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一、項(xiàng)目背景

supET工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是2018年由阿里云計(jì)算有限公司牽頭、聯(lián)合浙江中控技術(shù)股份有限公司、之江實(shí)驗(yàn)室、國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心、等六家單位共建supET工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。阿里云supET工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺致力于打造包容、共贏、開放、協(xié)作的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，為制造業(yè)企業(yè)提供一站式的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化服務(wù)促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)的融通發(fā)展。

基于仿真的數(shù)字孿生解決方案是ANSYS公司的數(shù)字孿生解決方案。通過對物理設(shè)備建立高保真度、高穩(wěn)定性、高可視化的實(shí)時仿真模型，并經(jīng)由IOT平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)際物理設(shè)備與虛擬仿真設(shè)備之間的映射。在實(shí)際設(shè)備運(yùn)行過程中，虛擬設(shè)備可經(jīng)由實(shí)際設(shè)備傳感器采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)設(shè)備的同步運(yùn)行。因此，基于仿真的數(shù)字孿生解決方案所定義的數(shù)字孿生是動態(tài)的，不僅具備與實(shí)際設(shè)備一致的屬性，更能夠與實(shí)際設(shè)備以相同工況運(yùn)行。因此，運(yùn)維操作人員可通過監(jiān)視數(shù)字孿生模型的工作狀態(tài)，獲取實(shí)際設(shè)備的全面運(yùn)行信息，并對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測判斷。

在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，變電站的主變壓器的運(yùn)行維護(hù)存在較大痛點(diǎn)。作為變電站的主要設(shè)備，主變壓器承擔(dān)了輸電過程中的變壓任務(wù)。在主變壓器工作中，鐵芯和線圈的發(fā)熱量較高，因此需要采用較強(qiáng)的冷卻措施。而且鐵芯和線圈的溫度是運(yùn)維人員極為關(guān)心參數(shù)。為了對鐵芯和線圈進(jìn)行冷卻，在設(shè)計(jì)中，整個鐵芯和線圈是浸泡在冷卻油中的。這一結(jié)構(gòu)雖然可以保證鐵芯和線圈在工作中維持正常的溫度，卻阻礙了在鐵芯和線圈上安裝溫度傳感器。因此，對鐵芯和線圈的溫度監(jiān)控成為了一大難題。

當(dāng)前在大多數(shù)裝備行業(yè)中，當(dāng)“產(chǎn)品”被企業(yè)制造出來后，交付給用戶后，同樣也成為大量的“產(chǎn)品孤島”。特別對于大型、復(fù)雜的“裝備產(chǎn)品”，產(chǎn)品一旦交付，制造企業(yè)很難再從 “產(chǎn)品”的獲取有價值的運(yùn)行信息，更加無法為“用戶”給出對產(chǎn)品的運(yùn)維保養(yǎng)的建議。雖然“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”可以解決設(shè)備的“在線”的通訊問題，但是僅僅完成“連接”還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還是需要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行“語義化”、“模型化”的解析，更需要把設(shè)備的“設(shè)計(jì)域知識”帶到“設(shè)備運(yùn)維域”，完成對設(shè)備的全生命周期管理。

因此在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建造中，設(shè)備裝備、制造流程的“數(shù)字孿生”是一種不可或缺的技術(shù)。“數(shù)字孿生”可以定義為一個基于歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展的數(shù)字模型鏡像，它首先包含了產(chǎn)品的“設(shè)計(jì)知識”，也就是“機(jī)理模型”、“3D模型”等，設(shè)計(jì)知識是“數(shù)字孿生”的起點(diǎn)；第二，數(shù)字孿生擁有通過“IoT技術(shù)”采集到的“運(yùn)行時狀態(tài)”，并對其建立統(tǒng)一的信息模型，對外提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)、互通、互操作；最后，在“數(shù)字孿生”中還包含了進(jìn)行物理仿真、3D渲染的“計(jì)算引擎”。概括地說，數(shù)字孿生通過大量積累的、實(shí)時實(shí)際的測量數(shù)據(jù)，通過“實(shí)時仿真”進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，并給出場景下的仿真、渲染結(jié)果，從而為系統(tǒng)性能分析、優(yōu)化提供指標(biāo)化的建議，指導(dǎo)物理世界的行動，比如設(shè)備動作，并可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)或流程變更提供建議。

二、項(xiàng)目實(shí)施

1.案例定位

2.案例優(yōu)勢分析

設(shè)備數(shù)字孿生是通過“IoT在線數(shù)據(jù)”和“設(shè)備仿真模型”的技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)基于模型的實(shí)時在線分析，并通過3D交互技術(shù)進(jìn)行交互展示，把設(shè)備的“設(shè)計(jì)域知識”帶到“設(shè)備運(yùn)維域”，從而更好地服務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)基于模型的設(shè)備智能監(jiān)控及維護(hù)。

在業(yè)務(wù)價值方面：設(shè)備數(shù)字孿生通過“IoT在線數(shù)據(jù)”和“設(shè)備仿真模型”的技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)基于模型的實(shí)時在線分析，并通過3D交互技術(shù)進(jìn)行交互展示，把設(shè)備的“設(shè)計(jì)域知識”帶到“設(shè)備運(yùn)維域”，從而更好地服務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)基于模型的設(shè)備監(jiān)控和維護(hù)。設(shè)備數(shù)據(jù)孿生可以根據(jù)當(dāng)前的電網(wǎng)“負(fù)載工況”，提前1~2小時預(yù)測出過熱問題，從而判斷變壓器是否過載，是否要啟動備用變壓器等，幫助電網(wǎng)人員進(jìn)行決策；

在開發(fā)工具層面：在自研的Device Twin SDK中，集成了“仿真模型運(yùn)行時求解”、“IoT數(shù)據(jù)寫入”、“時序數(shù)據(jù)存儲”、“自定義可視化面板”的完整工具閉環(huán)；

3.實(shí)施步驟及路徑

按照四個主要步驟完成了對110kV電力變壓器的設(shè)備數(shù)字孿生的的開發(fā)，即為：1）物理對象選取；2）系統(tǒng)建模及模型集成；3）運(yùn)行時模型部署；4）在線模型運(yùn)行計(jì)算。

其中機(jī)理模型部分，通過ANSYS的Fluent/CFX和Maxwell的CAE軟件完成。

機(jī)理模型的輸入?yún)?shù)包括輸入端與輸出端的電流、泵的流量、油溫和環(huán)境溫度。其中輸入輸出端的電流和環(huán)境溫度是所有變電站都可獲得的，油溫的獲取需對變壓器進(jìn)行適當(dāng)改造，但改造難度不大，泵的流量一般是只有開關(guān)兩個狀態(tài)。其開啟時的流量可通過查詢泵供應(yīng)單位的響應(yīng)產(chǎn)品手冊獲取。

物理模型的內(nèi)部功能模塊劃分主要包括電磁模塊、流體模塊和工況判斷模塊三部分。電磁模塊用于計(jì)算銅損和鐵損。流體模塊用于根據(jù)銅損、鐵損、泵流量和環(huán)境溫度，計(jì)算鐵芯和線圈的溫度。工況判斷部分用于根據(jù)其他模塊計(jì)算出的參數(shù)歸類為典型工況并輸出工況號。

在對電磁模塊和流體模塊進(jìn)行建模時，采用了ANSYS公司的降階模型技術(shù)，將電磁三維仿真和流體三維仿真處理成具有三維仿真精度，但能夠進(jìn)行實(shí)時仿真的降階模型，并集成進(jìn)變壓器整體模型內(nèi)。

運(yùn)行時部署通過Docker進(jìn)行對模型及算法應(yīng)用Device Twin進(jìn)行容器化封裝，實(shí)現(xiàn)高度靈活的自動化交付流程，構(gòu)建彈性可擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)，特別適合物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模化的場景。

4.案例推廣應(yīng)用價值

本案例具備較廣泛的推廣應(yīng)用價值。主要應(yīng)用場景在于重型設(shè)備的運(yùn)維監(jiān)控和流程工業(yè)關(guān)鍵工藝良品率的提高方面。本案例的價值點(diǎn)在于，設(shè)備內(nèi)部某關(guān)鍵參數(shù)，無法通過傳感器直接獲取。由于這一關(guān)鍵參數(shù)無法直接獲取，從而導(dǎo)致了設(shè)備運(yùn)行的潛在風(fēng)險或生產(chǎn)工藝的良品率地下問題。通過數(shù)字孿生建設(shè)，可降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險或提高生產(chǎn)工藝良品率。舉例說明，通過對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片建立數(shù)字孿生，可監(jiān)控渦輪溫度。通過對冶金行業(yè)加溫爐內(nèi)建立數(shù)字孿生，可精確監(jiān)控物料溫度，從而提高良品率。

三、實(shí)施效果

在建立數(shù)字孿生前，變電站運(yùn)維人員只能通過間接手段推測主變壓器鐵芯與線圈溫度。手段包括：1、用紅外熱像儀檢查油箱外壁溫度。2、每天對油箱內(nèi)的油進(jìn)行化驗(yàn)，分析頭一天的鐵芯與線圈超溫情況。3、對于某些數(shù)字化程度較高的變電站，可測量油箱內(nèi)油的溫度。

在建立數(shù)字孿生后，變電站運(yùn)維人員可直接實(shí)時觀察鐵芯與線圈溫度。