基于数字孪生的液压运维系统

□ 吕 伟

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

随着信息化技术的发展,工业领域对工业设备信息化的要求越来越高,实现工业设备生产过程的实时监控和远程运维,对行业发展有重要意义。液压系统以结构轻巧、传动比大等特点广泛应用于工程机械中,通过经济有效的方法实现液压系统的实时监控,有利于实时了解工程机械中液压系统的运行状态,提高工作安全性和稳定性。

当前,以数字孪生、人工智能、云计算、大数据等技术为代表的新兴学科迅猛发展,为推进传统工业设计提供了方法,这其中,数字孪生虚拟世界和物理世界的融合引起了广泛关注,并得到应用[1]。数字孪生的概念最早由美国密歇根大学Grieves教授在其讲授的产品生命周期管理课程中提出[2]。21世纪初,美国空军科学研究实验室和美国国家航空航天局将数字孪生应用于构建飞行器数字孪生体,由此,数字孪生的概念引起广泛关注,由军用逐步扩展至工业和民生各个领域,越来越多的学者研究数字孪生技术,用于解决实际工程问题[3-4]。当今被工业界广泛认可的数字孪生定义由Glaessegen和Stargel在2012年给出,即一个集成多物理性、多尺度性、概率性的复杂产品仿真模型,能够实时反映真实产品的状态[5]。由此可以看出,数字孪生技术通过构建物理设备的数字孪生体,达到物理世界在数字世界真实、全面、实时、客观的映射,并借助数字孪生体实现对物理设备的智能设计、制造、调试、运行维护[6]。

数字孪生技术在工业领域的应用已经取得一定成果。唐学用等[7]提出将数字孪生技术引入区域多能源系统研究,从区域多能源系统仿真建模、规划、运行、检修等方面提出数字孪生技术的应用展望。耿琦琦[8]将数字孪生技术应用于工业机器人状态监测,有效解决设备层与管理层交互不足的问题。周杨[9]提出利用数字孪生技术构建动车组关键部件数字孪生体,实现在物理数据较少的情况下进行故障诊断。

液压系统是一套将液压油作为工作介质,通过控制阀门等元件操纵液压执行机构工作的装置。液压系统具有稳定性好、能量传递效率高等特点,广泛应用于造纸、纺织、矿山、冶金等行业。传统液压系统的运维方式一般是定期检修、故障维修模式,这种定期运维模式用于保障液压系统健康运行,具有严重的延迟性,可靠性一般。对液压系统的高效运维依托于对所有元件节点信息的有效监控,但出于经济性考虑,不可能在所有元件进出口添加传感器。另外,由于液压系统自身的特点,部分传感器添加并不方便。比如,对于流量信号的测取,流量计体积较大,在液压回路中安装不方便,流量计加入液压回路还会带来系统压力损失,影响系统的正常工作,并且流量计的成本较高,添加流量计会影响系统的经济性[10]。笔者设计基于数字孪生的液压运维系统,借助于数字孪生技术,搭建一套线上液压系统作为数字孪生体,然后在实物液压系统安装少量传感器采集测点数据上传,构建物理系统与数字系统的孪生体映射,通过线上液压系统计算剩余测点的数据,最终实现液压系统的实时监控和智能运维。

2 液压运维系统总体设计

2.1 技术路线

液压运维系统技术路线如图1所示。根据物理系统中的实体液压元件构建通用液压元件库,基于实体液压系统运行原理,利用液压元件库搭建线上液压系统作为数字孪生体,并按照实体液压系统的元件参数为线上液压系统定义属性。选取实体液压系统的关键节点安装传感器,将传感器数据采集上传,与线上液压系统对应节点进行映射配置。以实际数据驱动线上液压系统运行,运维机理模型以配置的元件参数和实际传感器参数为基础,计算出实体液压系统所有节点的数据,实现液压系统的实时监控和智能运维。

2.2 液压元件库

以液压元件单向定量液压泵为例介绍物理计算式的构建。单向定量液压泵如图2所示,1口压力为P1,流量为q1,2口压力为P2,流量为q2,3口转矩为T3,转速为n3,4口压力为P4,流量为q4。预设的配置信息包括排量Vg、转动惯量J、机械效率ηhm、容积效率ηv、总效率ηt、最大压力pmax、最大转速nmax,各参数计算式如下:

P2=20T3πηhm/Vg+P1

(1)

q2=n3Vgηv

(2)

q4=n3Vg(1-ηv)

(3)

q1=q2+q4=n3Vg

(4)

P1=0

P4=0

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由物理计算式可见,计算的输入为预设的配置信息,以及通过传感器采集到的计算参数或者组成液压系统后相邻元件传递的计算参数。

2.3 实体液压系统与线上液压系统映射

实体液压系统与线上液压系统的映射分为两部分,一部分是基于液压元件参数和传感器的映射,一部分是基于运维机理模型的映射,前者是直接映射,后者是间接映射。对于液压元件参数,在搭建好线上液压系统后,需要为所有用到的元件配置参数,配置的参数与实体液压系统中所选的元件品牌型号相关。对于传感器数据,为了实现对液压系统的有效监控,一般需要加装传感器采集元件接口的数据。根据前文分析,无论是出于经济性考虑还是出于液压系统自身特点考虑,设计运维方案时一般只在关键节点添加传感器,然后通过网关终端将数据发送至线上液压系统,与线上对应节点进行数据映射。运维机理模型可以通过映射的传感器数据、元件的物理计算式,以及依托于元件品牌型号的预设参数计算出整个液压系统所有节点的数据,由此通过少量传感器添加实现整个液压系统的实时监控。

以下对运维机理模型进行介绍。

运维机理模型的输入有配置的信息和采集信息,配置信息包括系统基本信息、元件预设参数、元件连接关系、通道传感器配置信息,采集信息为传感器采集的数据。

运维机理模型计算过程如下:

(1) 读取传感器采集的数据和通道传感器配置信息,根据通道传感器的绑定关系进行数据解析,将传感器数据赋值给对应的元件参数;

(2) 获取各元件物理计算式,元件内部将配置信息和传感器赋值的参数作为输入,进行内部计算,已经完成赋值的参数不再根据物理计算式计算,分别记录已计算出的参数和未计算出的参数;

(3) 获取元件连接关系,相连元件按照连接关系进行压力、流量、转速、位移等信息的传递,更新各元件已计算出的参数和未计算出的参数;

(4) 根据更新的元件参数重复步骤(2)～(3),直至液压系统所有元件参数都被计算出来,完成一次计算过程。

通过运维机理模型计算过程,实现液压系统所有元件物理世界与数字世界的映射。

3 系统功能

3.1 系统功能结构

液压运维系统包含液压元件库、设计模块、运维模块、配置模块。在标准液压元件库中,每个元件包含标准图形、默认预设参数、物理计算式。使用时,工程人员在系统设计页面新建系统图纸,拖拽液压元件库中的标准元件,通过管道连接形成液压系统图。按照液压元件的实际选型为元件配置具体参数,形成与实体液压系统对应的线上图纸。液压系统实物侧在关键节点安装传感器,通过网关终端将数据上传至液压运维平台数据解析模块,进行数据解析存储。系统运维时,将线上液压系统中的传感器元件与实物传感器相互映射,实物侧采集的数据经过解析导入运维机理模型,运维机理模型即可根据元件的配置信息和传感器数据进行计算,以此监控液压系统的实时数据和运行趋势,实现液压系统的运维。液压运维系统功能的结构如图3所示。

3.2 设计模块

设计模块支持可拖拽方式绘制液压系统图纸,用户根据实际液压原理从液压元件库中选取相应元件,通过管道将元件接口与接口相连,组成基础液压系统图。为每个元件预选对应的品牌型号,明确元件的预设参数。绘制液压系统图后,需要对提交的液压系统图验证可行性。验证时,遵循运维机理模型进行计算,如果可行性验证不通过,那么会给出输出参数无法计算的元件,提示液压系统设计不合理或相关元件参数配置不合理,用户需要返回修改液压系统图纸或配置信息。

3.3 配置模块

配置模块主要实现两个功能。

第一个功能是线上液压系统与实体液压系统的绑定。液压系统实物侧在关键节点安装传感器,通过网关终端将传感器数据上传至液压运维平台。实物传感器与线上液压系统中的传感器是一一对应的,配置模块负责将线上液压系统图纸中的传感器与实物传感器进行配置,这样运维计算时就可以将数据正确地传递至对应元件参与计算。

第二个功能是运维机理模型计算结果与前端的通信配置。液压运维系统支持多台设备同时运维,出于系统效率的考虑,运维机理模型根据液压系统图纸的配置信息、连接关系,以及传感器数据计算输出液压系统中所有元件的参数。运维机理模型计算结果输出至前端展示,由配置模块实现。运维机理模型的计算结果通过Websocket推送至前端,运维机理模型与前端通信的WebSocket地址事先注册至配置模块,由配置模块统一管理。

3.4 运维模块

液压系统设计完成后,可以按照液压系统图纸搭建实体液压系统,并加装传感器。网关按照一定采样频率通过数据传输协议进行数据上传,支持批量上传数据或一次只上传一组数据。循环调用运维机理模型的所有参数,计算结果在液压运维系统图纸上实时展示,同时还可以查看任意参数的实时曲线。

运维模块对元件的关键参数设置了阈值报警逻辑,对运维机理模型输出的计算结果会进行判断报警,并在运维监控页面实时显示报警提示,向运维人员推送报警信息。

4 系统实现

液压运维系统采用浏览器/服务器架构进行设计,以Spring Framework为核心容器,以MyBatis为系统内部数据访问层,以JDBC为系统外部数据访问层。通过构建液压元件库、液压系统设计、液压系统运维,实现液压行业的数字化改造。由于篇幅限制,此处仅对部分页面做展示,液压系统设计页面如图4所示,通道传感器绑定页面如图5所示,液压系统运维页面如图6所示。

5 结束语

笔者以数字孪生技术为基础,构建液压运维系统。在液压运维系统中,定义通用液压元件库。用户可以使用设计模块绘制液压系统图纸,配置传感器绑定信息,实现数据上传和系统监控,适合液压行业小批量生产的特点。通过液压运维系统,可以有效解决液压系统全局参数监控问题,有助于提高液压行业的信息化水平,具有较高的实用价值。