本发明专利技术是一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，属于冶金生产流程的数字孪生领域。本发明专利技术系统包括：基础自动化控制系统PLC、实时仿真系统以及热连轧生产三维虚拟场景可视化系统。PLC连接着现场设备，接收来自过程自动化控制系统的设定数据，采集设备动作行为、生产状态、工况的实时数据发送给实时仿真系统。实时仿真系统进行设备和物料仿真，预测设备和物料的状态，再与现场观测结果融合，将修正的状态传递给可视化系统。热连轧生产三维虚拟场景可视化系统根据实时数据展现生产场景。本发明专利技术解决了目前数字孪生系统中数据质量不高、数据覆盖面不足的问题，提高了数字孪生系统的数据质量和精度，满足高实时性要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于冶金生产流程的数字孪生领域，特别涉及一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统。
技术介绍
1、热轧带钢是钢铁工业最重要的钢材产品之一。钢铁热连轧生产的技术水平直接关系着热轧带钢的产品质量和生产效率。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，其中数字孪生技术是钢铁行业进行数智转型过程中最重要的技术之一。
2、数字孪生技术是以数字化手段将钢铁产线映射到虚拟空间，模拟钢铁生产线(包括物料以及生产状态等)在现场真实环境下的状态行为，帮助工程师实现生产过程的控制优化，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、目前对于钢铁产线的数字孪生系统主要有两种技术路径，一种是基于可视化技术和监测数据接入来建立数字孪生系统，另一种是基于仿真模型建立数字孪生系统，但这两种方式都不能满足实际生产对将产线状态精确和全面映射到虚拟空间的需要。基于可视化技术和数据接入的数字孪生系统受限于传感器的技术/精度限制，会导致数据有观测误差，并且由于实际生产中产线上安装传感器往往有限制，数字孪生系统所能接入的数据非常有限。另一方面，基于仿真模型的数字孪生系统结合机理模型和数据回归等方法，对产线的状态参数进行预测。这些方法虽有提供很多不可测数据，但是由于所建立或采用的模型大多是经验公式或近似公式，只能大致反应出过程参数的变化趋势，但并不能保证计算出来的数据接近于产线的真实状态，甚至可能会因为部分输入数据的原因，导致偏差越来越大。
/>技术实现思路
1、为了解决上述数字孪生系统中数据质量不高、数据覆盖面不足的问题，本专利技术提供了一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，通过结合数学建模、数据融合算法，将模型预测与实际观测结果相融合，从而消除观测误差和模型不确定性等因素对数字孪生系统的影响，本专利技术的系统可以通过吸收多源信息，优化模型参数和提升模型的精度和计算能力，使得模拟结果更加贴近真实情况，进而为科学研究提供更为可靠的依据。
2、本专利技术提供的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，包括三个部分：基础自动化控制系统plc、实时仿真系统以及热连轧生产三维虚拟场景可视化系统。
3、所述的基础自动化控制系统plc连接着现场设备，除了控制现场设备，负责接收来自过程自动化控制系统的设定数据和对设备动作行为、生产状态、工况的实时数据采集并发送给实时仿真系统中的实时通讯模块。
4、所述的实时仿真系统是热连轧数字孪生系统中的核心部分，负责对将物理产线映射到数字空间，反映物理产线中设备和物料的真实状态和动作。实时仿真系统构建物理设备和物料的仿真模型，通过实时通讯模块接受现场设备的数据，通过仿真模型预测得到物理设备和物料的真实状态，通过数据融合算法模块将仿真模型预测结果与实际观测结果相融合，再通过实时通讯模块将融合修正的物理设备和物料状态的真实值传递给热连轧生产三维虚拟场景系统。
5、所述的实时仿真系统构建物料的仿真模型，是指构建物料在轧制过程中反映状态变化的机理模型，包括物料的轧制力机理模型和传热机理模型。
6、所述的物料的轧制力机理模型的计算公式为：
7、p＝blcqpkm
8、式中，p为轧制力，b为物料(板坯)带宽，lc为接触弧长度，qp为应力状态系数，km为金属变形阻力，km＝1.15σ，σ为变形抗力。
9、所述的物料(板坯)的传热模型考虑了物料温度受到的塑性变形热和与轧辊接触热传导的影响，建立的传热模型如下：
10、tt+δt＝tt+δth-δtc
11、式中tt和tt+δt每一计算步前后的物料轧件温度，δth为单位计算步长中产生的变形温升，δtc为单位计算步长中热传导导致的轧件温降。
12、所述的实时仿真系统基于simulink/simscape，主要对轧机的液压系统和电机传动系统进行建模，构建设备的仿真模型。液压系统模型中的阀门控制信号由基础自动化控制系统plc传入，轧制力由物料仿真模型计算得出。电机传动系统模型中的电机控制信号由基础自动化控制系统传入，轧制力矩由物料仿真模型计算得出。
13、所述的数据融合算法模块对仿真模型的预测值和plc传入的实际监测数据进行融合优化，计算公式如下：
14、
15、式中xk为对欲修正的系统状态参数，为数据融合修正后的系统状态参数，为滤波增益，yk为现场观测量的监测值，h(xk)为基于模型所得到的现场观测量的预测值。
16、所述的实时仿真系统运行于实时仿真机上，实时仿真机的系统配置为qnx实时操作系统，该系统可以保证仿真模型和数据融合算法的实时性与现场保持一致。
17、热连轧生产三维虚拟场景可视化系统接收到设备和物料状态的真实值后，根据实时数据展现生产场景，如位置、距离、设备动作的变化，从而将现场生产情况实时地、生动地还原出来。
18、本专利技术所提出的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧粗轧工序数字孪生系统，其优点和益处如下：
19、本专利技术针对热连轧数字孪生系统提供了一种基于仿真模型和实时数据融合技术，针对热连轧工艺生产，基于仿真模型，为数字孪生系统提供更全面的数据，解决了生产过程中许多数据不可测的问题。以设备和物料对象仿真模型，产生仿真数据，结合现场实时数据，获得更加全面有价值的用于数字孪生的数据。本专利技术利用实时数据融合方法，将仿真数据和监测数据进行数据融合，既纠偏了模型预测误差，又消除了观测误差，进一步提高了数字孪生系统的数据质量和精度。本专利技术的数字孪生系统是基于实时仿真技术开发，实时性相较于传统的可视化系统和仿真系统有了极大的提高，能够满足热连轧对数字孪生系统的高实时性要求。本专利技术的基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧粗轧工序数字孪生系统，以实际的生产车间为依据搭建系统，提供丰富的数据接口，能够以基础自动化系统等的实时数据为驱动，通过数据融合得到的高质量高精度数据，实时地将进行数据传输，帮助实现生产过程的实时控制优化，方便开展先进智能制造技术的研究与开发，满足市场需要，提升生产能力，提高产品质量。
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【技术保护点】
1.一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，包括基础自动化控制系统、实时仿真系统以及热连轧生产三维虚拟场景系统；
2.如权利要求1所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的实时仿真系统，构建的物料的仿真模型，包括物料轧制力机理模型和传热机理模型；
3.如权利要求2所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的变形抗力σ采用美坂佳助抗力模型，设置如下：
4.如权利要求2所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的物料的传热机理模型中，计算塑性变形热产生的温升模型如下：
5.如权利要求2或4所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的物料的传热机理模型中，由于轧制过程中热量由温度较高的轧件传向温度较低的轧辊，因此配置与物理设备接触热传导引起的温降模型如下：
6.如权利要求1所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的实时仿真系统基于Simulink/Simscape对物理设备的液压系统和电机传动系统进行建模，构建物理设备的仿真模型；其中，液压系统模型中的阀门控制信号由基础自动化控制系统传入，轧制力由物料仿真模型计算得出；电机传动系统模型中的电机控制信号由基础自动化控制系统传入，轧制力矩由物料仿真模型计算得出。
7.如权利要求1或2或6所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的实时仿真系统运行于实时仿真机上，实时仿真机的系统配置为QNX实时操作系统。
8.如权利要求1所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的数据融合算法模块每隔q个单位计算步长进行一次数据融合，包括：
9.如权利要求1所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的实时通讯模块与基础自动化控制系统之间采用Profinet通讯，与热连轧生产三维虚拟场景系统通过TCP/IP Socket进行通讯。
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【技术特征摘要】
1.一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，包括基础自动化控制系统、实时仿真系统以及热连轧生产三维虚拟场景系统；
2.如权利要求1所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的实时仿真系统，构建的物料的仿真模型，包括物料轧制力机理模型和传热机理模型；
3.如权利要求2所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的变形抗力σ采用美坂佳助抗力模型，设置如下：
4.如权利要求2所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的物料的传热机理模型中，计算塑性变形热产生的温升模型如下：
5.如权利要求2或4所述的一种基于仿真模型和实时数据融合方法的热连轧数字孪生系统，其特征在于，所述的物料的传热机理模型中，由于轧制过程中热量由温度较高的轧件传向温度较低的轧辊，因此配置与物理设备接触热传导引起的温降模型如下：
6.如权利要求1所述的一种基于仿真模型和实时数据融合...
【专利技术属性】
技术研发人员：齐正，张恒，张云贵，
申请(专利权)人：冶金自动化研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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