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，再由帶式輸送機送至成品車間。檢修工作需要定期按照檢修計劃進(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，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，同時定義了由物理實體、數(shù)字實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、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)和實際工藝參數(shù)的比對，通過比對結(jié)果的分析，可以在產(chǎn)品制造的早期及時發(fā)現(xiàn)問題，采取補救措施，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)，實現(xiàn)了刀片壓力自動調(diào)節(jié)和刀片磨損程度的自動監(jiān)測、文字提示和聲光報警。并帶有遠(yuǎn)程操作監(jiān)視、可現(xiàn)場管理，也可集中監(jiān)控，能及時掌握設(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，從而反映對應(yīng)實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械與電氣集成到一體的機電一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作過程可由PLC自動控制運行，也可以手動操作或遠(yuǎn)程操作運行。智能變頻刮料裝置的設(shè)計特點是增加了智能化的電控系統(tǒng)，實現(xiàn)了刀片壓力自動調(diào)節(jié)和刀片磨損程度的自動檢測與報警的自動化操作。具有耐磨損、抗腐蝕、不損傷皮帶、自動化程度高、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、運行安全、可靠、有完善的自動保護(hù)功能以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。

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體設(shè)備與三維模型對接。可以通過三維建模模型實時動態(tài)查看刮料裝置硬件設(shè)備的運行、故障等狀態(tài)。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的硬件系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏進(jìn)行壓力檢測、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，能夠立即停止運行，自診斷故障類型，并在觸摸屏上有相應(yīng)的文字提示，同時有聲光報警。

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

2.1 硬件設(shè)計

整個智能變頻刮料裝置主要由控制柜、皮帶機用檢測系統(tǒng)、液壓泵站系統(tǒng)、刮料裝置檢測系統(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)計畫面。PLC用于控制電機、泵和閥等設(shè)備的運行，并且可接收傳感器等信號。變頻器用于控制刮料電機的調(diào)速運行，當(dāng)?shù)镀瑴y壓傳感器測定壓力過高時，調(diào)整刮料電機的轉(zhuǎn)速。

（2）皮帶機檢測系統(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)測出物料的物位、體積和質(zhì)量，稱重傳感器用于實時檢測稱重物體的重量，速度傳感器用于檢測皮帶機的運行速度。

（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高壓水出口的壓力。

（4）刮料裝置由刮料電機、刀片測壓傳感器和磨損監(jiān)測器等組成。刮料電機是驅(qū)動裝置，用于驅(qū)動刮料機的運行。刀片測壓傳感器用于檢測刀片上的壓力，以此來判斷刮料裝置上的物料是否有物料堆積。磨損監(jiān)測器用于檢測刀片的磨損程度，以便于使用時及時更換刀片。

本系統(tǒng)的硬件在數(shù)字孿生模型中都對應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，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)的動作時，數(shù)字孿生模型中的相應(yīng)部件同時反映設(shè)備的運行狀態(tài)信息。

2.2 軟件設(shè)計

（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啟動。如果變頻器有故障進(jìn)行報警，刀片磨損嚴(yán)重進(jìn)行報警，軸承油液位低，需自動啟動加油泵和加油閥進(jìn)行注油。刮料電機啟動后，通過速度傳感器判斷是否正常運行。如正常運行，噴淋泵啟動。同時檢測刀片測壓是否正常，如刀片測壓過大，需進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)刮料電機，并啟動噴淋閥。如果噴淋壓力過大檢測有故障，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

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

3.1 噴淋系統(tǒng)設(shè)計

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)測的液位到達(dá)設(shè)定的保護(hù)位置時，進(jìn)水電磁閥自動開啟往水箱里注水，當(dāng)液位高于設(shè)定的上限位置時，進(jìn)水電磁閥自動停止。高壓泵在正常運行時，一直處于開啟狀態(tài)，當(dāng)刮料機上的刀片壓力監(jiān)測過大時，自動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的數(shù)據(jù)，對噴淋系統(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，用于往刮料電機齒輪腔里注入潤滑油。當(dāng)齒輪腔油位監(jiān)測過低時，加油泵、加油閥能自動開啟往刮料電機齒輪腔里注入潤滑油。液位傳感器用于檢測加油泵內(nèi)油位是否正常，如果油位過低，發(fā)出報警信息，進(jìn)行更換油桶。常閉閥用于檢測油桶是否出油，當(dāng)需要檢測時，打開常閉閥，正常工作時，常閉閥要關(guān)閉。溢流閥用于對加油泵的保護(hù)，設(shè)定一定數(shù)值的溢流壓力，當(dāng)壓力過高時，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，加油閥開啟。加油閥后的單向閥用于防止刮料電機齒輪腔中的油回流。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、人機接口、仿真軟件和PLC軟件。通過仿真軟件可以設(shè)計智能刮料系統(tǒng)的三維模型，PLC軟件負(fù)責(zé)運行控制程序和對仿真軟件的對接接口。

第二層是與智能刮料系統(tǒng)對應(yīng)的數(shù)字孿生體。它能夠反映智能刮料系統(tǒng)每個特征的數(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)物理對象的數(shù)學(xué)建模與展示、與物理對象模型同步和運行管理。模型仿真用于對建完的智能刮料系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。分析服務(wù)用于對仿真的結(jié)果，形成數(shù)據(jù)報告。資源接口用于對接用戶域和物理實體的連接，傳遞實現(xiàn)物理對象的狀態(tài)感知、診斷和預(yù)測所需的信息。

第三層是處于測量控制域、聯(lián)接數(shù)字孿生體和智能刮料系統(tǒng)的測量。控制實體，實現(xiàn)對智能刮料系統(tǒng)的狀態(tài)感知和控制功能[6]。

底層是與數(shù)字孿生體對應(yīng)的智能刮料系統(tǒng)物理實體。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，數(shù)字孿生可通過信號獲取實際流程相關(guān)的檢測數(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：建立物理實體和流程的準(zhǔn)實時數(shù)字化模型。數(shù)字孿生旨在識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)用研究可實現(xiàn)對智能刮料裝置實物的實時運動狀態(tài)監(jiān)控。通過孿生模型能動態(tài)三維的查看運行、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)計是否滿足設(shè)計要求，以便于更好地設(shè)計智能刮料系統(tǒng)。