搜索ANSYS與PTC攜手合作支持數字孿生體：電機和泵系統的數字孿生體
2017-07-15 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
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等合作伙伴如何創建泵以及其中一個泵閥門的數字孿生體。我們在PTC LiveWorx上對此進行了展示。我非常榮幸地宣布,通過我們與合作伙伴的不懈努力,我們迎來了新的擴展版本,成功地將泵和閥門的數字孿生體推進到了電機和電力傳動領域。
為什么這個消息如此重要并且令人振奮?增強版數字孿生體展示了一個多域系統,包括流體、機電、電磁和熱等方面,同時也采用了用戶友好型人機接口(HMI),能夠解決電機設計人員和操作人員面臨的挑戰性問題,即確定、監測并維持電機及其組件持續運行的最佳溫度。這一點為什么很重要?因為電機和組件的工作溫度在其最佳工作溫度基礎上每上升10度,電機使用壽命就會減半!
但是,操作人員如何確定電機是在最佳溫度上持續工作呢?如何避免電機過熱呢?電機上通常沒有傳感器來提供電機的溫度信息。操作人員可通過監測輸入功率、電流和電壓來猜測電機的溫度,但這種方法并不精確。當電機在現場投入使用后,即便有傳感器測量溫度,但是這種方式成本高昂,而且數據往往不準確或者有延遲。
確定電機的溫度
數字孿生體能解決這個重要的問題,它可通過確保電機溫度在合適范圍內以延長電機壽命,同時還能夠讓泵以最佳效率運行。工作原理是什么?流體和壓力會對電機的運行產生影響,也會影響其工作溫度。實體泵被連接到電氣控制器驅動的電機上。利用數字孿生體,只需要兩個傳感器的兩個輸入即可仿真整個系統,這兩個輸入顯示了兩個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,可顯著減少對實體傳感器的需求。采用數字孿生體和泵上兩個傳感器提供的信息,我們能隨時確定電機的溫度,以及不同位置上的電流、流速和壓力。
打造并連接數字孿生體
為創建所需的仿真模型,以打造數字孿生體并確定電機的工作溫度,我們應采用充分結合流體、機電、電磁和熱仿真的系統級多物理場方法。請記住,泵被連接到由控制器驅動的電機上。
除了電機的機電模型外,我們還打造了電機的熱降階模型(ROM),這里用到的電機輸入為電壓和電流,得到的輸出是溫度。首先需要對電機內的組件進行電磁場仿真,以計算電機本身的熱源。隨后將結果傳遞給CFD仿真,以確定冷卻因素。在以上過程中,我們需要創建兩個ROM。第一個用于電機電磁場,第二個用于冷卻,這樣可快速預測電機組件的瞬態溫度和未來的穩態溫度。
數字孿生體的系統級模型包含多物理場和一個HMI。
一旦準備好符合設計的數字孿生體,我們就可將其連接到實體泵并收集傳感器數據,從而確定泵和電機的工作條件,并根據需要進行調整,以保持電機的最佳工作溫度。不過,我們還可以做更多工作。當數字孿生體與實體資產斷開連接后,我們可利用ANSYS仿真和HMI來測試數字泵和電機的不同情境及工作條件。通過數字化操控泵上的閥門,我們能立即了解這些變化對流體、排出壓力和吸入壓力、電流、電機的轉子籠溫度以及電機內軸承的影響。這能讓泵操作人員進行假設情境測試,通過電機和泵的數字版本來確定實體設備的最佳工作條件,并采取相應的校正措施。
正常條件
過熱條件
用數字孿生體預測未來
數字孿生體還可使操作人員確定電機組件溫度的未來狀態。孿生體如果沒有數字孿生體,我們無法獲得這個非常有用的信息。受電機組件的熱質量影響,其溫度變化需要一定的時間。舉例來說,當電機處在溫度較高的環境中,或者處于過載狀態下時,如果電機上有溫度傳感器,那么操作人員或許只有在隨后電機組件溫度達到尖峰時才會發現這個情況。如果電機上沒有溫度傳感器,操作人員將永遠不會收到這個信息。通過預測環境溫度、泵、流體或流動的某些變化所帶來的結果,以及其對電機和組件產生即時的溫度影響,操作人員能提前采取校正動作,從而保護電機和組件的使用壽命。數字孿生體讓上述工作變為可能。
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