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虚拟测量

企业的关键设备和大型装备,往往价格昂贵,维护困难。虽然在研发过程中做过非常深入细致的CAE仿真和实物测试,设备在实际运行过程中还是会出现各种状况,需要及时调整,甚至介入设备维护。为此,设备配置了各种传感器,用于实时掌握设备的运行。然而,由于环境的限制,比如超高温,或者测量点在物体内部,无法放置传感器。对于场域的物理量,比如变化的温度分布等,高温度点会随着时间变化。这种情况,就需要虚拟测量,也就是通过实时仿真,获得所需的物理量。

莎益博整合多年设计、仿真和测试的经验,使用Ansys的Twin Builder工具,实现了虚拟测量。利用设备的3D模型,建立ROM(降阶)模型。根据设备的系统构成,将ROM模型串接成孪生模型。这样的孪生模型,可以实现对系统的秒级仿真,获得设备的全息物理信息。利用这种虚拟测量技术,不仅可以预测设备的状态和异常,也可以为优化控制,提供依据。

Ansys TwinBuilder软件的原理和功能如下图所示:

TwinBuilder 框架介绍

TwinBuilder从传统的CAE仿真软件,如Ansys的结构、流体和电场软件,获得设备或部件的三维结构、边界条件、激励信号和仿真结果,根据仿真的线性和非线性,动态或静态的特征,自动生成ROM降阶模型。TwinBuilder也可以结合第三方仿真软件生成的FMI/FMU,创建设备子系统的孪生模型,利用现场实时数据,对孪生模型进行校准。经过校准的孪生模型,不仅具有秒级的仿真速度,虚拟测量(仿真)的准确度也更加符合现场设备的实际。

在设备的运行现场,为了达到优化控制和预测性维护的目的,我们还需要一个通信系统,将设备运行的激励输入到模型中,并从模型中提取虚拟测量数据。Ansys TwinBuilder提供了两种通信方式,一种是在线式,即通过TwinBuilder软件提供的API进行通信。另一种是使用Ansys TwinBuilder Deployer软件,该软件将孪生模型和解算器打包成一个twin文件,并提供基于c++、java、python等语言的SDK。

结合IoT数据中台,下图显示了一个典型的优化控制和预测性维护的系统架构。左下方是设备的运行现场,有各种IT系统,如ERP,MES,数据库等等,也有OT端的设备数据采集,如通过PLC或传感器。这些数据通过Kepware或RESTful接口,集中到图片右上方的数据中台上。ThingWorx是功能完整的物联网平台,在收到一笔实时数据后,可以自动触发一个方法(函数),通过Ansys TwinBuilder Deployer的SDK,将数据推送到左上方的twin模型进行运算,并将计算结果返回ThingWorx平台。IoT汇集了设备的完整数据,就可以对设备的运行状况在右下方监控平台进行展示,报警,甚至推送到AR系统,通过增强现实,帮助现场工作人员全面掌握设备的运行,甚至对维护,提供作业指导。

 

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