搜索ANSYS與PTC攜手合作支持?jǐn)?shù)字孿生體：電機(jī)和泵系統(tǒng)的數(shù)字孿生體
2017-07-15 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
大約一年前,我的同事Eric Bantegnie曾撰寫過一篇博客,介紹了我們與PTC、NI和HPE等合作伙伴如何創(chuàng)建泵以及其中一個(gè)泵閥門的數(shù)字孿生體。我們?cè)赑TC LiveWorx上對(duì)此進(jìn)行了展示。我非常榮幸地宣布,通過我們與合作伙伴的不懈努力,我們迎來了新的擴(kuò)展版本,成功地將泵和閥門的數(shù)字孿生體推進(jìn)到了電機(jī)和電力傳動(dòng)領(lǐng)域。
為什么這個(gè)消息如此重要并且令人振奮?增強(qiáng)版數(shù)字孿生體展示了一個(gè)多域系統(tǒng),包括流體、機(jī)電、電磁和熱等方面,同時(shí)也采用了用戶友好型人機(jī)接口(HMI),能夠解決電機(jī)設(shè)計(jì)人員和操作人員面臨的挑戰(zhàn)性問題,即確定、監(jiān)測(cè)并維持電機(jī)及其組件持續(xù)運(yùn)行的最佳溫度。這一點(diǎn)為什么很重要?因?yàn)殡姍C(jī)和組件的工作溫度在其最佳工作溫度基礎(chǔ)上每上升10度,電機(jī)使用壽命就會(huì)減半!
但是,操作人員如何確定電機(jī)是在最佳溫度上持續(xù)工作呢?如何避免電機(jī)過熱呢?電機(jī)上通常沒有傳感器來提供電機(jī)的溫度信息。操作人員可通過監(jiān)測(cè)輸入功率、電流和電壓來猜測(cè)電機(jī)的溫度,但這種方法并不精確。當(dāng)電機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)投入使用后,即便有傳感器測(cè)量溫度,但是這種方式成本高昂,而且數(shù)據(jù)往往不準(zhǔn)確或者有延遲。
確定電機(jī)的溫度
數(shù)字孿生體能解決這個(gè)重要的問題,它可通過確保電機(jī)溫度在合適范圍內(nèi)以延長電機(jī)壽命,同時(shí)還能夠讓泵以最佳效率運(yùn)行。工作原理是什么?流體和壓力會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生影響,也會(huì)影響其工作溫度。實(shí)體泵被連接到電氣控制器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)上。利用數(shù)字孿生體,只需要兩個(gè)傳感器的兩個(gè)輸入即可仿真整個(gè)系統(tǒng),這兩個(gè)輸入顯示了兩個(gè)用于控制泵的流速的流量閥的分閘位置,這樣我們就能深入了解泵和電機(jī)的工作條件。通過采用嵌入在仿真模型中的虛擬傳感器,可顯著減少對(duì)實(shí)體傳感器的需求。采用數(shù)字孿生體和泵上兩個(gè)傳感器提供的信息,我們能隨時(shí)確定電機(jī)的溫度,以及不同位置上的電流、流速和壓力。
打造并連接數(shù)字孿生體
為創(chuàng)建所需的仿真模型,以打造數(shù)字孿生體并確定電機(jī)的工作溫度,我們應(yīng)采用充分結(jié)合流體、機(jī)電、電磁和熱仿真的系統(tǒng)級(jí)多物理場(chǎng)方法。請(qǐng)記住,泵被連接到由控制器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)上。
除了電機(jī)的機(jī)電模型外,我們還打造了電機(jī)的熱降階模型(ROM),這里用到的電機(jī)輸入為電壓和電流,得到的輸出是溫度。首先需要對(duì)電機(jī)內(nèi)的組件進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真,以計(jì)算電機(jī)本身的熱源。隨后將結(jié)果傳遞給CFD仿真,以確定冷卻因素。在以上過程中,我們需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)ROM。第一個(gè)用于電機(jī)電磁場(chǎng),第二個(gè)用于冷卻,這樣可快速預(yù)測(cè)電機(jī)組件的瞬態(tài)溫度和未來的穩(wěn)態(tài)溫度。
數(shù)字孿生體的系統(tǒng)級(jí)模型包含多物理場(chǎng)和一個(gè)HMI。
一旦準(zhǔn)備好符合設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生體,我們就可將其連接到實(shí)體泵并收集傳感器數(shù)據(jù),從而確定泵和電機(jī)的工作條件,并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,以保持電機(jī)的最佳工作溫度。不過,我們還可以做更多工作。當(dāng)數(shù)字孿生體與實(shí)體資產(chǎn)斷開連接后,我們可利用ANSYS仿真和HMI來測(cè)試數(shù)字泵和電機(jī)的不同情境及工作條件。通過數(shù)字化操控泵上的閥門,我們能立即了解這些變化對(duì)流體、排出壓力和吸入壓力、電流、電機(jī)的轉(zhuǎn)子籠溫度以及電機(jī)內(nèi)軸承的影響。這能讓泵操作人員進(jìn)行假設(shè)情境測(cè)試,通過電機(jī)和泵的數(shù)字版本來確定實(shí)體設(shè)備的最佳工作條件,并采取相應(yīng)的校正措施。
正常條件
過熱條件
用數(shù)字孿生體預(yù)測(cè)未來
數(shù)字孿生體還可使操作人員確定電機(jī)組件溫度的未來狀態(tài)。孿生體如果沒有數(shù)字孿生體,我們無法獲得這個(gè)非常有用的信息。受電機(jī)組件的熱質(zhì)量影響,其溫度變化需要一定的時(shí)間。舉例來說,當(dāng)電機(jī)處在溫度較高的環(huán)境中,或者處于過載狀態(tài)下時(shí),如果電機(jī)上有溫度傳感器,那么操作人員或許只有在隨后電機(jī)組件溫度達(dá)到尖峰時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)情況。如果電機(jī)上沒有溫度傳感器,操作人員將永遠(yuǎn)不會(huì)收到這個(gè)信息。通過預(yù)測(cè)環(huán)境溫度、泵、流體或流動(dòng)的某些變化所帶來的結(jié)果,以及其對(duì)電機(jī)和組件產(chǎn)生即時(shí)的溫度影響,操作人員能提前采取校正動(dòng)作,從而保護(hù)電機(jī)和組件的使用壽命。數(shù)字孿生體讓上述工作變?yōu)榭赡堋?
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