В настоящее время научно-исследовательские группы все чаще обращаются к использованию цифровых двойников, чтобы совершенствовать оборудование и анализировать работу системных процессов, особенно в областях механики, гидродинамики и электромагнетизма.
Несмотря на то, что горнодобывающая промышленность сталкивается с теми же задачами, что и другие отрасли: сократить время простоя, оптимально спланировать техническое обслуживание, скорректировать эффективность, увеличить производительность и повысить безопасность - до сих пор в этой сфере производства отсутствовала возможность моделирования потока материала. Но теперь все изменилось.
Разработчики программного обеспечения ANSYS и Rocky DEM нашли способ совместного применения инструментов для моделирования механики, планирования эксперимента и расчётов методом дискретных элементов, чтобы создать цифрового двойника для эксплуатации в горнодобывающей, перерабатывающей промышленности, а также других сферах обращения с сыпучими материалами.
Данное программное решение использует модели пониженного порядка (ROM), которые позволяют сократить время и затраты на вычисления, с высокой точностью прогнозируя реальную работу устройства.
Помимо экономической и производственной выгоды, цифровые двойники дают возможность улучшить показатели по безопасности.
Автоматизация производства позволяет компаниям снизить риски травмирования рабочих, а высокий коэффициент использования оборудования, достигнутый в результате соблюдения оптимального графика планового ремонта, означает, что меньше работников получат травму.
Принцип работы цифрового двойника
Для простоты вычислений цифровой двойник физического устройства использует трехмерные модели пониженного порядка. С помощью технологии Интернета вещей (IOT) они подключаются к реальному оборудованию и получают данные с его датчиков. В результате цифровой двойник предоставляет дополнительную информацию, которую нельзя измерить. Нет необходимости обращаться к архивным данным. Цифровые двойники используются для ускорения процесса разработки продукта путем моделирования работы его компонентов, что позволяет диагностировать и устранять потенциальные ошибки в работе, а также прогнозировать и повышать производительность.
Продукты ANSYS® предоставляют широкий спектр возможностей для построения цифрового двойника. Применительно к горнодобывающей промышленности, для моделирования могут быть использованы модели пониженного порядка Rocky DEM (рис.1).
Рис.1. Интеграция Rocky DEM с ANSYS DesignXplorer для создания цифрового двойника.
ROM-модели оценивают поведение устройства в непрерывном режиме, используя быстрые вычисления, а не полное решение. Кроме того, программный продукт Rocky DEM интегрируется в рабочую среду ANSYS Workbench™ и параметрическую среду ANSYS DesignXplorer™, упрощая процесс анализа.
Кейс применения цифрового двойника в горнодобывающей промышленности
В данном практическом тестовом случае грузовые машины транспортируют добытый уголь от месторождения к приемному бункеру. Сырье выгружается на конвейеры и далее на питатель, который доставляет его к дробильной установке.
По мере того, как машины сбрасывают груз (иногда слишком быстро), сырье просыпается, впоследствии препятствуя подъезду и разгрузке других машин.
Когда происходит одновременная разгрузка двух и более машин, массовый расход превышает допустимый уровень, и что приводит к перегрузу дробильной установки и последующему повреждению оборудования.
Операторы могут вручную управлять системой в случае перегрузки или запускать ее в автоматическом режиме, но любое изменение так или иначе влияет на ее работу.
Команда инженеров пришла к выводу, что необходим анализ того, как изменяемые величины в системе могут влиять на массовый расход питателя (рис.2).
Рис.2. На пропускную способность питателя влияет множество переменных.
Цель состояла в том, чтобы оптимизировать совместную работу компонентов оборудования и вычислить, какое количество сырья может быть пущено в питатель, прежде чем произойдет переполнение.
Основными изучаемыми переменными были скорость конвейера питателя и масса сырья. Анализ методом дискретных элементов (DEM) занял бы слишком много времени, требуя отдельного решения для каждого набора входных данных. Метод расчетов с использованием ROM-модели, напротив, обеспечивает мгновенные результаты и лучше всего подходит для анализа систем с большим разбросом параметров. Однако, он дает только приблизительный ответ.
Оптимальное решение
Лучшим решением, по мнению инженеров, является создание цифрового двойника с последующим моделированием в Rocky DEM для подтверждения результатов.
Вместо разработки единой ROM-модели для каждого случая команда решила создать две отдельных ROM-модели – грузовая машина и питатель – чтобы изучить все возможные вариации переменных (рис.3).
Рис.3. ROM-модель конвейера представляла массовый поток сырья, полученный из показателей скорости разгрузки и количества поступающего сырья. ROM-модель питателя выявила важную переменную: время от начала цикла до выгрузки руды.
Тестовая модель грузовой машины предполагала выгрузку 20 тонн сырья на конвейер при разной скорости.
Инженеры смоделировали по 4 тестовых случая для машины и для питателя. Полученные результаты послужили входными данными для DesignXplorer, где отслеживались показатели в нескольких моментах времени (рис.4).
Рис.4. Поверхность отклика, полученная в ходе анализа ROM-моделей, для прогнозирования показателей в любой момент времени: грузовая машина (слева) и питатель (справа)
Проверка цифрового двойника
Поскольку у инженеров не было возможности получить данные в ходе реального процесса добычи, они создали в Rocky DEM еще одну модель, включавшую параметры, не входившие в ROM-модели, и затем сравнили полученные результаты.
Анализ в Rocky DEM заменял собой отсутствующие данные с физического процесса. Проверка достоверности предполагала моделирование выгрузки двух 20-тонных машин на конвейер, движущийся со скоростью 0,35 м/с; скорость конвейера питателя составляла 0,46 м/с.
Так как расчеты проводились в программном продукте Rocky, результаты оказались точными для заданной точки (а не оценочными как в ROM-модели).
В сравнении с результатами в Rocky DEM тестовые показатели Цифрового двойника оказались очень близкими (рис.5) – что доказывает целесообразность использования данной технологии для построения ROM-моделей, а также для прогнозирования точных локальных результатов.
Рис.5. Полученные в DesignXplorer поверхности отклика питателя из анализа цифрового двойника: (верх) модель, в которой голубые символы показывают, как Rocky DEM генерирует частицы разного размера, которые варьируют выходные данные; (низ) сравнение данных модели пониженного порядка с результатами моделирования
Преимущества цифрового двойника намного перевешивают прилагаемые усилия. Имеются такие возможности как:
- Связь с платформой IOT для прогнозирования операций и предотвращения нежелательных результатов.
- Использование ROM-моделей, позволяющее мгновенно увидеть влияние переменных на работу системы, чтобы вносить более обдуманные изменения
- Модификация ROM, позволяющая учесть просыпанный груз
- Использование ROM для оптимизации работы системы
- Возможность встроить ROM-модель в PLC контроллер, который будет автоматически управлять скоростью конвейера
Таким образом, цифровой двойник имеет огромный потенциал!
Текст статьи переведён специалистами CADFEM CIS. CADFEM CIS — элитный партнер и центр компетенции ANSYS в СНГ. Источник: https://rocky.esss.co/blog/digital-twin-for-the-bulk-materials-industry/