數(shù)字孿生是工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)手段,充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù),集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的模擬過程,在虛空間中完成映射,從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生技術(shù)不僅運用在設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)方面,在優(yōu)化控制,節(jié)能減排等方面,也取得了顯著的成效。
物理仿真是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。設(shè)備在設(shè)計階段進(jìn)行了大量的工況仿真,以保證設(shè)備滿足設(shè)計要求。但由于工作環(huán)境,加工物料,操作習(xí)慣等差別,仿真并不能完全匹配現(xiàn)場的工況。而仿真計算,往往需要數(shù)小時,甚至數(shù)天的時間,不能滿足實時監(jiān)測和控制的節(jié)拍要求,所以數(shù)字孿生往往使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)雖然不乏成功案例,但缺乏物理機(jī)理的支撐,難以預(yù)知和改進(jìn)數(shù)字孿生的效果。
在行業(yè)需求的推動下,出現(xiàn)了基于物理機(jī)理和大數(shù)據(jù)分析的混合數(shù)字孿生技術(shù),Ansys公司的TwinBuilder就是其中的代表。如下圖所示,TwinBuilder利用傳統(tǒng)的物理仿真,來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)生所謂的降階模型(ROM),并將現(xiàn)場工況,通過物理機(jī)理,抽象出子系統(tǒng)。利用現(xiàn)場的真實測量數(shù)據(jù),來標(biāo)定子系統(tǒng)參數(shù)。不僅將仿真速度提高到100毫秒到數(shù)秒的數(shù)量級,滿足常用控制系統(tǒng)的節(jié)拍,而且仿真精度更加符合現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)。
在新能源領(lǐng)域,電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。電機(jī)主要有磁性材料和線圈組成,高溫不僅會造成磁性材料的退磁,降低運行效率,也會引起線圈短路,燒毀電機(jī)。在電機(jī)控制算法中,溫度是一個重要的測量數(shù)據(jù)。但是在實際測量中,很難測量電機(jī)最熱的轉(zhuǎn)子的溫度。由于溫度的分布特性,更不可能預(yù)知轉(zhuǎn)子最熱的測量點。
下圖是使用Ansys TwinBuilder,對電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行虛擬測量的驗證系統(tǒng)。Thingworx是工業(yè)領(lǐng)域的低代碼數(shù)字中臺產(chǎn)品,接口豐富,運行穩(wěn)定,擴(kuò)展方便,與TwinBuilder有內(nèi)建的接口。
TwinBuilder軟件不僅可以對流體,結(jié)構(gòu),電磁等仿真,建立降階模型,同時根據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng),設(shè)計孿生模型,通過實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和仿真運算電機(jī)的溫度分布,提取電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前時刻的最高,平均和最低溫度值,匯入數(shù)據(jù)中臺,不僅用于優(yōu)化電機(jī)控制,也可以為預(yù)測性維護(hù)等應(yīng)用提供依據(jù)。Thingworx數(shù)據(jù)中臺串接IT和OT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信,存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù),實現(xiàn)分析,報表和工況回溯。
TwinBuilder所提供的混合數(shù)字孿生技術(shù),在綜合節(jié)能領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用,如空調(diào),冶金,水利等。
審核編輯:郭婷
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原文標(biāo)題:莎益博 | 基于物理機(jī)理的混合數(shù)字孿生解決方案
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