基于數(shù)字孿生的液壓運(yùn)維系統(tǒng)

□ 呂 偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)設(shè)備信息化的要求越來越高,實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程運(yùn)維,對(duì)行業(yè)發(fā)展有重要意義。液壓系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)輕巧、傳動(dòng)比大等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械中,通過經(jīng)濟(jì)有效的方法實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,有利于實(shí)時(shí)了解工程機(jī)械中液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),提高工作安全性和穩(wěn)定性。

當(dāng)前,以數(shù)字孿生、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為代表的新興學(xué)科迅猛發(fā)展,為推進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)提供了方法,這其中,數(shù)字孿生虛擬世界和物理世界的融合引起了廣泛關(guān)注,并得到應(yīng)用[1]。數(shù)字孿生的概念最早由美國(guó)密歇根大學(xué)Grieves教授在其講授的產(chǎn)品生命周期管理課程中提出[2]。21世紀(jì)初,美國(guó)空軍科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)國(guó)家航空航天局將數(shù)字孿生應(yīng)用于構(gòu)建飛行器數(shù)字孿生體,由此,數(shù)字孿生的概念引起廣泛關(guān)注,由軍用逐步擴(kuò)展至工業(yè)和民生各個(gè)領(lǐng)域,越來越多的學(xué)者研究數(shù)字孿生技術(shù),用于解決實(shí)際工程問題[3-4]。當(dāng)今被工業(yè)界廣泛認(rèn)可的數(shù)字孿生定義由Glaessegen和Stargel在2012年給出,即一個(gè)集成多物理性、多尺度性、概率性的復(fù)雜產(chǎn)品仿真模型,能夠?qū)崟r(shí)反映真實(shí)產(chǎn)品的狀態(tài)[5]。由此可以看出,數(shù)字孿生技術(shù)通過構(gòu)建物理設(shè)備的數(shù)字孿生體,達(dá)到物理世界在數(shù)字世界真實(shí)、全面、實(shí)時(shí)、客觀的映射,并借助數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的智能設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)[6]。

數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得一定成果。唐學(xué)用等[7]提出將數(shù)字孿生技術(shù)引入?yún)^(qū)域多能源系統(tǒng)研究,從區(qū)域多能源系統(tǒng)仿真建模、規(guī)劃、運(yùn)行、檢修等方面提出數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用展望。耿琦琦[8]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè),有效解決設(shè)備層與管理層交互不足的問題。周楊[9]提出利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建動(dòng)車組關(guān)鍵部件數(shù)字孿生體,實(shí)現(xiàn)在物理數(shù)據(jù)較少的情況下進(jìn)行故障診斷。

液壓系統(tǒng)是一套將液壓油作為工作介質(zhì),通過控制閥門等元件操縱液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的裝置。液壓系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、能量傳遞效率高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于造紙、紡織、礦山、冶金等行業(yè)。傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的運(yùn)維方式一般是定期檢修、故障維修模式,這種定期運(yùn)維模式用于保障液壓系統(tǒng)健康運(yùn)行,具有嚴(yán)重的延遲性,可靠性一般。對(duì)液壓系統(tǒng)的高效運(yùn)維依托于對(duì)所有元件節(jié)點(diǎn)信息的有效監(jiān)控,但出于經(jīng)濟(jì)性考慮,不可能在所有元件進(jìn)出口添加傳感器。另外,由于液壓系統(tǒng)自身的特點(diǎn),部分傳感器添加并不方便。比如,對(duì)于流量信號(hào)的測(cè)取,流量計(jì)體積較大,在液壓回路中安裝不方便,流量計(jì)加入液壓回路還會(huì)帶來系統(tǒng)壓力損失,影響系統(tǒng)的正常工作,并且流量計(jì)的成本較高,添加流量計(jì)會(huì)影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[10]。筆者設(shè)計(jì)基于數(shù)字孿生的液壓運(yùn)維系統(tǒng),借助于數(shù)字孿生技術(shù),搭建一套線上液壓系統(tǒng)作為數(shù)字孿生體,然后在實(shí)物液壓系統(tǒng)安裝少量傳感器采集測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳,構(gòu)建物理系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的孿生體映射,通過線上液壓系統(tǒng)計(jì)算剩余測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),最終實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能運(yùn)維。

2 液壓運(yùn)維系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)路線

液壓運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示。根據(jù)物理系統(tǒng)中的實(shí)體液壓元件構(gòu)建通用液壓元件庫(kù),基于實(shí)體液壓系統(tǒng)運(yùn)行原理,利用液壓元件庫(kù)搭建線上液壓系統(tǒng)作為數(shù)字孿生體,并按照實(shí)體液壓系統(tǒng)的元件參數(shù)為線上液壓系統(tǒng)定義屬性。選取實(shí)體液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝傳感器,將傳感器數(shù)據(jù)采集上傳,與線上液壓系統(tǒng)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射配置。以實(shí)際數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)線上液壓系統(tǒng)運(yùn)行,運(yùn)維機(jī)理模型以配置的元件參數(shù)和實(shí)際傳感器參數(shù)為基礎(chǔ),計(jì)算出實(shí)體液壓系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能運(yùn)維。

2.2 液壓元件庫(kù)

以液壓元件單向定量液壓泵為例介紹物理計(jì)算式的構(gòu)建。單向定量液壓泵如圖2所示,1口壓力為P1,流量為q1,2口壓力為P2,流量為q2,3口轉(zhuǎn)矩為T3,轉(zhuǎn)速為n3,4口壓力為P4,流量為q4。預(yù)設(shè)的配置信息包括排量Vg、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、機(jī)械效率ηhm、容積效率ηv、總效率ηt、最大壓力pmax、最大轉(zhuǎn)速nmax,各參數(shù)計(jì)算式如下:

P2=20T3πηhm/Vg+P1

(1)

q2=n3Vgηv

(2)

q4=n3Vg(1-ηv)

(3)

q1=q2+q4=n3Vg

(4)

P1=0

P4=0

12月13日，由中國(guó)家用電器協(xié)會(huì)指導(dǎo)、紅頂獎(jiǎng)組委會(huì)主辦的“第10屆中國(guó)高端家電趨勢(shì)發(fā)布暨紅頂獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)盛典”在京舉行。50多家國(guó)內(nèi)外知名家電、科技品牌企業(yè)，獨(dú)家渠道協(xié)辦單位京東家電，數(shù)據(jù)支持機(jī)構(gòu)國(guó)家信息中心信息化和產(chǎn)業(yè)發(fā)展部、中怡康時(shí)代、京東排行榜以及上百家媒體，共同見證了紅頂獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)產(chǎn)品的揭曉和高端家電消費(fèi)趨勢(shì)的發(fā)布。

由物理計(jì)算式可見,計(jì)算的輸入為預(yù)設(shè)的配置信息,以及通過傳感器采集到的計(jì)算參數(shù)或者組成液壓系統(tǒng)后相鄰元件傳遞的計(jì)算參數(shù)。

2.3 實(shí)體液壓系統(tǒng)與線上液壓系統(tǒng)映射

實(shí)體液壓系統(tǒng)與線上液壓系統(tǒng)的映射分為兩部分,一部分是基于液壓元件參數(shù)和傳感器的映射,一部分是基于運(yùn)維機(jī)理模型的映射,前者是直接映射,后者是間接映射。對(duì)于液壓元件參數(shù),在搭建好線上液壓系統(tǒng)后,需要為所有用到的元件配置參數(shù),配置的參數(shù)與實(shí)體液壓系統(tǒng)中所選的元件品牌型號(hào)相關(guān)。對(duì)于傳感器數(shù)據(jù),為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的有效監(jiān)控,一般需要加裝傳感器采集元件接口的數(shù)據(jù)。根據(jù)前文分析,無論是出于經(jīng)濟(jì)性考慮還是出于液壓系統(tǒng)自身特點(diǎn)考慮,設(shè)計(jì)運(yùn)維方案時(shí)一般只在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)添加傳感器,然后通過網(wǎng)關(guān)終端將數(shù)據(jù)發(fā)送至線上液壓系統(tǒng),與線上對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)映射。運(yùn)維機(jī)理模型可以通過映射的傳感器數(shù)據(jù)、元件的物理計(jì)算式,以及依托于元件品牌型號(hào)的預(yù)設(shè)參數(shù)計(jì)算出整個(gè)液壓系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),由此通過少量傳感器添加實(shí)現(xiàn)整個(gè)液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

以下對(duì)運(yùn)維機(jī)理模型進(jìn)行介紹。

運(yùn)維機(jī)理模型的輸入有配置的信息和采集信息,配置信息包括系統(tǒng)基本信息、元件預(yù)設(shè)參數(shù)、元件連接關(guān)系、通道傳感器配置信息,采集信息為傳感器采集的數(shù)據(jù)。

運(yùn)維機(jī)理模型計(jì)算過程如下:

(1) 讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)和通道傳感器配置信息,根據(jù)通道傳感器的綁定關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,將傳感器數(shù)據(jù)賦值給對(duì)應(yīng)的元件參數(shù);

(2) 獲取各元件物理計(jì)算式,元件內(nèi)部將配置信息和傳感器賦值的參數(shù)作為輸入,進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算,已經(jīng)完成賦值的參數(shù)不再根據(jù)物理計(jì)算式計(jì)算,分別記錄已計(jì)算出的參數(shù)和未計(jì)算出的參數(shù);

(3) 獲取元件連接關(guān)系,相連元件按照連接關(guān)系進(jìn)行壓力、流量、轉(zhuǎn)速、位移等信息的傳遞,更新各元件已計(jì)算出的參數(shù)和未計(jì)算出的參數(shù);

(4) 根據(jù)更新的元件參數(shù)重復(fù)步驟(2)～(3),直至液壓系統(tǒng)所有元件參數(shù)都被計(jì)算出來,完成一次計(jì)算過程。

通過運(yùn)維機(jī)理模型計(jì)算過程,實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)所有元件物理世界與數(shù)字世界的映射。

3 系統(tǒng)功能

3.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

液壓運(yùn)維系統(tǒng)包含液壓元件庫(kù)、設(shè)計(jì)模塊、運(yùn)維模塊、配置模塊。在標(biāo)準(zhǔn)液壓元件庫(kù)中,每個(gè)元件包含標(biāo)準(zhǔn)圖形、默認(rèn)預(yù)設(shè)參數(shù)、物理計(jì)算式。使用時(shí),工程人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)頁(yè)面新建系統(tǒng)圖紙,拖拽液壓元件庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)元件,通過管道連接形成液壓系統(tǒng)圖。按照液壓元件的實(shí)際選型為元件配置具體參數(shù),形成與實(shí)體液壓系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的線上圖紙。液壓系統(tǒng)實(shí)物側(cè)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝傳感器,通過網(wǎng)關(guān)終端將數(shù)據(jù)上傳至液壓運(yùn)維平臺(tái)數(shù)據(jù)解析模塊,進(jìn)行數(shù)據(jù)解析存儲(chǔ)。系統(tǒng)運(yùn)維時(shí),將線上液壓系統(tǒng)中的傳感器元件與實(shí)物傳感器相互映射,實(shí)物側(cè)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析導(dǎo)入運(yùn)維機(jī)理模型,運(yùn)維機(jī)理模型即可根據(jù)元件的配置信息和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,以此監(jiān)控液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的運(yùn)維。液壓運(yùn)維系統(tǒng)功能的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 設(shè)計(jì)模塊

設(shè)計(jì)模塊支持可拖拽方式繪制液壓系統(tǒng)圖紙,用戶根據(jù)實(shí)際液壓原理從液壓元件庫(kù)中選取相應(yīng)元件,通過管道將元件接口與接口相連,組成基礎(chǔ)液壓系統(tǒng)圖。為每個(gè)元件預(yù)選對(duì)應(yīng)的品牌型號(hào),明確元件的預(yù)設(shè)參數(shù)。繪制液壓系統(tǒng)圖后,需要對(duì)提交的液壓系統(tǒng)圖驗(yàn)證可行性。驗(yàn)證時(shí),遵循運(yùn)維機(jī)理模型進(jìn)行計(jì)算,如果可行性驗(yàn)證不通過,那么會(huì)給出輸出參數(shù)無法計(jì)算的元件,提示液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或相關(guān)元件參數(shù)配置不合理,用戶需要返回修改液壓系統(tǒng)圖紙或配置信息。

3.3 配置模塊

配置模塊主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。

第一個(gè)功能是線上液壓系統(tǒng)與實(shí)體液壓系統(tǒng)的綁定。液壓系統(tǒng)實(shí)物側(cè)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝傳感器,通過網(wǎng)關(guān)終端將傳感器數(shù)據(jù)上傳至液壓運(yùn)維平臺(tái)。實(shí)物傳感器與線上液壓系統(tǒng)中的傳感器是一一對(duì)應(yīng)的,配置模塊負(fù)責(zé)將線上液壓系統(tǒng)圖紙中的傳感器與實(shí)物傳感器進(jìn)行配置,這樣運(yùn)維計(jì)算時(shí)就可以將數(shù)據(jù)正確地傳遞至對(duì)應(yīng)元件參與計(jì)算。

第二個(gè)功能是運(yùn)維機(jī)理模型計(jì)算結(jié)果與前端的通信配置。液壓運(yùn)維系統(tǒng)支持多臺(tái)設(shè)備同時(shí)運(yùn)維,出于系統(tǒng)效率的考慮,運(yùn)維機(jī)理模型根據(jù)液壓系統(tǒng)圖紙的配置信息、連接關(guān)系,以及傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算輸出液壓系統(tǒng)中所有元件的參數(shù)。運(yùn)維機(jī)理模型計(jì)算結(jié)果輸出至前端展示,由配置模塊實(shí)現(xiàn)。運(yùn)維機(jī)理模型的計(jì)算結(jié)果通過Websocket推送至前端,運(yùn)維機(jī)理模型與前端通信的WebSocket地址事先注冊(cè)至配置模塊,由配置模塊統(tǒng)一管理。

3.4 運(yùn)維模塊

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,可以按照液壓系統(tǒng)圖紙搭建實(shí)體液壓系統(tǒng),并加裝傳感器。網(wǎng)關(guān)按照一定采樣頻率通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳,支持批量上傳數(shù)據(jù)或一次只上傳一組數(shù)據(jù)。循環(huán)調(diào)用運(yùn)維機(jī)理模型的所有參數(shù),計(jì)算結(jié)果在液壓運(yùn)維系統(tǒng)圖紙上實(shí)時(shí)展示,同時(shí)還可以查看任意參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線。

運(yùn)維模塊對(duì)元件的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置了閾值報(bào)警邏輯,對(duì)運(yùn)維機(jī)理模型輸出的計(jì)算結(jié)果會(huì)進(jìn)行判斷報(bào)警,并在運(yùn)維監(jiān)控頁(yè)面實(shí)時(shí)顯示報(bào)警提示,向運(yùn)維人員推送報(bào)警信息。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

液壓運(yùn)維系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),以Spring Framework為核心容器,以MyBatis為系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)訪問層,以JDBC為系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)訪問層。通過構(gòu)建液壓元件庫(kù)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)運(yùn)維,實(shí)現(xiàn)液壓行業(yè)的數(shù)字化改造。由于篇幅限制,此處僅對(duì)部分頁(yè)面做展示,液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)頁(yè)面如圖4所示,通道傳感器綁定頁(yè)面如圖5所示,液壓系統(tǒng)運(yùn)維頁(yè)面如圖6所示。

5 結(jié)束語

筆者以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ),構(gòu)建液壓運(yùn)維系統(tǒng)。在液壓運(yùn)維系統(tǒng)中,定義通用液壓元件庫(kù)。用戶可以使用設(shè)計(jì)模塊繪制液壓系統(tǒng)圖紙,配置傳感器綁定信息,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和系統(tǒng)監(jiān)控,適合液壓行業(yè)小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。通過液壓運(yùn)維系統(tǒng),可以有效解決液壓系統(tǒng)全局參數(shù)監(jiān)控問題,有助于提高液壓行業(yè)的信息化水平,具有較高的實(shí)用價(jià)值。