【技术实现步骤摘要】
一种数字孪生化纤长丝卷绕车间设备管控系统及方法
[0001]本专利技术属于工业数字化和计算机科学领域，具体涉及一种数字孪生化纤长丝卷绕车间设备管控系统及方法。
技术介绍
[0002]当前，在化纤长丝卷绕车间管控方面，依然存在以下几个问题：(1)摄像头监控只能对车间整体或部分视角进行监测，不能对单个设备进行全方位的可视化监测。(2)采用传感器感知和专家经验结合的方式进行故障诊断，诊断结果可靠性与准确性不足，易造成“误报
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延报
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漏报”。(3)在实际工程中，设备故障发生频率较低，历史故障数据不足，导致基于专家经验和历史故障数据的故障预测精度低，故障预警不准确，缺乏设备关键零部件故障维修辅助和预测性维护方案。
[0004]因此，针对上述问题，本专利技术引入数字孪生技术对现有方法和系统进行改进和集成，在一定程度上提升化纤长丝卷绕车间设备管控系统的效率。
技术实现思路
[0005]本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，基于数字孪生技术，提供一种数字孪生增强的化纤...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种数字孪生化纤长丝卷绕车间设备管控系统，其特征在于，包括：数字孪生模型构建模块、多源数据采集与分析模块、数字孪生模型仿真模块、可视化管理模块、故障诊断模块、故障预测模块、服务模块和信息存储模块；1.1所述数字孪生模型构建模块，在虚拟空间中构建几何属性、物理属性、行为属性和规则属性耦合的化纤长丝卷绕车间设备的数字孪生模型，所述化纤长丝卷绕车间设备包括卷绕机、落丝车、暂存台、转运车、丝车、链机和回转台；化纤长丝卷绕车间设备的数字孪生模型包括卷绕机数字孪生模型、落丝车数字孪生模型、暂存台数字孪生模型、转运车数字孪生模型、丝车数字孪生模型、链机数字孪生模型和回转台数字孪生模型；所述几何属性建立设备数字孪生模型的三维几何模型，体现其外观形状、尺寸大小、内部结构、空间位姿和装配关系；所述物理属性包含化纤长丝卷绕车间设备结构力学、热力学和材料力学特性；所述行为属性包含化纤长丝卷绕车间设备加速、减速、急停和旋转的运动行为，化纤长丝卷绕车间设备关键零部件的性能退化行为，外界扰动行为；所述规则属性包含化纤长丝卷绕车间设备间的关联规则、约束规则、历史经验和专家知识；1.2所述多源数据采集与预处理模块，包括：(1)多源数据采集模块，配置多源数据采集接口的通讯方式与参数，包括IP地址、端口和波特率；对化纤长丝卷绕车间设备进行实时数据采集，并将采集到的原始数据传输到信息存储模块108；(2)数据预处理模块，具体包括：数据筛选模块，对原始数据进行清洗和筛选，去除重复和不全的数据；数据分类模块，基于化纤长丝卷绕车间设备种类对数据筛选结果进行分类，并建立设备数据集；数据特征提取模块，针对化纤长丝卷绕车间设备分类数据集，提取能够表征设备运行状态的时域特征和频域特征；1.3所述数字孪生模型仿真模块，具体包括：(1)虚实映射模块，建立虚拟空间中化纤长丝卷绕车间设备的数字孪生模型与物理空间中化纤长丝卷绕车间设备之间的通讯接口，映射关系；(2)仿真与评估模块，基于虚实映射关系，根据历史数据和实时感知数据驱动数字孪生模型，对化纤长丝卷绕车间设备工作过程进行可视化模拟和评估，可视化模拟和评估包括：数字孪生模型构建模中的几何属性，对设备外观形状、尺寸大小、内部结构、装配关系进行可视化；数字孪生模型构建模块中的物理属性，模拟设备材料退化过程和运动学原理，评估材料特性；数字孪生模型构建模块中的行为属性，在虚拟空间中体现化纤长丝卷绕车间设备行走行走、机体旋转行为、平台上升/下降行为、机构推出/收缩行为；数字孪生模型构建模块中的规则属性，在虚拟空间中对领域标准、相关准则、历史经验进行评估；(3)虚实交互模块，基于虚实映射关系和接口，实现虚实交互；通过传感器实时感知化纤长丝卷绕车间设备状态信息，对数字孪生模型进行更新与优化，即以虚映实；基于仿真与评估结果优化化纤长丝卷绕车间设备运行决策，即以虚控实；
1.4所述可视化管理模块，具体包括：(1)设备可视化模块，用于显示数字孪生模型构建模块所构建的化纤长丝卷绕车间设备的数字孪生模型；(2)数据可视化模块，基于多源数据采集与分析模块将数据分析结果，提供支持常用的统计图表可视化展示，包括：设备运行信息、设备状态信息、设备报警信息、历史数据和产品信息，并支持钻取、联动及链接的交互操作，通过人机界面帮助用户洞察数据背后的知识；1.5所述故障诊断模块，具体包括：(1)故障分类模块，根据数字孪生模型构建模块中的物理属性和规则属性，对卷绕车间内卷绕机、落丝车、转运车、链机、回转台设备的所有故障进行分类，分类成机械系统故障和电气系统故障两大类，得到故障分类结果；(2)故障树模块，基于故障分类结果，分别构建各设备的故障树；(3)故障诊断模块，当化纤长丝卷绕车间设备发生故障报警时，基于故障树梳理故障所属类别，故障发生位置和故障原因，对设备关键零部件进行故障诊断；1.6故障预测模块，具体包括：(1)数字孪生模型驱动的故障预测模块，根据数字孪生模型构建模块中的物理属性，利用包含化纤长丝卷绕车间设备材料性能退化过程的数字孪生模型对设定故障工况进行故障发生过程仿真，预测设备故障发生的时间和位置；设定故障工况具体包括：三种单故障状态和三种复合故障状态；所述三种单故障状态电机转矩增加状态、变频器输出过流状态、轴承磨损状态；所述三种复合故障状态，电机转矩增加与变频器输出过流复合状态、电机转矩增加与轴承磨损状态、变频器输出过流与轴承磨损复合状态；(2)数据集获取模块，基于设备历史故障数据和数字孪生模型仿真模块产生的故障模拟数据，建立故障预测模型训练数据集；(3)数据模型驱动的故障预测模块，利用训练数据集进行神经网络模型训练，对化纤长丝卷绕车间设备预计发生的故障时间和位置进行预测；(4)数模融合驱动的故障预测模块，结合数字孪生模型驱动的故障预测模块中仿真预测结果与数据模型驱动的故障预测模块中神经网络预测结果，采用融合算法对二者预测结果进行融合，得到更加准确的设备故障预测结果；1.7所述服务模块，具体包括：(1)设备状态实时监控服务模块，提供化纤长丝卷绕车间设备所见即所得的实时运行状态全方位可视化监控服务；(2)故障维修辅助服务模块，根据故障诊断结果，为维修人员提供相应的维修方案；(3)故障预警服务模块，基于故障预测结果，提供故障预警服务，所述故障预警服务包括：化纤长丝卷绕车间设备关键零部件故障预计发生位置和预计发生时间；(4)预测性维护服务模块，基于故障预测结果对设备状态进行健康评估，提供化纤长丝卷绕车间设备关键零部件预测性维护方案；(5)产品质量追溯服务模块，基于化纤长丝卷绕过程及卷绕机加工参数，利用数字孪生模型仿真，对化纤长丝卷绕质量进行预测，并将预测结果记录到信息存储模块，以便对产品质量进行追溯；1.8所述信息存储模块，用于数据存储，包括：
(1)实时数据存储，物理空间中化纤长丝卷绕车间设备实时运行数据，所述实时运行包括：状态数据、故障数据和报警数据；(2)虚拟数据存储，虚拟空间中数字孪生模型仿真模块所产生的孪生数据，所述孪生数据包括：模拟数据和评估数据；(3)产品数据存储，所述产品数据包括：产品批号、生产批次、重量和数量；(4)历史数据存储，所述历史数据包括：设备历史运行数据、历史故障数据和历史维护数据。2.根据权利要求1所述的数字孪生化纤长丝卷绕车间设备管控系统，其特征在于：所述故障诊断模块中的故障树模块，基于机械故障和电气故障两大故障类型，并结合数字孪生模型构建模块中规则属性中的专家知识、历史经验，构建化纤长丝卷绕车间设备的故障树，用于表示故障发生的原因，辅助故障诊断；所述故障树基本结构为：
①
卷绕机故障树，根据卷绕机运行原理和电气原理，按下述步骤建立卷绕机的故障树：首先以“卷绕机不能正常工作”作为故障树顶事件，从切断器切不断丝束、丝辊转动不灵活、丝辊振动大、主电路故障、...
【专利技术属性】
技术研发人员：程江峰，陶飞，王勇，徐慧，邹孝付，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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