故障时间信息，根据设备生命周期、设备已运行时间以及附属零部件的状态数据判断该设备的使用寿命；

所述数据采集分析单元(1)根据数据功能属性的不同在边缘计算服务器数据库创建状态数据表、报警数据表、生产计划数据表、生命周期管理数据表、能耗管理数据表，将数据存至数据库对应表中供后续服务使用；

所述服务器单元(2)对控制系统数据BOOM结构、用户角色、权限分配、基础数据维护、故障诊断解决方案进行维护管控；

所述客户端单元(3)采用数据同步方式将焦炉机械设备的实时运行状态加载到推焦过程的监控设备中对焦炉推焦过程进行整体监控。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述数据采集分析单元(1)包括：用于进行现场大数据采集的多个焦炉机械四大车PLC控制器(1.1)、用于汇总现场各车辆设备实时数据的焦炉机械地面中控PLC控制器(1.2)、通过OPC SERVER接收焦炉机械设备状态数据并进行实时数据分析处理的边缘计算服务器(1.3)；

所述焦炉机械四大车PLC控制器(1.1)对焦炉机械设备运行过程的状态数据进行采集，包括走行机构位置数据、推焦机构位置数据、平煤机构位置数据、取门机构位置、液压压力、液压流量、电机电流、电机转速、机械机构挠度、减速机震动数据及辅助机构数据，将该状态数据发送至焦炉机械地面中控PLC控制器(1.2)；

所述边缘计算服务器(1.3)通过OPC通讯协议采集焦炉机械地面中控PLC控制器(1.2)状态数据、采用边缘计算方式对采集到的焦炉机械设备原始数据进行筛选、初始化、格式变换、分类、和存储。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述服务器单元(2)包括：运行三维引擎部署WebService服务的数字化双胞胎应用服务器(2.1)、用于数据存储服务的数字化双胞胎数据服务器(2.2)、对系统数据进行维护管理的数据库管理客户端(2.3)。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述客户端单元(3)包括：部署在焦炉机械地面中控室内对中控室进行监控的多个工业大屏幕背景墙显示设备(3.1)、部署在焦炉机械地面中控室内对Web端设备进行管控的WebClient(3.2)、对焦炉机械作业进行远程管控的移动端手持设备(3.3)、对焦炉机械设备的工作状态进行管控的VR/AR Client(3.4)。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：其中设备层的焦炉机械地面中控PLC控制器(1.2)汇总了多个焦炉机械四大车PLC控制器(1.1)的数据及中控的数据点；

所述边缘计算服务器(1.3)采集焦炉机械地面中控PLC控制器(1.2)状态数据，采用边缘计算方式对采集到的焦炉机械设备原始数据进行筛选、初始化、格式变换、分类、存储和数据分析生成基础业务逻辑数据并存入边缘计算服务器(1.3)；

所述获取边缘计算服务器(1.3)将接收到数据生成数据总集，其中数据总集包含实时的原始采集数据和基础业务逻辑数据，其中边缘计算服务器(1.3)的数据库、部署WebService服务的数字化双胞胎应用服务器(2.1)的数据库和数字化双胞胎数据服务器(2.2)的数据库采用数据同步算法实时数据同步，并将同步后的数据传送至客户端单元(3)中进行三维动画模型数据绑定及驱动使用。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述数据库管理客户端(2.3)通过配置焦炉机械设备BOM结构和业务数据点形成业务数据总集，根据业务数据总集属性将其分为三种类型，分别为通过绑定数据总集获取的实时采集数据、从数据库中获取的常量数据、在数据总集基础上经过运算生成的业务逻辑数据；

所述数据库管理客户端(2.3)对业务数据总集进行业务分析、并将分析结果反馈至客户端单元(3)；客户端单元(3)读取业务数据总集中的报警数据点、对焦炉设备的实时运行状态的变化趋势进行预警分析，将预警信息写入预警信息总集，通过数据同步广播至客户端单元(3)。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征还在于：所述边缘计算服务器(1.3)、应用服务器(2.1)和数据服务器(2.2)通过数据同步算法进行数据库实时同步、打通数据双向链路、实现控制系统与焦炉机械四大车PLC控制器(1.1)毫秒级延时的数据对接，采用焦炉机械机构实时数据驱动三维数字化环境模型。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征还在于：焦炉机械四大车PLC控制器(1.1)通过无线工业以太网的通讯方式与焦炉机械地面中控PLC控制器(1.2)连接，焦炉机械地面中控PLC控制器(1.2)通过工业以太网与边缘计算服务器(1.3)连接，边缘计算服务器(1.3)通过以太网与数字化双胞胎数据服务器(2.2)连接，数字化双胞胎数据服务器(2.2)通过以太网与数字化双胞胎应用服务器(2.1)和数据库管理客户端(2.3)连接，数字化双胞胎应用服务器(2.1)通过HDMI/DIV数据接口形式与大屏幕背景墙显示设备(3.1)连接，数字化双胞胎应用服务器(2.1)通过以太网与WebClient(3.2)连接，移动端手持设备(3.3)和VR/AR Client(3.4)通过无线通讯与数字化双胞胎应用服务器(2.1)连接。

说明书全文

一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及焦炉机械设备控制领域，尤其涉及一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统。

背景技术

[0002] 传统的工业自动化控制系统，设备的状态监控都是采用组态软件实现，设备的可视化由组态软件集成的图形画面编辑功能进行开发，人机界面都是平面的，存在较大的局限性，无法完整、可靠的显示设备的实际状态。而传统的三维技术只能用于演示宣传、计算仿真、产品研发阶段，受限于软件功能，无法为设备的使用、操作提供便利条件，同时无法满足PLC控制设备的使用。

发明内容

[0003] 根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统，一种焦炉机械控制系统，包括：

[0004] 采集焦炉机械设备的实时运行状态信息的数据采集分析单元、服务器单元，工作人员进行监控操作的客户端单元；

[0005] 所述数据采集分析单元采用横向、纵向对比方式结合焦炉机械设备工艺过程、对系统中各运行设备故障的历史数据进行分析，获取关于设备故障类型、故障设备种类、故障频次以及故障时间信息，根据设备生命周期、设备已运行时间以及附属零部件的状态数据判断该设备的使用寿命；

[0006] 所述数据采集分析单元根据数据功能属性的不同在边缘计算服务器数据库创建状态数据表、报警数据表、生产计划数据表、生命周期管理数据表、能耗管理数据表，将数据存至数据库对应表中供后续服务使用；

[0007] 所述服务器单元对控制系统数据BOOM结构、用户角色、权限分配、基础数据维护、故障诊断解决方案进行维护管控；

[0008] 所述客户端单元采用数据同步方式将焦炉机械设备的实时运行状态加载到推焦过程的监控设备中对焦炉推焦过程进行整体监控。

[0009] 进一步的，用于进行现场大数据采集的多个焦炉机械四大车PLC控制器、用于汇总现场各车辆设备实时数据的焦炉机械地面中控PLC控制器、通过OPC SERVER接收焦炉机械设备状态数据并进行实时数据分析处理的边缘计算服务器；

[0010] 所述焦炉机械四大车PLC控制器对焦炉机械设备运行过程的状态数据进行采集，包括走行机构位置数据、推焦机构位置数据、平煤机构位置数据、取门机构位置、液压压力、液压流量、电机电流、电机转速、机械机构挠度、减速机震动数据及辅助机构数据，将该状态数据发送至焦炉机械地面中控PLC控制器；

[0011] 所述边缘计算服务器通过OPC通讯协议采集焦炉机械地面中控PLC控制器状态数据、采用边缘计算方式对采集到的焦炉机械设备原始数据进行筛选、初始化、格式变换、分类、和存储。

[0012] 运行三维引擎部署WebService服务的数字化双胞胎应用服务器、用于数据存储服务的数字化双胞胎数据服务器、对系统数据进行维护管理的数据库管理客户端。

[0013] 所述客户端单元包括：部署在焦炉机械地面中控室内对中控室进行监控的多个工业大屏幕背景墙显示设备、部署在焦炉机械地面中控室内对Web端设备进行管控的WebClient、对焦炉机械作业进行远程管控的移动端手持设备、对焦炉机械设备的工作状态进行管控的VR/AR Client。

[0014] 其中设备层的焦炉机械地面中控PLC控制器汇总了多个焦炉机械四大车PLC控制器的数据及中控的数据点；

[0015] 所述边缘计算服务器采集焦炉机械地面中控PLC控制器状态数据，采用边缘计算方式对采集到的焦炉机械设备原始数据进行筛选、初始化、格式变换、分类、存储和数据分析生成基础业务逻辑数据并存入边缘计算服务器；

[0016] 所述获取边缘计算服务器将接收到数据生成数据总集，其中数据总集包含实时的原始采集数据和基础业务逻辑数据，其中边缘计算服务器的数据库、部署WebService服务的数字化双胞胎应用服务器的数据库和数字化双胞胎数据服务器的数据库采用数据同步算法实时数据同步，并将同步后的数据传送至客户端单元中进行三维动画模型数据绑定及驱动使用。

[0017] 所述数据库管理客户端通过配置焦炉机械设备BOM结构和业务数据点形成业务数据总集，根据业务数据总集属性将其分为三种类型，分别为通过绑定数据总集获取的实时采集数据、从数据库中获取的常量数据、在数据总集基础上经过运算生成的业务逻辑数据。

[0018] 所述数据库管理客户端对业务数据总集进行业务分析、并将分析结果反馈至客户端单元；客户端单元读取业务数据总集中的报警数据点、对焦炉设备的实时运行状态的变化趋势进行预警分析，将预警信息写入预警信息总集，通过数据同步广播至客户端单元。

[0019] 所述边缘计算服务器、应用服务器和数据服务器通过数据同步算法进行数据库实时同步、打通数据双向链路、实现控制系统与焦炉机械四大车PLC控制器毫秒级延时的数据对接，采用焦炉机械机构实时数据驱动三维数字化环境模型。

[0020] 焦炉机械四大车PLC控制器通过无线工业以太网的通讯方式与焦炉机械地面中控PLC控制器连接，焦炉机械地面中控PLC控制器通过工业以太网与边缘计算服务器连接，边缘计算服务器通过以太网与数字化双胞胎数据服务器连接，数字化双胞胎数据服务器通过以太网与数字化双胞胎应用服务器和数据库管理客户端连接，数字化双胞胎应用服务器通过HDMI/DIV数据接口形式与大屏幕背景墙显示设备1～N连接，数字化双胞胎应用服务器通过以太网与WebClient连接，移动端手持设备和VR/AR Client(3.4)通过无线通讯与数字化双胞胎应用服务器连接。

[0021] 本发明通过Solid edge/3D Max/Solid works/Maya等三维开发软件建立焦炉机械设备物理模型，物理模型通过STL中间格式导入到应用服务器U3D/OSG/UE三维引擎，焦炉机械各车辆PLC控制器进行大数据采集，将数据集中传送至焦炉机械地面中控PLC控制器汇总，边缘计算服务器通过OPC Server获得焦炉机械地面中控PLC控制器数据，对数据进行筛选、变换、初始化等处理分析，建立了数据库同步算法，数据库服务器与边缘计算服务器、应用服务器进行数据同步并存储，在应用服务器中部署WebService服务，结合数据库服务器中数据驱动三维引擎中的物理模型，客户端(包括VR/AR Client、Web Client、移动端APP、工业大屏幕显示设备四种类型)通过与应用服务器通讯进行焦炉机械设备管控。

[0022] 由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统，该系统基于多种硬件结构从而以三维方式真实、精确的动态监控焦炉机械设备实时运行状态，实现数字化三维模型与真实设备生产过程保持一致，达到数字化双胞胎的程度，实现焦炉机械设备的多维度管控，为焦炉机械的无人操作起到重要的技术支撑作用。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明系统的结构示意图。

[0025] 图2为本发明系统的工作原理图。

[0026] 图3为本发明系统的数据同步算法图。

[0027] 图4为本发明系统的数据流程图。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

[0029] 如图1和图2所示的一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统，具体包括：一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统，其特征在于包括：采集焦炉机械设备的实时运行状态信息的数据采集分析单元1、服务器单元2，工作人员进行监控操作的客户端单元3。

[0030] 其中数据采集分析单元1包括：用于进行现场大数据采集的多个焦炉机械四大车PLC控制器1-N 1.1，该设备部署在焦炉机械各车控制室内。用于汇总现场各车辆设备实时数据的焦炉机械地面中控PLC控制器1.2，该设备部署在焦炉机械地面中控配电室。用于数据OPC通讯、数据筛选、变换、初始化等进行数据处理分析服务的边缘计算服务器1.3，该服务器部署在焦炉机械地面中控配电室服务器机柜。

[0031] 进一步的，所述焦炉机械四大车PLC控制器1.1对焦炉机械设备运行过程的状态数据进行采集，包括走行机构位置数据、推焦机构位置数据、平煤机构位置数据、取门机构位置、液压压力、液压流量、电机电流、电机转速、机械机构挠度、减速机震动数据及辅助机构数据，将数据发送至焦炉机械地面中控PLC控制器1.2内。

[0032] 进一步的，所述边缘计算服务器1.3配置了OPC Server服务，通过OPC通讯协议采集焦炉机械地面中控PLC控制器1.2状态数据，采用边缘计算方式对采集到的焦炉机械设备原始数据进行筛选、初始化、格式变换、分类、存储等处理分析，包括：将PLC布尔型数据、WORD型数据、浮点型数据、整型数据转化为数据库需要的WORD型数据，将电机实时状态转化成用于生命周期统计的电机运行时间，将水箱液位瞬时值转化成液位差值用于能耗管理的水资源消耗数据等。

[0033] 进一步的，如图3和图4所示，数据采集分析单元1采用横向、纵向对比方式结合焦炉焦炉机械设备工艺过程，对系统中各运行设备故障的历史数据进行分析，获取关于设备故障类型、故障设备种类、故障频次以及故障时间，根据设备生命周期、设备已运行时间以及附属零部件的状态数据判断该设备的使用寿命。

[0034] 进一步的，数据采集分析单元1根据数据功能属性的不同在边缘计算服务器数据库创建状态数据表、报警数据表、生产计划数据表、生命周期管理数据表、能耗管理数据表，将数据存至数据库对应表中，供后续服务使用。

[0035] 进一步的，服务器单元2包括：运行三维引擎、部署WebService服务的数字化双胞胎应用服务器2.1、用于数据存储服务的数字化双胞胎数据服务器2.2、对系统数据进行维护管理的数据库管理客户端2.3。

[0036] 进一步的，数据库管理客户端2.3是控制系统数据库的后台，对控制系统数据BOOM结构、用户角色、权限分配、基础数据维护、故障诊断解决方案维护进行管控。

[0037] 进一步的，客户端单元3包括：部署在焦炉机械地面中控室内对中控室进行监控的多个工业大屏幕背景墙显示设备3.1、部署在焦炉机械地面中控室内对Web端设备进行管控的WebClient3.2、对焦炉机械作业进行远程管控的移动端手持设备3.3、对焦炉机械设备的工作状态进行管控的VR/AR Client 3.4。

[0038] 进一步的，数据采集分析单元1中的焦炉机械地面中控PLC控制器1.2汇总了多个焦炉机械四大车PLC控制器1.1的数据及中控的数据点。服务器单元2获取边缘计算服务器1.3中的数据，生成数据总集，数据总集包含实时的原始采集数据和基础业务逻辑数据，数据总集经过数据同步直接广播到客户端，用于在系统客户端单元3中的三维动画模型数据绑定使用。

[0039] 进一步的，所述数据库管理客户端2.3通过配置焦炉机械设备BOM结构和业务数据点，形成业务数据总集，业务数据总集的数据点有三种，一种为实时采集数据，通过绑定数据采集总集数据点实现；一种为数据常量点从数据库中获取；一种为业务逻辑点，通过在数据总集基础上经过运算生成。其中业务数据总集支持按照不同的方式(触发式、周期性)、频率，保存到数据库DB中作为历史数据，用于后期分析。所述数据库管理客户端2.3对业务数据总集进行业务分析、并将分析结果反馈至客户端单元3；客户端单元3读取业务数据总集中的报警数据点、对焦炉设备的实时运行状态的变化趋势进行预警分析，将预警信息写入预警信息总集，通过数据同步广播至客户端单元3。

[0040] 进一步的，边缘计算服务器1.3、数字化双胞胎应用服务器2.1、数字化双胞胎数据服务器2.2通过系统的数据同步算法进行数据库实时同步，打通数据双向链路，实现控制系统与设备PLC控制器毫秒级延时的的数据对接，用焦炉机械机构实时数据驱动三维数字化环境模型。所述客户端采用数据同步方式将数据加载到推焦过程的监控设备中对焦炉推焦过程进行整体监控。

[0041] 进一步的，焦炉机械四大车PLC控制器1-N 1.1通过无线工业以太网的通讯方式与焦炉机械地面中控PLC控制器1.2连接，焦炉机械地面中控PLC控制器1.2通过工业以太网与边缘计算服务器1.3连接。边缘计算服务器1.3通过以太网与数字化双胞胎数据服务器2.2连接，数字化双胞胎数据服务器2.2通过以太网与数字化双胞胎应用服务器2.1和数据库管理客户端2.3连接。数字化双胞胎应用服务器2.1通过HDMI/DIV数据接口形式与大屏幕背景墙显示设备1～N3.1连接，数字化双胞胎应用服务器2.1通过以太网与WebClient3.2连接，移动端手持设备3.3和VR/AR Client 3.4通过无线通讯与数字化双胞胎应用服务器2.1连接。

[0042] 本发明公开的系统具体工作过程中可以采用如下流程：

[0043] 通过Solid edge/3D Max/Solid works等三维开发软件建立焦炉机械设备数字化物理模型，通过Maya进行模型材质、纹理、颜色、阴影的渲染，保证数字化模型各个零部件无论外形还是其运动特点都与真实设备一致。

[0044] 使用Unity三维引擎创建数字化环境，在数字化环境中搭建仿真焦炉场景，焦炉机械数字化物理模型通过STL中间格式导入到应用服务器U3D/OSG/UE三维引擎，并设计其相互配合动作关联。所述实时状态主要包括：

[0045] 装煤过程：可直观看到打开炉孔，清理炉孔、清理炉盖、清扫平台、导煤装煤、装煤量等过程，四个炉孔和炉盖都可见。

[0046] 平煤过程：可直观看到打开小炉门、清理门框、清理小炉门，清理平台，平煤杆动作、形成、电流。

[0047] 推焦过程：可直观看到两侧打开炉门、清理门框、清理炉门，清理平台，导焦栅动作，推焦杆动作、行程、电流、红焦动画、接焦动画、接焦罐动作。

[0048] 整体过程：包含炉体及其附属机构，背景，四大车相对于炉体的位置、炉号，电机车的接空罐送满罐动作。

[0049] 异常报警：对于发出异常报警的机构，根据报警级别，呈现不同颜色的高亮显示。

[0050] 过程状态提示：对于以上关键动作节点部分，给予文字性状态标识。

[0051] 本发明公开的一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统，突破人工管理设备的局限性，焦炉车辆的管理人员可通过数字化环境实现焦炉机械全方位、多维度的管控，这样可以真实、精确反应的焦炉机械设备现场实时状态，更有利于设备的管控。

[0052] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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一种焦炉机械数字化双胞胎控制系统

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