一种调节阀数字孪生系统

1.本发明属于设备智能化与数字化技术领域，具体涉及一种调节阀数字孪生系统。


背景技术：

2.调节阀是流程工业生产过程自动化控制中重要的控制部件，广泛应用于石油、化工、电力、冶金、轻工等工程领域。
3.控制阀作为控制系统的重要设备，起到节流或切断介质流量，实现工艺参数调节的目的，或者引导系统进入事故下安全工况，所以既涉及工艺生产效能也涉及生产安全。他是接受控制系统或安全系统发出的指令下，通过阀门定位器控制气动执行机构的气室气压或活塞气缸气压，来控制阀门的机械开度，进而改变工艺管路流阻实现介质流量的调节。
4.控制阀数字孪生体的建设有三方面的作用：a、工业系统生产线上运行的大量控制阀的检维修、故障分析与诊断，非常必要、重要和急需，控制阀数字孪生体对于在线和离线状态检测和故障诊断、检维修等具有重要作用；b、另一方面，控制阀种类多样、结构复杂，尤其涉及机械、流体、自动控制三个学科门类，运维工程师知识体系庞杂、培训困难，控制阀数字孪生体非常适合用于技术培训；c、随着智慧电厂数字化应用甚至元宇宙的兴起，未来智慧核电的基础是设备的数字孪生研究。
5.cn108107841公开了一种面向对象的、基于组件的机床数字模型建模方法，是基于多领域统一建模语言modelica、利用面向对象的方式构建。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于labview、matlab、unity多软件协同搭建调节阀数字孪生平台的方法，是一种利用现有的软件实现数字孪生的方法，无需进行软件的开发。
7.本发明提供如下技术方案：
8.一种调节阀数字孪生系统，包括设备实体、数据采集系统、数据通信系统、unity可视化平台与simulink模型；所述数据采集系统实时进行数据采集及发送控制信号到设备实体，所述unity可视化平台、simulink模型通过数据通信系统与数据采集系统建立数据连接。
9.进一步的，所述设备实体包括气动调节阀实体及电气附件；所述电气附件包括传感器及定位器，所述传感器包括阀位反馈、压力表及流量计。
10.进一步的，所述数据采集系统通过ni机箱与数据采集板卡连接到传感器与定位器，从而实现数据采集与阀位控制；ni机箱通过网线连接到pc机，pc机通过labview的采集界面可观察各个数据的实时变化曲线，同时采集程序中包含了mqtt客户端的程序向mqtt服务器订阅和发布数据实现与其他部分的通信。
11.进一步的，所述数据通信系统利用emqx在pc机上部署的mqtt服务，此部分可部署在局域网中的任意一台电脑或服务器，也可以直接部署在云端；同时通过规则引擎或者搭
建webserver将数据转发到sql数据库。
12.进一步的，所述unity可视化平台为三维展示界面，其实现人机交互与数据的展示；其具有可定制的ide环境，基于moo的开发脚本，基于组件的对象系统。
13.进一步的，所述simulink模型包括气动调节阀的机理建模和故障诊断算法的实现。
14.通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
15.本发明孪生模型通过simulink实现对气动调节阀的机理建模，可以从根本上反应气动调节阀动作本质，从而为故障诊断甚至预测提供了基础；基于unity的三维可视化平台可以在教学培训中发挥作用，使工程师理解更深刻；基于mqtt的数据通信系统能够提升数字孪生系统的扩展性，可以方便的进行系统扩展。
附图说明
16.图1为本发明的整体架构设计示意图；
17.图2为本发明的设备实体三维模型；
18.图3为unity可视化平台架构示意图；
19.图4为simulink机理模型示意图；
20.图5为机理模型训练故障诊断算法示意图；
21.图6为数据通信系统架构示意图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
24.如图1所示，调节阀数字孪生系统整体架构包括五个部分：设备实体1、数据采集系统2、数据通信系统3、unity可视化平台4与simulink模型5。其中所述数据采集系统2实时采集和发送控制信号到设备实体，其信号均为4-20ma信号；unity可视化平台4、simulink模型5与数据采集系统2三个部分通过数据通信系统3建立数据的连接。
25.其中，如图2所示，设备实体由调节阀实体201、电气附件；电气附件包括传感器及定位器204，传感器包括阀位反馈202、压力表203及流量计205，其信号均为4-20ma信号。4-20ma信号通过ni机箱配合ni采集板卡ni9203/ni9265实现采集与输出，从而实现对压力、流量与阀位信号的采集与通过输出定位器信号实现阀位控制。
26.如图3所示，unity可视化平台由应用层与逻辑层组成，逻辑层是应用层的底层实现，三维视图的拖拽旋转等操作对应相机控制脚本，阀杆移动由控制脚本实现，流体与气体的三维动态展示由流体插件来实现，最后包括ui界面用来实时展示数据。其中控制脚本中的阀杆移动数据、流体中的流量大小数据以及ui界面展示的数据均从mqtt client脚本中
获取。
27.如图4、图5所示，建立simulink机理模型后，加入故障行为，如管道泄漏，可以在管路中添加分支用以模拟，利用故障模型仿真结果提取训练数据用于机器学习算法。predictive maintenance toolbox提供了提取训练数据的各种选项，将训练数据导入到statistics and machine learning toolbox中，使用生成的数据的一个子集来验证训练过的算法。最后选取精度最高的故障诊断算法导入到simulink模型中。
28.如图6所示，首先通过emqx搭建一个mqtt server，然后分别在labview、simulink、unity中实现mqtt client功能，通过mqtt的消息订阅与发布机制便实现了数字孪生系统中数据的互通，最后通过基于tomcat的webserver或者规则引擎实现转发数据到sql数据库中。
29.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种调节阀数字孪生系统，其特征在于：包括设备实体、数据采集系统、数据通信系统、unity可视化平台与simulink模型；所述数据采集系统实时进行数据采集及发送控制信号到设备实体，所述unity可视化平台、simulink模型通过数据通信系统与数据采集系统建立数据连接。2.根据权利要求1所述的一种调节阀数字孪生系统，其特征在于所述设备实体包括气动调节阀实体及电气附件；所述电气附件包括传感器及定位器，所述传感器包括阀位反馈、压力表及流量计。3.根据权利要求2所述的一种调节阀数字孪生系统，其特征在于所述数据采集系统通过ni机箱与数据采集板卡连接到传感器与定位器，从而实现数据采集与阀位控制；ni机箱通过网线连接到pc机，pc机通过labview的采集界面可观察各个数据的实时变化曲线，同时采集程序中包含了mqtt客户端的程序向mqtt服务器订阅和发布数据实现与其他部分的通信。4.根据权利要求3所述的一种调节阀数字孪生系统，其特征在于所述数据通信系统利用emqx在pc机上部署的mqtt服务，此部分可部署在局域网中的任意一台电脑或服务器，也可以直接部署在云端；同时通过规则引擎或者搭建webserver将数据转发到sql数据库。5.根据权利要求4所述的一种调节阀数字孪生系统，其特征在于所述unity可视化平台为三维展示界面，其实现人机交互与数据的展示；其具有可定制的ide环境，基于moo的开发脚本，基于组件的对象系统。6.根据权利要求5所述的一种调节阀数字孪生系统，其特征在于所述simulink模型包括气动调节阀的机理建模和故障诊断算法的实现。

技术总结
一种调节阀数字孪生系统，属于设备智能化与数字化技术领域。它包括设备实体、数据采集系统、数据通信系统、Unity可视化平台与Simulink模型；所述数据采集系统实时进行数据采集及发送控制信号到设备实体，所述Unity可视化平台、Simulink模型通过数据通信系统与数据采集系统建立数据连接。本发明孪生模型通过simulink实现对气动调节阀的机理建模，可以从根本上反应气动调节阀动作本质，从而为故障诊断甚至预测提供了基础；基于Unity的三维可视化平台可以在教学培训中发挥作用，使工程师理解更深刻；基于MQTT的数据通信系统能够提升数字孪生系统的扩展性，可以方便的进行系统扩展。展。展。


技术研发人员：尚群立 田晓鹏
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.11.16
技术公布日：2023/3/14