Siemens Process Instrumentation использует решение Simcenter для прогнозирования характеристик позиционера SIPART PS2

Повышение эффективности перерабатывающих отраслей промышленности

Перерабатывающая промышленность отличается высокой сложностью технологического оборудования, состоящего из огромного числа деталей и узлов. Это относится ко всем типам перерабатывающих производств: энергетике, нефтегазовой, пищевой, химической, фармацевтической, биотехнологической промышленностей и производству потребительских товаров.

Для повышения производительности и энергоэффективности заказчики компании Siemens Process Instrumentation должны решать множество задач, среди которых – применение интеллектуальных электропневматических позиционеров – устройств, контролирующих позиционирование технологических клапанов с помощью сжатого воздуха. Впуская или выпуская сжатый воздух, позиционер обеспечивает требуемое давление в приводе, исполняющем подаваемые команды.

Подразделение Siemens Process Instrumentation проектирует и изготавливает позиционер модели SIPART PS2, который применяется для управления клапанами в каналах любого сечения – от нескольких миллиметров до огромных труб трехметрового диаметра. Объем подаваемого воздуха при этом существенно отличается, как и скорость заполнения исполнительного устройства воздухом (либо выпуска воздуха из него). Преимущество позиционера SIPART PS2 – точное исполнение команд при работе с любыми клапанами. Такая универсальность приводит к появлению миллионов различных исполнений изделия для работы с разными моделями и типоразмерами исполнительных устройств, а также в разнообразных условиях окружающей среды (например, при разной температуре и давлении).

Испытания множества вариантов обходятся слишком дорого

Филипп Лабалетт (Philippe Labalette), руководитель проектов отдела исследований и разработок подразделения Siemens Process Instrumentation, возглавляет создани SIPART PS2. Лабалетт рассказывает об одной особенно трудной проблеме при разработке технологических систем: «При каждом внесении изменения в конструкцию нам нужно проверять, что позиционер по-прежнему сможет работать cо всеми типами клапанов и приводов. Разумеется, можно проверить все комбинации в испытательной лаборатории. Но это потребует огромных временных и финансовых затрат, так как придется проводить тысячи испытаний».

Проведение испытаний в виртуальной среде помогло бы сэкономить и время, и деньги. Поэтому Лабалетт решил изучить возможности автоматического выполнения виртуальных испытаний миллионов различных исполнений конструкции. Виртуальные испытания позволяют быстро оптимизировать как стандартные, так и очень сложные сценарии, оценивая характеристики позиционера с учетом комплексных многодисциплинарных взаимодействий входящих систем.

Виртуальные испытания при помощи цифрового двойника

Лабалетт создал среду для виртуальных испытаний в сотрудничестве со специалистами службы Simcenter™ Engineering, входящей в состав подразделения Siemens PLM Software. «Вместе с Simcenter Engineering мы разработали своего рода мастер, позволяющий автоматически комбинировать различные системы клапанов, моделируемых в Simcenter Amesim, с различными параметрами позиционера, – рассказывает Лабалетт. – Сотрудники Simcenter Engineering помогли создать виртуальную среду для испытаний, выполняющую полное численное моделирование взаимодействия позиционера, привода и клапана на основе технологии цифровых двойников, реализованной в решениях Simcenter Amesim™ и Simcenter 3D. Цифровые модели содержат все необходимые характеристики деталей и узлов». 

Например, в случае позиционера, в модели представлены его размер и материал, а также скорости подачи различных объемов воздуха. Среда для виртуальных испытаний моделирует энергопотоки от позиционера к приводу и затем к клапану. 

В виртуальной среде специалисты задают параметры конкретного оборудования: диаметр трубопроводов, рабочую среду, условия окружающей среды и требуемые характеристики клапанов и приводов. «В нашей среде для виртуальных испытаний мы за один раз последовательно и автоматически проверяем работоспособность всех возможных комбинаций, – поясняет Лабалетт. – А средство постпроцессирования позволяет эффективно анализировать тысячи различных сочетаний и очень быстро находить оптимальный вариант».

Точная настойка цифровых двойников клапанов в системах Simcenter Amesim и Simcenter 3D

Именно продукты семейства Simcenter обеспечили создание цифровых двойников клапанов. «При проектировании SIPART PS2 мы применяем Simcenter Amesim и Simcenter 3D, – продолжает Лабалетт. – Инструменты Simcenter оказались исключительно полезными при оценке характеристик сложных систем на самых ранних этапах проекта. Это сократило трудоемкость испытаний на заключительных этапах и число ошибок при расчетах».

«Основная трудность при проектировании интеллектуального позиционера – это необходимость создания максимально универсальной конструкции, подходящей ко всем трубопроводам и выпускаемым приводам. Число комбинаций оказывается огромным», – отмечает Робин Бургер (Robin Burger), конструктор механических узлов и специалист по численному моделированию отдела исследований и разработок подразделения Siemens Process Instrumentation, входящий в проектную группу SIPART PS2.

Применяя решения семейства Simcenter, сотрудники отдела исследований и разработок создали цифровую копию пневмоклапанов. В состав Simcenter Amesim входят многочисленные библиотеки базовых элементов систем, на основе которых строятся цифровые двойники. «Мы применяли Simcenter Amesim для расчета очень сложных систем, определяя их характеристики до изготовления реальных деталей», – отмечает Бургер. Он использовал Simcenter Amesim при моделировании самых разных видов взаимодействий в системе, включая расчет потоков жидкостей и газов, тепломеханических явлений и электрических сигналов. «Преимущество Simcenter Amesim состоит в очень быстром создании моделей сложных мехатронных узлов при помощи встроенных библиотек. В итоге получаются исключительно точные и высококачественные расчетные модели». Применяя решения семейства Simcenter, сотрудники отдела исследований и разработок создали цифровую копию пневмоклапанов. В состав Simcenter Amesim входят многочисленные библиотеки базовых элементов систем, на основе которых строятся цифровые двойники. «Мы применяли Simcenter Amesim для расчета очень сложных систем, определяя их характеристики до изготовления реальных деталей», – отмечает Бургер. Он использовал Simcenter Amesim при моделировании самых разных видов взаимодействий в системе, включая расчет потоков жидкостей и газов, тепломеханических явлений и электрических сигналов. «Преимущество Simcenter Amesim состоит в очень быстром создании моделей сложных мехатронных узлов при помощи встроенных библиотек. В итоге получаются исключительно точные и высококачественные расчетные модели».  

Бургер также применил Simcenter 3D для расчета характеристик потока. «Расчет потоков позволил нам уточнить результаты моделирования в Simcenter Amesim, – отмечает Бургер. – Мы берем данные из Simcenter 3D и добавляем их к модели в Simcenter Amesim, повышая ее точность. Применение продуктов из линейки Simcenter помогает нам создавать более эффективные конструкции и быстро решать задачи, которые ставят перед нами заказчики». Высокая точность моделей также экономит время на этапе эскизного проектирования и дает возможность лучше изучить поведение систем.

Обслуживание по техническому состоянию

Организация обслуживания по техническому состоянию – одно из основных преимуществ применения численного моделирования. Подразделение Siemens Process Instrumentation планирует самое широкое внедрение виртуальных двойников уже выпускаемых и новых изделий для проведения их испытаний в виртуальной среде. Например, в будущем заказчики смогут проводить виртуальные испытания продукции компании Siemens в требуемых им приложениях, применяя виртуальные модели для поиска оптимальных проектных решений. Для этого инженеры разрабатывают простое в использовании онлайн приложение для работы с цифровыми двойниками приводов и клапанов различных производителей. Область применения цифровых двойников этим не ограничивается. Получая реальные эксплуатационные данные, инженеры смогут использовать их в расчетных моделях, моделировать дальнейшую работу детали или узла, заранее выявляя возможные отказы.

«Мы хотим иметь возможность запускать модели Simcenter Amesim в облаке параллельно с работой реального устройства, – поясняет Лабалетт. – Применяя алгоритмы машинного обучения, мы хотим настраивать параметры модели так, чтобы она точно соответствовала параметрам реального изделия. Тогда станет возможным точно оценивать фактический срок службы каждой детали». Обслуживание по техническому состоянию устраняет потенциальные проблемы, не допуская дорогостоящих простоев.