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2018-07-20
西門子研究人員開發(fā)出一款虛擬傳感器,不必借助安裝在電機內(nèi)部的傳感器即可計算出電機內(nèi)部溫度。籍此得到的信息可以避免不必要的停機——這一改進將大大降低運營成本。
諸如壓縮氣體用的大型電機的轉(zhuǎn)子,盡管龐大如房間,但卻難以進入。這種轉(zhuǎn)子在啟動時產(chǎn)生的熱應力很高,一旦過熱就會造成損害。因此,必須監(jiān)測其溫度。
驅(qū)動這種轉(zhuǎn)子的電機是所謂的凸極電機,這些巨大的機器在石油、天然氣及化工行業(yè)常用于驅(qū)動大功率泵機。由于未配備變頻器,直接連接至電網(wǎng),它們在啟動時會產(chǎn)生大量的熱量。若反復啟動,其內(nèi)部溫度可能飆升至800°C,從而可能造成嚴重損害。為此,在重新啟動之前,必須讓電機冷卻下來。問題是:需要多長時間?電機內(nèi)部關鍵區(qū)域的溫度無法直接測量。這樣一來,技術人員迄今為止只能估計冷卻時長。一般而言,專家會設定一個緩沖期,以排除發(fā)生損害的可能性。這樣的停機往往長達12小時,比實際冷卻用時長得多,故而令經(jīng)營者蒙受巨大損失。
透過增強現(xiàn)實頭盔來觀看電機演示器,佩戴者可以看到電機及其內(nèi)部的逼真模擬,以及疊加于其上的真實演示器。
西門子虛擬傳感器
現(xiàn)在,得益于西門子中央研究院(CT)開展的工作,研究人員可以利用虛擬傳感器來測量和監(jiān)測電機在運行狀態(tài)下的內(nèi)部溫度。這一發(fā)展有助于顯著減少停機時間,提高設備利用率。虛擬傳感器原型的數(shù)學模型基于數(shù)字化雙胞胎——它地模擬了真實的傳感器若能裝入電機內(nèi)部將如何工作。透過增強現(xiàn)實頭盔HoloLens來觀看電機演示器,佩戴者可以看到電機及其內(nèi)部的逼真模擬,以及疊加于其上的真實演示器。從藍色到紅色的不同顏色表明了溫度水平。
西門子中央研究院的仿真專家Birgit Obst表示,“我們借鑒了西門子過程工業(yè)與驅(qū)動集團,特別是柏林西門子電機工廠同事們的工作成果。他們在開發(fā)電機時,使用了數(shù)學模型來捕捉驅(qū)動裝置的幾何形狀和材料特性,以便創(chuàng)建出每個組件的數(shù)字化雙胞胎。”但這些模型極為廣泛且又復雜,因而通常無法用于實時計算。在解決這一挑戰(zhàn)的過程中,西門子研究人員取得了兩個重大進展:他們成功地運用了數(shù)學規(guī)約方法,并且成功地推導出抽象模型,盡管這些模型不那么全面,但仍可得出關鍵的模擬結(jié)果。這些模型的計算速度比傳統(tǒng)工程仿真工具快1000倍,并且精度偏差更小、可控。得益于此,西門子開發(fā)出可在運行期間持續(xù)進行監(jiān)測的數(shù)字化雙胞胎。這些數(shù)字化雙胞胎可以隨時提供現(xiàn)實的虛擬圖像。通過將虛擬傳感器生成的數(shù)據(jù)與非運動組件上的傳感器生成的數(shù)據(jù)進行比較,可量化虛擬傳感器的精度。
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