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CN111159893A - 一种基于数字孪生的故障复现及预测系统 - Google Patents

一种基于数字孪生的故障复现及预测系统 Download PDF

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CN111159893A
CN111159893A CN201911390190.1A CN201911390190A CN111159893A CN 111159893 A CN111159893 A CN 111159893A CN 201911390190 A CN201911390190 A CN 201911390190A CN 111159893 A CN111159893 A CN 111159893A
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CN
China
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fault
opc
real
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Application number
CN201911390190.1A
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English (en)
Inventor
张百海
周培成
董哲
柴森春
崔灵果
姚分喜
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Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的故障复现及预测系统。该系统包括:虚拟化模块、OPC UA模型模块、关系模型模块、故障预测模块、虚拟化场景显示模块、历史数据库和故障回放模块;虚拟化模块用于虚拟化实际的设备实体;设备实时的数据可以在虚拟化场景中进行显示;在虚拟化场景中可以回放设备的运行画面,从而追溯设备故障的原因;传入的实际数据信息会被保存到历史数据库中,根据历史数据库中的历史数据信息,得到关系模型,根据关系模型和实时的数据来预测故障的发生。本发明能够显示设备的运行状态,并对设备故障进行预测、显示及重现。

Description

一种基于数字孪生的故障复现及预测系统
技术领域
本发明涉及一种基于数字孪生的故障复现及预测系统。
背景技术
随着机械化、智能化的不断发展,机械设备越来越多地出现在了我们的生活中。既然是机械设备难免会出现故障,这些故障有时可以在设备出场时候就发现,有些是在设备运行过程中产生的。这样一来,亟需一种能够直观的观测设备的运行状态,对设备故障进行重现,且对故障具有一定预测功能的系统,以满足发展的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于数字孪生的故障复现及预测系统,能够显示设备的运行状态,并对设备故障进行预测、显示及重现。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种基于数字孪生的故障复现及预测系统,包括:虚拟化模块、OPCUA模型模块、关系模型模块、故障预测模块、虚拟化场景显示模块、历史数据库和故障回放模块;
所述虚拟化模块,用于构建车间中各设备的虚拟模型;
所述OPCUA模型模块,通过运行OPCUA信息模型获取车间中各设备的实时运行数据;所述OPCUA信息模型为采用OPCUA的建模方式建立的车间信息模型,所述实时运行数据为各设备及其子部件的各特征参数对应的实时运行数据;
所述关系模型模块,用于建立特征参数之间的关系模型;
所述故障预测模块,根据所述实时运行数据预测各特征参数是否异常,或根据所述实时运行数据以及所述关系模型预测各特征参数是否异常;
所述虚拟化场景显示模块,显示各所述设备的虚拟模型,在所述虚拟模型上显示对应的特征参数的实时运行数据,以及在某一特征参数异常时,将异常特征参数所属设备显示为报警色;
所述历史数据库,存储所述实时运行数据;
所述故障回放模块,控制虚拟化场景显示模块根据历史数据库中的运行数据按时间顺序回放画面。当执行回放操作时,根据输入的回放的起始时间,来从历史数据库中调用数据传到回放画面中。
可选的,所述虚拟化模块包括:多种设备的虚拟模型。
可选的,所述虚拟化模块包括:模型构建单元,用于构建设备的虚拟模型。
可选的,所述故障回放模块还用于控制所述故障预测模块根据所述历史数据库中存储的运行数据预测各特征参数是否异常,并在异常时,控制虚拟化场景显示模块在回放过程中将异常特征参数所属设备显示为报警色。
可选的,所述虚拟化模块还用于为各设备及其子部件设置名称及ID,其中,各设备及子部件的ID是唯一的。
虚拟化模块能够虚拟化实际的设备实体;设备实时的数据可以在虚拟化场景中进行显示;在虚拟化场景中可以回放设备的运行画面,从而追溯设备故障的原因;传入的实际数据信息会被保存到历史数据库中,根据历史数据库中的历史数据信息,得到关系模型,根据该模型和实时的数据来预测故障的发生。
在虚拟化模块中构建设备的三维模型,具体如下:一个设备会包含很多子部件,子部件都会有外形尺寸。此处通过输入各个子部件的尺寸大小,来得到各个子部件的虚拟模型,从而得到整个设备的虚拟模型。虚拟模块中会提供常用的设备及其子部件的虚拟模型,可以根据实际使用的设备的大小来进一步调整设各个子部件的尺寸。如果在虚拟模块中没有找到要用的设备的虚拟模型,也可以在该虚拟模块中自行创建,将创建的虚拟模型保存到虚拟模块中,可以在以后直接使用。同时,设置模型各子部件的显示名和ID值,以及正常运行时的参数区间和发生故障时的报警色。这些设置会在虚拟化场景显示模块中用到。
可选的,所述系统还包括:
OPCUA服务器,存储有OPCUA信息模型,通过运行所述OPCUA信息模型与各设备通信,并获取各设备的实时运行数据,所述OPCUA信息模型为采用OPCUA的建模方式建立的车间信息模型;所述OPCUA模型模块从所述OPCUA服务器中获取车间中各设备的实时运行数据。
采用OPCUA来对设备的数据信息的采集,将采集到的设备的各个子部件的运行数据传给每个部件的ID值。其中,可以设置实时运行数据的采集时间间隔。
本发明先对整个生产车间的设备进行建模,采用OPCUA的建模方式,同时,将建立的OPCUA的模型赋给建立的三维模型,即将OPCUA的模型信息与三维模型的各部件对应起来。具体如下:根据实际生产车间,建立OPC UA信息模型,同时将此模型信息导入到虚拟平台中的OPCUA模型模块。在OPCUA模型模块中,将建立的模型中的各个子部件的变量结点与虚拟模块中建立的虚拟设备的各个子部件的ID建立连接,使得,当通过OPCUA读取到实际的设备的运行数据后,每个子部件的实际运行数据可以对应到虚拟设备的每个子部件中进行显示。
可选的,所述关系模型模块根据历史数据库中的运行数据,通过数据挖掘的方式来确定特征参数之间的关系模型。
可选的,所述关系模型模块每隔设定周期对特征参数之间的关系模型进行一次更新。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明提供的基于数字孪生的故障复现及预测系统,构建了车间各设备的虚拟模型,并将各设备及子部件的实时运行数据对应显示在虚拟模型中,实现了对设备的运行状态的直观显示。根据实时运行数据确定或预测故障,并发出警示,实现了对设备故障的预测及警示。本发明还对各设备及子部件的实时运行数据进行了存储,可以通过故障回放模块,采用存储的运行数据对各设备及其子部件的运行状态以及故障进行重现,实现了故障重现的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于数字孪生的故障复现及预测系统结构示意图;
图2为本发明实施例中的数据传递流程图;
图3为本发明实施例中关系模型的自动修正原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种基于数字孪生的故障复现及预测系统,如图1所示,该系统包括:虚拟化模块1、OPCUA模型模块5、关系模型模块6、故障预测模块4、虚拟化场景显示模块2、历史数据库7和故障回放模块3;
其中,所述虚拟化模块1,用于构建车间中各设备的虚拟模型;
所述OPCUA模型模块5,通过运行OPCUA信息模型获取车间中各设备的实时运行数据;所述OPCUA信息模型为采用OPCUA的建模方式建立的车间信息模型,所述实时运行数据为各设备及其子部件的各特征参数对应的实时运行数据;
所述关系模型模块6,用于建立所述特征参数之间的关系模型;
所述故障预测模块4,根据所述实时运行数据预测各特征参数是否异常,或根据所述实时运行数据以及所述关系模型预测各特征参数是否异常;
所述虚拟化场景显示模块2,显示各所述设备的虚拟模型,在所述虚拟模型上显示对应的特征参数的实时运行数据,以及在某一特征参数异常时,将异常特征参数所属设备显示为报警色;
所述历史数据库7,存储所述实时运行数据;
所述故障回放模块3,控制虚拟化场景显示模块2根据历史数据库7中的运行数据按时间顺序回放。
在实施例中,所述故障回放模块3还控制所述故障预测模块4根据所述历史数据库7中存储的运行数据预测各特征参数是否异常,并在异常时,控制虚拟化场景显示模块2在回放过程中将异常特征参数所属设备显示为报警色。也就是说,在回放的过程中,不仅要显示各设备的历史运行数据,还要根据该历史运行数据预测各特征参数是否异常,并在确定特征参数异常时,发出故障显示,实现对故障显示的重现。
在实施例中,所述虚拟化模块1可以包括:多种设备的虚拟模型以及模型构建单元。其中,模型构建单元用于构建虚拟模型。
在实施例中,在虚拟化模块1中构建设备的虚拟模型,实际的设备会包含多个子部件,本发明采取的就是模块化的思想来构建设备的三维虚拟模型,类似于堆积木的方式。在虚拟化模块1中存储着一些较常用的工业设备的三维虚拟模型,也可以根据需要往添加新的设备的虚拟模型。根据实际的设备和它的子部件的大小,在虚拟化模块1中输入它的子部件的外形尺寸,虚拟的设备的外形尺寸会跟随输入值来进行改变外形的尺寸大小。如果在虚拟化模块1中未找到要使用的设备的虚拟模型,可以进行自行创建模型,然后将创建的模型保存到虚拟模块中,以后就可以跟之前虚拟化模块1中已经存储的虚拟模型一样,可以直接使用。虚拟化模块1中存储的每个设备的虚拟模型都有自己的名字,名字的命名规则就是对应的实际设备的名字,这样在虚拟模型数量很多时,可以通过输入要使用的虚拟模型的名字,快速的找到该模型。新添加进去的虚拟模型,在保存到模块中时,也需要输入该模型对应的实际设备的名字。
虚拟化的设备及其子部件都会有一个显示名,用于在虚拟化场景显示模块2中进行显示;同时,各设备都有一个固定的ID,并且设备的子部件也都具有从属于设备ID的子ID名,显示名与ID都可以进行设置,但一定要保证ID是唯一的。设备显示名可以采取中文名的方式,也可以采用英文显示的方式,ID只能用英文字母大小写和数字下划线的形式。这样做的目的是在虚拟化场景显示模块2中,准确的对应显示各个设备实时的数据信息,便于数据的存储与显示。因此,在虚拟化模块1中需要对虚拟设备及其子部件分别设置显示名和ID值。
对于设备的各子部件,设置它们的正常运行状态的数值区间,以及正常运行状态时的颜色和超出正常数值期间的报警色。这样,有助于在显示模块中清晰的看到故障的位置。而且,当子部件发生故障时,子部件所属的设备的整体颜色会闪烁,防止发生故障的部件位于设备内部,故障色可能不被容易观察到。
本实施例提供的系统还可以包括:OPCUA服务器,该OPCUA服务器存储有OPCUA信息模型,通过运行所述OPCUA信息模型获取各设备及设备中各子部件的实时运行数据,所述OPCUA信息模型为采用OPCUA的建模方式建立的车间信息模型;所述OPCUA模型模块5从所述OPCUA服务器中获取车间中各设备及设备中各子部件的实时运行数据。
由于生产车间包含由大量的设备,而每个设备也会有多个子部件,如此多的数据信息需要建立清晰的数据模型,来保证数据浏览时的友好性和后续操作的高效性。本发明采用OPCUA的建模方式,来建立生产车间的信息模型。
将建立OPCUA的信息模型导入到OPCUA服务器中,这样就会在服务器中建立了一个地址空间,地址空间中的结点与实际车间的数据源建立连接,这里的数据源指的就是包含有设备各部件运行数据或者状态的设备,比如:温度传感器,压力传感器等。本发明所述的特征参数就是指的这些温度参数、压力参数等等。
将建立的OPCUA的信息模型导入到OPCUA模型模块5中,进一步的,将建立的OPCUA信息模型中的存储数值的变量结点与虚拟化模块1中的对应的设备ID建立对应,通过键值对的方式来进行实现。因为每个结点都有一个NodeId属性来唯一标识每一个结点,那么我们可以将结点的NodeId作为键,虚拟模块中的设备ID作为值。
数据传输具体流程如图2所示:
(1)OPCUA服务器与现场的设备进行通信,得到设备的实时运行数据;
(2)OPCUA客户端与OPCUA服务器建立连接,然后读取服务器中的数据;
(3)然后将得到的数据传给虚拟模型进行显示,前面我们已经对每个设备分配了唯一的ID,那么就可以采用键值对的方式来存储并显示设备的运行数据。具体操作:进行存储时:当OPCUA客户端获取到设备运行数据后,先查询结点对应的设备的ID,然后将数据传给设备ID键对应的值进行存储。进行显示时:根据设备ID,找到该设备ID键对应的值,然后进行显示。
本发明的OPCUA信息模型模块作为OPCUA客户端来读取OPCUA服务器中的设备,然后将得到的数据再传给虚拟模型进行显示。这样,当通过OPCUA采集现场设备的数据后,可以准确高效的将每个设备的每个部件的数值信息,传给对应的虚拟模型的ID。进而在虚拟化场景显示模块中,设备的每个子部件会显示此时的实际运行数值。进一步的,判断该值是否在正常区间内,从而显示正常色或者报警色。
在实施例中,虚拟化场景显示模块,用于虚拟化显示实际的生产车间,具体如下:
在虚拟化场景显示模块中,根据实际的生产车间来构建模拟的生产车间。根据实际生产车间中的各个设备的相对设置位置,在虚拟化场景显示模块中将虚拟化模块中构建的虚拟设备进行放置。这样,就可以在该显示模块中,看到当前的设备运行状况。进一步的,故障复现和故障预测的显示也都是在该显示模块中进行显示的。
在实施例中,历史数据库用于存储整个生产车间的历史数据。具体如下:
OPCUA模块每次传来新的数据,除了在虚拟化场景显示模块进行显示外,同时会存到历史数据库当中,每次往历史数据库中存放的数据包含在虚拟化场景显示模块中显示的所有数值信息,也就是所有设备各部件的运行信息,也包含数据传来的时间。这样当发生故障后,要进行故障回放时,就可以根据时间来从历史数据库中提取数据,在虚拟化场景显示模块中进行显示。
在实施例中,故障回放模块,用于回放故障发生前的运行数据信息。具体如下:
进入到故障回放模块中,可以选择开始回放的起始时间,然后选择回放模式,虚拟化场景显示模块就会从实时显示状态切换到故障回放状态。具体通过:根据设置的回放的起始时间,在历史数据库中查找该起始时间或者最接近该起始时间的一个时间,从查找到的这个数据开始依次导入到虚拟化场景显示模块中进行显示。
相比较于在历史数据库中浏览历史数据,来查找故障前的数据信息。采用故障还原的方式,可以更加直观,形象的来观测故障前的各部件的运行数据信息,从而更加清晰的得到故障的原因。
在实施例中,所述关系模型模块可以根据历史数据库中的各特征参数运行数据,通过数据挖掘的方式来确定特征参数之间的关系模型。并可以每隔设定周期对特征参数之间的关系模型进行一次更新。
关系模型是依据历史数据库中的数据信息来建立起来的。关系模型的建立,首先要确定自变量和因变量,或者称为输入量和输出量。根据历史数据库中的大量历史数据,通过数据挖掘的方式来得到输入量和输出量之间的关系模型。每隔固定的一段时间进行关系模型的更新。例如采用每隔一个星期关系模型更新一次,在这一个星期中,历史数据库中得到了新的设备的运行数据,将数据中作为关系模型输入量的那部分数据输入给关系模型,可以通过关系模型得到预测输出量,通过将实际的输出和预测的输出作差,得到偏差值,将这一个星期的偏差值来传给关系模型,进行关系模型中参数的修正,使数据模型更加接近于实际的输入输出的对应关系。如图3所示。
在实施例中,故障预测模块用于预测故障的发生时间和发生位置。故障预测模块主要是利用建立的关系模型,和近一段时间获取的设备数值的变化趋势,比如近一个小时的设备的运行数据变化趋势。进一步的,提前推测出未来一段时间的各设备的运行数据,并在虚拟化场景显示模块中进行显示,观察在未来某段时间是否会发生故障,如果发生故障,对应故障部分的部件会变为报警色,从而得到具体的故障位置。进一步的,可以提前做好相应的应对措施。比如提前备好有关零部件,或者在故障前某个合适时间,提前进行设备部件的更换。
比如:以一个轴承为例,我们采集轴承的转速、振动幅度、轴承温度、冷却液的入口温度、冷却液的出空温度等数据。在正常的运行过程中,轴承温度的值是在一定范围内进行缓慢变化的。以过去一个小时采集到的现场数据作为基本数据,根据这一个小时的数据的变化趋势,来得到一个小时后的设备运行数据。如果过去的一个小时内的某个设备数据是基本没有变化的,那么在接下来的预测中也假设其数值基本维持不变;如果在过去一个小时内,某个数值在一直增大,在接下来的一个小时内就根据上一个小时的数据变化的幅度与趋势进行不断增大,例如上一个小时的轴承温度数值在不断的缓慢增大,那么在下一个小时内就让该轴承温度数值根据上一小时的变化趋势进行不断增大,如果增大到超出正常范围,就会触发报警。或者根据前面得到的关系模型,根据轴承转速,振动幅度、冷却液的入口温度等作为关系模型的输入值,来得到关系模型的输出值,这里的输出值为轴承的温度,根据轴承的实际温度和通过关系模型得到的轴承温度进行作差,当两者的差值超过一定的幅度后,且该幅度有不断增大的趋势,那么尽管温度值没有到达阈值,也会触发报警,因为此时的实际温度值已经开始不断偏离正常的关系模型,说明设备部件内部可能出现了问题。
本发明提供的基于数字孪生的故障复现及预测系统具有以下优势:
(1)虚拟模型与OPCUA模型进行对应,可以比较有效的进行数据的显示和存储。对虚拟模型的设备及其子部件分别用ID来进行标注,并将ID与OPCUA中的模型信息进行对应,这样,可以比较快速的将数据值传给对应的ID,从而在显示画面中进行显示。
(2)通过故障还原的方式,可以更加直观、生动的观测故障发生前的各个设备的运行状态。
(3)对每个部件设置了正常的参数区间,当超过该区间时,发生故障的部件会变为故障色,同时,故障部件所属的设备的颜色也会开始闪烁,可以给人较强的视觉冲击感。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,包括:虚拟化模块、OPC UA模型模块、关系模型模块、故障预测模块、虚拟化场景显示模块、历史数据库和故障回放模块;
所述虚拟化模块,用于构建车间中各设备的虚拟模型;
所述OPC UA模型模块,通过运行OPC UA信息模型获取车间中各设备的实时运行数据;所述OPC UA信息模型为采用OPC UA的建模方式建立的车间信息模型,所述实时运行数据为各设备及其子部件的各特征参数对应的实时运行数据;
所述关系模型模块,用于建立特征参数之间的关系模型;
所述故障预测模块,根据所述实时运行数据预测各特征参数是否异常,或根据所述实时运行数据以及所述关系模型预测各特征参数是否异常;
所述虚拟化场景显示模块,显示各所述设备的虚拟模型,在所述虚拟模型上显示对应的特征参数的实时运行数据,以及在某一特征参数异常时,将异常特征参数所属设备显示为报警色;
所述历史数据库,存储所述实时运行数据;
所述故障回放模块,控制虚拟化场景显示模块根据历史数据库中的运行数据按时间顺序回放。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,所述故障回放模块还用于控制所述故障预测模块根据所述历史数据库中存储的运行数据预测各特征参数是否异常,并在异常时,控制虚拟化场景显示模块在回放过程中将异常特征参数所属设备显示为报警色。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,所述系统还包括:
OPC UA服务器,存储有OPC UA信息模型,通过运行所述OPC UA信息模型与各设备通信,并获取各设备的实时运行数据,所述OPC UA信息模型为采用OPC UA的建模方式建立的车间信息模型;
所述OPC UA模型模块从所述OPC UA服务器中获取车间中各设备的实时运行数据。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,所述虚拟化模块包括:多种设备的虚拟模型。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,所述虚拟化模块包括:模型构建单元,用于构建设备的虚拟模型。
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,所述关系模型模块根据历史数据库中的运行数据,通过数据挖掘的方式来确定特征参数之间的关系模型。
7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,所述关系模型模块每隔设定周期对特征参数之间的关系模型进行一次更新。
8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,所述虚拟化模块还用于为各设备及其子部件设置名称及ID,其中,各设备及子部件的ID是唯一的。
9.根据权利要求8所述的基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,建立OPCUA模型模块中的结点与虚拟化模块中设备/子部件ID之间的对应关系,所述虚拟化场景显示模块根据所述对应关系,将OPC UA模型模块获取到的实时运行数据显示在对应的设备/子部件中。
10.根据权利要求9所述的基于数字孪生的故障复现及预测系统,其特征在于,以OPCUA模型模块中的结点的NodeId为键,以虚拟化模块中设备/子部件的ID为值,建立OPC UA模型模块中的结点与虚拟化模块中设备/子部件ID之间的对应关系。
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