故障安全数字孪生体

作者:Ralf Hoffmann,德国柏林Phoenix Contact Electronics公司高级咨询工程师

可配置安全继电器能根据传感器接收的数据及时切断电源,有助于防止工厂的自动化系统受到破坏和损伤。在安全继电器发生故障时,必须将生产线中断后才能对其进行修复或更换,这会导致高昂的成本。Phoenix Contact Electronics公司的工程师采用ANSYS软件研发了安全继电器的数字孪生体,可实时将传感器数据与仿真结果进行整合,以提前预测故障。这样就可以选择在生产线空闲时更换或维修继电器。

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safety relay

“Phoenix Contact Electronics工程师采用ANSYS Twin Builder创建能准确预测各个继电器剩余寿命的数字孪生体。”

ANSYS Maxwell simulation
magnetic field simulation
ANSYS Maxwell仿真结果:不同电枢位置的磁场。
 

依据前人经验, 可根据实验室中装有专用仪表的继电器的物理测量结果来预测安全继电器的剩余使用寿命。但是,当在工程实际中投入运行,我们无法实现实验室程度的继电器测量,部分原因是它们必须密封起来,才能在通常恶劣的工厂环境下为其提供保护。Phoenix Contact Electronics工程师采用ANSYS Twin Builder系统设计软件的先导版本,将能够对运行中的继电器执行的有限测量与ANSYS多物理场仿真降阶模型(ROM)进行整合,为剩余寿命预测提供所需数据。我们可在数字孪生体中整合两种不同类型的ROM-代表继电器的电磁与机械行为的ROM以及代表输入改变将如何影响结果的ROM。后一种ROM也称为基于数据的ROM,其由ANSYS optiSLang的最佳预测元模型(MOP)流程生成,可在停车前预测接触侵蚀和电枢旋转角度。Phoenix Contact Electronics已使用专用演示继电器上验证了数字孪生体,目前正努力将数字孪生体集成到工程实际中使用的继电器。

继电器使用寿命的权衡取舍

在使用过程中,每个安全继电器都会遇到对其寿命有严重影响的独特荷载和环境条件。继电器使用寿命根据其在最差情况下最大限度减少停机时间来进行估算,因此大多数继电器都是在使用寿命结束之前就进行更换。尽管如此,遭受最严苛荷载和环境条件的继电器往往会因诸多原因发生故障,其中最常见原因是接触磨损。

predicting armature position

最佳预测元模型可预测电枢位置。

 

冗余安排和其他内部安全功能通常会关断或绕开发生故障的继电器。尽管如此,当继电器发生故障,通常有必要关闭由相关继电器控制的设备,直到故障继电器被修复或更换。继电器控制的生产线通常每小时可生产价值成千上万美元的产品,因此即使短暂停车也代价不菲。直到现在,也没有任何实用的方法可以预测安全继电器在何时发生何种故障,因而也无法在发生故障之前选择相关设备计划停机期间进行更换。

一般是在实验室中针对开路继电器测量继电器的机械特性。但是,在实际使用中,为了抵抗恶劣的工况,通常会对继电器进行封装。封装会妨碍重要机械特性的测定,如电枢旋转角度等。电枢旋转角度对磁通密度具有巨大影响,而这是决定计算寿命至关重要的因素。运行中的密封继电器无法测量的另一个参数是接触抖动时间:继电器闭合时、稳定到固定位置之前触点靠在一起抖动的时间。接触抖动会对各个外壳触点磨损情况产生严重影响。

创建继电器的数字孪生体

digital twin schematic

数字孪生体原理图

 

Phoenix Contact Electronics工程师采用ANSYS Twin Builder软件创建数字孪生体,可将仿真结果与继电器(以及其他组件)的物理测量结果整合在一起,准确预测每个继电器的剩余寿命。这可帮助工厂将继电器的工作寿命延长至接近“寿终正寝”,同时最大限度减少发生故障的次数和停机时间。

工程师采用静态和瞬态ANSYS Mechanical有限元模型对继电器的机械运行状态进行仿真。这些仿真可确定弹簧、传输元件和其他机械组件的运动、作用力和应力状况。适用于相关物理场的全系统仿真模型需要大量求解时间,因此可将这些模型转换成ROM,这样不仅保留了原始仿真模型近乎完整的精度,同时还能以更少的时间提供相关结果。通过将模型分解成单个的线性部分、利用耦合单元进行连接并将自然模态转换成空间-状态矩阵,ANSYS Twin Builder可将把瞬态模型转换成ROM。

电磁性能仿真

Phoenix Contact工程师采用ANSYS Maxwell软件对继电器的电磁性能进行仿真。采用协同仿真进行机械与电磁模型耦合需要进行大量计算,因此为了向机械仿真提供输入,以用作旋转角度、冲程、电激励等因素的函数,工程师利用ANSYS Twin Builder在特性图中将由ANSYS Maxwell计算的扭矩和荷载进行了高度整合。

contact spring simulation

接触弹簧的静态结构分析

 

通过结合分析公式与经验研究,我们可确定环境温度对继电器内部温度造成的影响。可使用数值模块在数字孪生体中集成热相关性。使用手册公式推导出诸如接触电阻等电气特性,作为系统机械状态的函数。我们采用ANSYS SCADE对继电器所用固件进行研发,同时将固件作为功能模型单元(FMU)集成到数字孪生体中。

我们无法直接在现场对继电器使用寿命预测的两个重要组件进行测量,也无法通过仿真对其进行预测,即停机前的接触侵蚀状态和电枢旋转角位置。继电器的接触侵蚀测量是在实验室条件下针对不同荷载范围、温度、工作电压和安装类型进行的。根据上述测量结果,工程师在ANSYS optiSLang中生成了MOP,并将接触寿命作为继电器操作参数函数。根据磁场的测量结果,能确定电枢旋转角度。在实验室条件下,通过扫描可能方向的完整范围,工程师生成附加MOP,根据磁场传感器数据预测数字孪生体的电枢旋转角度。

接触抖动计算

接触抖动时间取决于电枢与弹簧的速度、接触力、接触间隙和激励电压。实际继电器的物理测量结果可更新能计算抖动的仿真模型,而仿真的结果进而又可以更新MOP,用于预测继电器剩余使用寿命。针对一系列操作参数(其中1.592毫秒的抖动时间导致在发生故障前的剩余寿命还能切换292次)的仿真,可以说明抖动的重要性。通过将抖动时间降至0.826毫秒,发生故障前的剩余寿命增加到可切换29,343次。

Phoenix Contact Electronics目前正使用经由质量数据模型(QDM)结构化数据接口和演示继电器来操作数字孪生体。温度和电压等传感器数据可根据需要从继电器发送到数字孪生体,并用于仿真继电器行为。然后将仿真输出及测量值用作MOP的输入,进而预测继电器的剩余寿命。

Phoenix Contact Electronics研发了能准确预测演示继电器剩余寿命的数字孪生体方法。工程师现在正努力将数字孪生体集成到投产的继电器,提供最终剩余寿命的准确测算。这些数字孪生体不仅能帮助制造商最大限度地延长继电器的可用寿命,同时又能预防故障及减少停机。

本文对2017年《RDO杂志》第2期率先发表的“信息物理系统中的元模型(Metamodels in a Cyber-Physical System)”一文进行了论证。

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