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横河电机推出用于边缘控制器的自主控制AI服务

仪表网 2023-02-28
仪表网 产品快讯】近日,横河电机株式会社宣布推出面向边缘控制器的强化学习服务。这种自主控制服务面向基于OpreX™实时操作系统的机器控制器(e-RT3 Plus),采用阶乘内核动态策略编程(FKDPP)强化学习AI算法,由软件包和可选的咨询服务和/或培训项目组成,具体取决于最终用户的需求。该软件面向全球发布。咨询和培训项目将首先在日本开展,然后推向其他市场。
 
Autonomous control AI service for edge controllers
面向边缘控制器的自主控制AI服务
 
  开发背景
 
  鉴于实际工厂的物理、化学和其他工艺的复杂性,仍有许多地方需要资深操作人员进行干预。控制这些地方往往很困难,并且直接影响产品质量和盈利能力。传统的控制技术包括PID控制*1和先进过程控制(APC)*2。采用PID控制或APC进行复杂控制,有时可能需要进行调整,而这可能会耗费大量的时间和精力。此外,某些工厂操作区域不适合PID控制或APC,必须手动控制,这就需要操作员在控制输入前进行判断。自主控制AI是针对此类情况的新技术,可实现复杂的控制,并消除对手动操作的依赖。
 
  产品与服务特点
 
  FKDPP是一种不同于PID控制和APC的新型控制技术。2022年3月,横河电机和JSR公司的弹性体业务部门(现归ENEOS Materials公司所有)成功完成了一项为期35天的现场测试。在该测试中,AI用于自主控制化工厂中的设施,该设施无法使用现有控制方法进行控制,并且需要根据工厂人员的判断手动操作控制阀。这开创了世界先河*3。尽管存在天气情况等可能会严重破坏控制状态的因素,但还是实现了这一目标。
 
  借助横河电机今天宣布的新服务,客户可以使用FKDPP算法创建AI控制模型,并将其安装在边缘控制器上。该服务具有以下特点和优点:
 
  特点
 
  1.由于简化了AI模型创建过程,即使非AI专家也可以创建自主控制AI模型,并将其安装在e-RT3边缘控制器上。
 
  2.其他设施仍在运行时,也可以对安装了自主控制AI的边缘控制器进行改造。
 
  3.它支持短至0.01秒的控制周期,特别适合需要快速响应的设备控制应用。
 
  优点
 
  1.在只能进行手动控制的情况下实现自主控制
 
  在超出PID控制和APC能力的地方应用自主控制AI,可以实现自主、优化控制。它不易受外部干扰的影响,可实现稳定控制,并提高生产率。
 
  2.抑制过冲
 
  尽管因控制目标而异,但FKDPP可以抑制过冲。例如,通过减少不必要的过热,过冲的减少(超过设定值的情况)预计将延长熔炉和其他加热设施的使用寿命。
 
  3.显著缩短整定时间
 
  与PID控制相比,FKDPP可显著缩短整定时间,节约能源,提高生产率。
 
  4.能够在相互冲突的要求之间实现适当的平衡
 
  虽然取决于控制目标,但FKDPP能够处理相互冲突的要求,例如,在减少能源消耗和保持产品质量之间取得适当的平衡。
 
  在进行验证(如下文所示)之后,横河电机现在推出了这项新型自主控制AI服务,用于多个行业的边缘控制器,而无需对工厂设施进行重大改造。
 
  实验炉控制
 
  与自动调谐PID控制相比,该解决方案能够抑制过冲,并将整定时间缩短约65%——自动调谐PID控制器需要约30分钟整定时间,而自主AI控制需要约10分钟。
 
Comparison of auto-tuned PID control and autonomous AI control
自动调谐PID控制与自主AI控制的比较
 
e-RT3 edge controller
e-RT3边缘控制器
 
  要使用此系统,需要边缘控制器(单独出售)、自主AI学习服务、在边缘控制器上实施AI控制模型的软件包以及运行AI控制模型的许可证。根据应用的不同,横河电机可以提供培训项目、相关咨询服务、工程服务等,帮助用户启动。
 
  奈良先端科学技术大学院大学教授松原崇充(Takamitsu Matsubara)与横河电机共同开发了FKDPP算法。他评论说:“可以说,横河电机能够将强化学习商业化,主要归功于FKDPP减少了强化学习课题庞大的学习次数,并使其更加可行。横河电机已经证明了FKDPP的价值和实用性。将强化学习商业化为面向制造业的控制系统产品,还没有其他先例。我预计FKDPP将为工业创造新的价值。”
 
  横河电机执行董事兼产品总部负责人长谷川健司(Kenji Hasegawa)补充说:“控制是产品质量和客户收入的重要组成部分,但资深操作员的专业知识至关重要。我们认为,自主控制AI(FKDPP)是一项颠覆性创新,它将以多种新方式,解决在传统控制技术中遇到困难的客户的担忧。未来,我们还将开辟一个新领域,实现基于管理战略的灵活控制。通过为客户提供价值,我们将为工业的可持续发展做出贡献,同时尽可能地减少对环境的影响,并引领IA2IA——从工业自动化向工业自主化的过渡。”
 
  *1 比例-积分-微分控制,由Nicolas Minorsky于1922年首次提出,是一种用于流程工业和工厂自动化的基础设施控制技术,用于控制流量、温度、液位、压力和成分等因素。它根据当前值与设定值之间的偏差,基于P、I、D计算实现针对目标值的控制。运算量是根据当前值与设定值之间的偏差,P(比例)、I(积分)和D(微分)运算的计算结果之和,并根据 “目标值”进行控制。在某些情况下,某个值可能会超过(过冲)设定值,或者需要一段时间来整定以避免过冲。
 
  *2 先进过程控制使用数学模型,预测过程响应,并为PID控制回路实时提供设定值,以提高生产率、质量和可控性。它可以很容易地用于控制,以提高产量、减少劳动时间并节约能源。APC可以减小数据偏差,从而更接近操作性能的极限(即获得优化性能),但它不擅长对非线性化学反应和机械变化做出反应。
 
  *3 横河电机和JSR公司使用人工智能连续35天对化工厂进行自主控制,开创世界先河 - 兼顾质量、产量、节能和抗突发干扰的下一代控制技术投入实际应用 -
 
  目标市场
 
  资源和能源(石油、化工、天然气、电力、可再生能源等)
 
  材料(纺织品、纸浆和造纸、涂料等)
 
  电子(半导体制造设备等)
 
  食品和农业
 
  制药
 
  水和废水
 
  用途
 
  控制温度、压力、水位、流量等
 
  关于横河电机集团
 
  横河电机为能源、化工、材料、制药和食品等多个行业的客户提供测量、控制和信息领域的先进解决方案。横河电机通过数字化技术的有效应用,帮助客户解决日益复杂的生产、资产和供应链优化等问题,实现向自主运营的过渡。横河电机于1915年在东京成立,拥有17,000多名员工。它通过遍布61个国家的122家公司的全球网络,致力于实现可持续发展的社会。
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