为泵创建数字孪生体

作者:Chris MacDonald,PTC公司GTM战略与业务研发分析兼ThingWorx分析部门的高级总监; Bernard DionANSYS公司系统业务部首席技术官;Mohammad Davoudabadi,ANSYS首席工程师

仿真一直是产品研发过程必不可少的一部分;它能极大改善产品性能,降低研发成本,更快地将产品推向市场。 现在,这些支撑物联网的科技能够将仿真与现实世界中存在并运行的产品结合在一起,又进一步提升了这些优势。 这开启了价值创造的新纪元,有助于公司优化运营和维护,进一步加速新产品研发过程。ANSYS与PTC、Flowserve、National Instruments和HPE通力合作,展示了如何利用运行泵的仿真模型以前所未有的快速度来诊断并求解运行问题。

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CFD pump simulation

“公司可利用数字孪生体检测和隔离故障,执行诊断和故障排除,推荐校正措施,确定理想的维修计划,优化资产运营,并且生成有助于改善新一代产品的洞察力。”

在产品研发过程中使用仿真技术的公司能够显著提高产品性能,降低工程和制造成本,并且更快速地将产品推向市场。如今,物联网(IoT)能帮助人们捕捉产品运行的实时数据,并将数据与组织机构的产品数字信息(包括仿真模型)相结合,以优化产品或资产数字孪生体的当前状态。这就是所谓的产品的数字孪生体。本文以工艺装置中常用的泵为实例,展示了数字孪生体如何处理仪表化设备资产所生成的传感器数据,并利用仿真来预测故障和诊断低效率问题。这让组织机构能够立即采取行动,以纠正问题并优化资产的性能。

运行数据和接口

泵的入口和出口处配备压力传感器,泵和轴承箱上配备测量振动的加速计,排出侧配备流量计。致动器控制排出阀,进口侧的阀门通过手动控制。传感器和致动器被连接到数据采集设备,该设备能以20KHz的频率对数据进行采样,并将数据馈送至惠普公司(HPE) IoT EL20边缘计算系统。PTC ThingWorx®平台创建了一个可将设备和传感器连接到物联网的生态系统,其能充分释放物联网数据蕴藏的巨大价值,研发企业级物联网应用,通过增强现实技术为最终用户赋予高级功能。ThingWorx可作为传感器与数字数据(包括泵的仿真模型)之间的网关。ThingWorx的机器学习层可在EL20系统上运行,负责监控传感器和其他设备,能自动学习泵运行时的正常状态模式,鉴别异常运行状态,并生成洞察力信息和预测结果。

此外,ThingWorx平台还可用来创建web应用程序,以显示传感器和控制数据以及分析结果。例如,该应用程序显示了入口和出口压力,并预测了轴承寿命。增强现实前端将传感器数据和分析结果以
及部件列表、维修说明和其他基于部件的信息叠加到泵的图像上,用户可通过智能手机、平板电脑或智能眼镜查看。

digital twin ecosystem
使用ThingWorx将实际的泵与其数字孪生体相连接。

仿真:数字孪生体的“秘诀技术”

ANSYS团队利用在HPE边缘计算机上运行的 ANSYS Simplorer 设计软件,构建了一个泵的系统级降阶模型。该系统模型通过PTC ThingWorx连接到传感器数据,并模拟液压系统的运行。此外,系统模型还可连接到 ANSYS SCADE 软件所研发的人机接口(HMI),使用与物理泵相同的计量表和刻度盘。凭借此配置,系统模型可与物理泵分离,并通过离线运行来探索推荐的运行情境。

系统模型还可采用虚拟传感器来测量, 例如阀门的上下游压力。ANSYS研发了一个泵的详细3D计算流体动力学(CFD)模型,该模型在云端运行,并可链接来自设备资产(如果是联机状态)或系统模型(如果是离线状态)的数据。除了作为泵性能曲线的数据源以进行快速系统级仿真之外,这个3D模型还可作为一个重要基础,以用于对偏离设计的运行进行更为详细的查询和诊断,以及评估异常条件下的性能。

Flowserve pump
Flowserve泵介绍了数字孪生体的众多优势。

“支撑物联网的技术可将仿真与现实世界中存在并运行的产品相结合。”

提供洞察力

为了演示数字孪生体的价值,泵最初是正常运行状态。然后,将吸入阀关闭到50%,手动引入异常状态。传感器的读数显示,吸入压力、排出压力和流速显著降低,同时加速计显示有较大振动。有红色警报发出,并且预测分析表明,如果这种条件持续下去的话, 泵轴承的预计寿命会缩短到只有几天时间。但是传感器读数和分析并没有解释异常流动条件对泵运行的影响,泵振动的原因,或者给出值得考虑的解决方案。

连接的系统模型显示了与物理泵相同的HMI读数,降低的入口压力、出口压力和流速。为了了解根源,找出振动出现的原因,以及流动条件变化对泵运行的影响,我们需要在系统模型HMI上激活“3D仿真”按钮,以触发与物理泵连接的云端3D仿真模型。3D仿真显示,泵内部压力的降低导致了空化效应,形成了气泡。在泵的较高压区域,气泡发生内爆,并产生振动。

digital twin cavitation simulation
3D仿真模型显示,空化(即图中的紫色气泡)是由阀门故障所导致的,它也是导致振动问题的原因。

通过将系统模型与物理泵分离,系统模型的HMI可用来尝试不同的潜在修复方案。例如,系统模型预测,打开入口阀能解决问题。为验证这种方案,工程师对阀门打开的离线系统模型进行第二次3D仿真。3D结果显示没有气泡。工程师通过打开物理泵上的入口阀实施了该方案,随后泵性能恢复正常。

物联网支持通过ThingWorx等平台将仿真模型与运行中的产品相连接,这样行业就能更好地了解并优化产品性能。公司可利用数字孪生体检测和隔离故障,执行诊断和故障排除,推荐校正措施,根据具体资产的情况确定理想的维修计划,优化资产运营并获得有助于改善新一代产品的洞察力。数字孪生体的潜在优势十分显著。唾手可得的优势在于优化维护与运行中的故障排除。不过,客户要求得到结果而不仅仅是产品,因此数字孪生体有可能成为一项关键技术,为产品制造商及其客户释放更多巨大价值。

digital twin benefits
数字孪生体的优势

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