基于數(shù)字孿生智能刮料系統(tǒng)的應(yīng)用研究

劉永剛，姚立權(quán)，張 萌，石 磊

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 111200）

傳統(tǒng)的刮料系統(tǒng)生產(chǎn)中收集塔底的顆粒并刮入造粒塔底的集料斗，再由帶式輸送機(jī)送至成品車間。檢修工作需要定期按照檢修計(jì)劃進(jìn)行，當(dāng)設(shè)備在未檢修期間出現(xiàn)磨損，但未出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，難以發(fā)現(xiàn)問題。并且有的設(shè)備自投用以來未進(jìn)行過維護(hù)檢修，密封膠條磨損從設(shè)備外觀上無法獲知，存在失修現(xiàn)象，有的軸承滾道內(nèi)部無法正常加注潤滑脂，滾珠隔套磨損變短導(dǎo)致滾珠游隙增大，存在很大的安全隱患[1]。

數(shù)字孿生技術(shù)最初由美國的Grieves教授提出，同時(shí)定義了由物理實(shí)體、數(shù)字實(shí)體及兩者之間的連接組成的三維模型，該技術(shù)最早被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的全生命周期管理[2]。數(shù)字孿生體的模型包括物理產(chǎn)品、數(shù)字樣機(jī)、虛擬世界和物理世界的數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線提供了虛擬工藝參數(shù)和實(shí)際工藝參數(shù)的比對(duì)，通過比對(duì)結(jié)果的分析，可以在產(chǎn)品制造的早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，采取補(bǔ)救措施，從而減少大量由此帶來的工程更改工作[3]。

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與制造業(yè)加速融合。本文在傳統(tǒng)刮料裝置的基礎(chǔ)上增加數(shù)字孿生智能化的電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了刀片壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)和刀片磨損程度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、文字提示和聲光報(bào)警。并帶有遠(yuǎn)程操作監(jiān)視、可現(xiàn)場(chǎng)管理，也可集中監(jiān)控，能及時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)。

1 數(shù)字孿生智能刮料系統(tǒng)

基于數(shù)字孿生的智能刮料系統(tǒng)，在電腦端建立智能刮料系統(tǒng)的三維模型，是通過數(shù)字化方式來構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字模型（虛擬模型）。數(shù)字孿生充分利用物理模型、傳感器和運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度和多概率的仿真過程[4]，在虛擬空間中完成映射，從而反映對(duì)應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過程[5]。

智能變頻刮料裝置是一種將機(jī)械與電氣集成到一體的機(jī)電一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作過程可由PLC自動(dòng)控制運(yùn)行，也可以手動(dòng)操作或遠(yuǎn)程操作運(yùn)行。智能變頻刮料裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是增加了智能化的電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了刀片壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)和刀片磨損程度的自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警的自動(dòng)化操作。具有耐磨損、抗腐蝕、不損傷皮帶、自動(dòng)化程度高、刀片壓力恒定、清掃效果好、刀片壽命長、可與集控室通信、結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝、操作維護(hù)簡便、運(yùn)行安全、可靠、有完善的自動(dòng)保護(hù)功能以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

智能刮料裝置的三維模型建模，通過數(shù)字孿生技術(shù)將智能刮料裝置的實(shí)體設(shè)備與三維模型對(duì)接。可以通過三維建模模型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)查看刮料裝置硬件設(shè)備的運(yùn)行、故障等狀態(tài)。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏進(jìn)行壓力檢測(cè)、顯示、設(shè)置與控制；刀片壓力可以通過觸摸屏在允許的范圍內(nèi)任意設(shè)置。可以與集控室通信，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

適用于帶式輸送機(jī)卸料滾筒處理皮帶表面殘留物料的清掃，解決殘留物料在輸送機(jī)回程段灑落造成的環(huán)境污染和殘留物黏貼在托輥上引起的回程皮帶跑偏的問題。

保護(hù)功能齊全，在變頻故障或刀片磨損嚴(yán)重超限時(shí)，能夠立即停止運(yùn)行，自診斷故障類型，并在觸摸屏上有相應(yīng)的文字提示，同時(shí)有聲光報(bào)警。

裝置設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式，在調(diào)試或設(shè)備有故障時(shí)，可選擇手動(dòng)操作模式，在正常工作情況下，可選擇自動(dòng)模式，正常工作時(shí)無需人員操作。完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)工作，提高工作效率。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)智能變頻刮料裝置主要由控制柜、皮帶機(jī)用檢測(cè)系統(tǒng)、液壓泵站系統(tǒng)、刮料裝置檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

（1）控制柜由顯示器、PLC和變頻器等電氣元件組成。顯示器用組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)畫面。PLC用于控制電機(jī)、泵和閥等設(shè)備的運(yùn)行，并且可接收傳感器等信號(hào)。變頻器用于控制刮料電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行，當(dāng)?shù)镀瑴y(cè)壓傳感器測(cè)定壓力過高時(shí)，調(diào)整刮料電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（2）皮帶機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)由體積掃描儀、稱重傳感器和速度傳感器等組成。體積掃描儀用于非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出物料的物位、體積和質(zhì)量，稱重傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)稱重物體的重量，速度傳感器用于檢測(cè)皮帶機(jī)的運(yùn)行速度。

（3）液壓裝置由加油泵、噴水泵、加油閥、噴淋閥和壓力傳感器組成。加油泵用于給軸承齒輪注入潤滑油，加油閥用于控制是否加油。噴水泵用于往刮料裝置注入高壓水沖洗刮料片，噴淋閥用于控制高壓水是否開啟。壓力傳感器用于檢測(cè)高壓水出口的壓力。

（4）刮料裝置由刮料電機(jī)、刀片測(cè)壓傳感器和磨損監(jiān)測(cè)器等組成。刮料電機(jī)是驅(qū)動(dòng)裝置，用于驅(qū)動(dòng)刮料機(jī)的運(yùn)行。刀片測(cè)壓傳感器用于檢測(cè)刀片上的壓力，以此來判斷刮料裝置上的物料是否有物料堆積。磨損監(jiān)測(cè)器用于檢測(cè)刀片的磨損程度，以便于使用時(shí)及時(shí)更換刀片。

本系統(tǒng)的硬件在數(shù)字孿生模型中都對(duì)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，硬件設(shè)備與數(shù)字孿生模型進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)硬件設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作時(shí)，數(shù)字孿生模型中的相應(yīng)部件同時(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）工作原理：工藝流程圖如圖2所示，首先系統(tǒng)進(jìn)行自檢，檢驗(yàn)變頻器是否有故障，刀片磨損是否嚴(yán)重，軸承油是否正常，如果都正常刮料電機(jī)啟動(dòng)。如果變頻器有故障進(jìn)行報(bào)警，刀片磨損嚴(yán)重進(jìn)行報(bào)警，軸承油液位低，需自動(dòng)啟動(dòng)加油泵和加油閥進(jìn)行注油。刮料電機(jī)啟動(dòng)后，通過速度傳感器判斷是否正常運(yùn)行。如正常運(yùn)行，噴淋泵啟動(dòng)。同時(shí)檢測(cè)刀片測(cè)壓是否正常，如刀片測(cè)壓過大，需進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)刮料電機(jī)，并啟動(dòng)噴淋閥。如果噴淋壓力過大檢測(cè)有故障，需進(jìn)行故障排查，然后進(jìn)行處理。

圖2 工藝流程框圖

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是對(duì)噴淋系統(tǒng)和注油系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，噴淋系統(tǒng)用于清理粘附在刮料機(jī)上的物料。注油系統(tǒng)用于齒輪的潤滑功能。

3.1 噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴淋系統(tǒng)由水箱、進(jìn)水電磁閥、過濾器、溢流閥、單向閥、常開閥、高壓泵、噴淋閥、壓力傳感器和液位傳感器等組成。當(dāng)液位傳感器監(jiān)測(cè)的液位到達(dá)設(shè)定的保護(hù)位置時(shí)，進(jìn)水電磁閥自動(dòng)開啟往水箱里注水，當(dāng)液位高于設(shè)定的上限位置時(shí)，進(jìn)水電磁閥自動(dòng)停止。高壓泵在正常運(yùn)行時(shí)，一直處于開啟狀態(tài)，當(dāng)刮料機(jī)上的刀片壓力監(jiān)測(cè)過大時(shí)，自動(dòng)開啟噴淋閥噴射高壓水進(jìn)行沖洗。過濾器用于過濾從水箱出來的雜質(zhì)，通過壓力傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)噴淋系統(tǒng)進(jìn)行分析，判斷過濾器內(nèi)的雜質(zhì)是否過多，進(jìn)行處理。溢流閥用于高壓泵的卸荷，維持泵出口的壓力是定值。溢流閥之后的單向閥用于防止水回流造成高壓泵的損壞。壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)高壓水泵出口的壓力。噴淋閥后的單向閥用于防止噴淋口的水回流。噴淋系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 噴淋系統(tǒng)圖

3.2 注油系統(tǒng)

注油系統(tǒng)由加油泵、液位傳感器、加油閥、常閉閥、單向閥和溢流閥等組成，用于往刮料電機(jī)齒輪腔里注入潤滑油。當(dāng)齒輪腔油位監(jiān)測(cè)過低時(shí)，加油泵、加油閥能自動(dòng)開啟往刮料電機(jī)齒輪腔里注入潤滑油。液位傳感器用于檢測(cè)加油泵內(nèi)油位是否正常，如果油位過低，發(fā)出報(bào)警信息，進(jìn)行更換油桶。常閉閥用于檢測(cè)油桶是否出油，當(dāng)需要檢測(cè)時(shí)，打開常閉閥，正常工作時(shí)，常閉閥要關(guān)閉。溢流閥用于對(duì)加油泵的保護(hù)，設(shè)定一定數(shù)值的溢流壓力，當(dāng)壓力過高時(shí)，油回流到油桶。溢流閥后的單向閥用于保護(hù)加油泵。加油閥用于是否開啟加油作業(yè)，當(dāng)需要進(jìn)行加油時(shí)，加油閥開啟。加油閥后的單向閥用于防止刮料電機(jī)齒輪腔中的油回流。注油系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 注油系統(tǒng)圖

4 數(shù)字孿生架構(gòu)

建立智能刮料系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，物理硬件包括機(jī)械三維電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。

最上層是智能刮料系統(tǒng)數(shù)字孿生體的用戶域，包括人、人機(jī)接口、仿真軟件和PLC軟件。通過仿真軟件可以設(shè)計(jì)智能刮料系統(tǒng)的三維模型，PLC軟件負(fù)責(zé)運(yùn)行控制程序和對(duì)仿真軟件的對(duì)接接口。

第二層是與智能刮料系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體。它能夠反映智能刮料系統(tǒng)每個(gè)特征的數(shù)學(xué)模型，并提供建模管理、模型仿真、分析服務(wù)和資源接口的功能。建模管理涉及智能刮料系統(tǒng)物理對(duì)象的數(shù)學(xué)建模與展示、與物理對(duì)象模型同步和運(yùn)行管理。模型仿真用于對(duì)建完的智能刮料系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。分析服務(wù)用于對(duì)仿真的結(jié)果，形成數(shù)據(jù)報(bào)告。資源接口用于對(duì)接用戶域和物理實(shí)體的連接，傳遞實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象的狀態(tài)感知、診斷和預(yù)測(cè)所需的信息。

第三層是處于測(cè)量控制域、聯(lián)接數(shù)字孿生體和智能刮料系統(tǒng)的測(cè)量。控制實(shí)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能刮料系統(tǒng)的狀態(tài)感知和控制功能[6]。

底層是與數(shù)字孿生體對(duì)應(yīng)的智能刮料系統(tǒng)物理實(shí)體。各構(gòu)成要素的功能如下。

傳感器：智能刮料系統(tǒng)配置的傳感器可發(fā)出信號(hào)，數(shù)字孿生可通過信號(hào)獲取實(shí)際流程相關(guān)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

集成：傳感器通過集成技術(shù)（包括信息接口和安全）達(dá)成物理世界與數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳輸。

分析：數(shù)字孿生利用分析技術(shù)展開算法模擬和可視化程序，進(jìn)行分析數(shù)據(jù)。

數(shù)字孿生：建立物理實(shí)體和流程的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)字化模型。數(shù)字孿生旨在識(shí)別不同層面偏離理想狀態(tài)的異常情況。

數(shù)字孿生架構(gòu)圖如圖5所示，根據(jù)架構(gòu)圖建立數(shù)字孿生模型，通過數(shù)字孿生體可以更直觀地查看智能刮料裝置的各部件狀態(tài)。

圖5 數(shù)字孿生架構(gòu)

5 結(jié)論

基于數(shù)字孿生的智能刮料系統(tǒng)的應(yīng)用研究可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能刮料裝置實(shí)物的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控。通過孿生模型能動(dòng)態(tài)三維的查看運(yùn)行、故障狀態(tài)。并可以通過數(shù)字孿生模型建模仿真提前預(yù)判智能刮料系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求，以便于更好地設(shè)計(jì)智能刮料系統(tǒng)。