探討面向檢修的水電設(shè)備數(shù)字化建模

探討面向檢修的水電設(shè)備數(shù)字化建模摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的使用越來越廣泛。本文針對(duì)水電設(shè)備狀態(tài)檢修的需求，在三維動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了設(shè)備數(shù)字化建模的方法。這種方法有機(jī)結(jié)合了對(duì)象設(shè)備的數(shù)字特性與可視化模型，讓數(shù)字化模型能夠自動(dòng)識(shí)別設(shè)備狀態(tài)，將設(shè)備的運(yùn)行與健康狀態(tài)全面反映出來，為設(shè)備故障的診斷打下了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：水電設(shè)備狀態(tài)檢修數(shù)字化建模StudyofdigitizedmodelingofthehydraulicgeneratingdeviceChenXiaoboChongqingnewCityRealEstateDevelopmentCompanyLimited400037Abstract:withthedevelopmentofscienceandtechnology,the3Ddynamicsimulationtechnologyisusedmoreandmorewidely.Thispaperaimedattherequirementofcondition-basedmaintenanceofhydroelectricfacilities,the3Ddynamicsimulationtechnologyofdevicesisproposedbasedonthedigitizedmodelingmethod.Thismethodcombinestheobjectequipmentdigitalcharacteristicsandvisualizationmodel,letthedigitalmodelisabletoautomaticallyidentifythestateofequipment,theequipmentoperationandhealthfullyreflected,faultdiagnosisforequipmentfoundation.Keywords:hydropowerequipmentstatemaintenanceofdigitalmodeling在一個(gè)設(shè)備的整個(gè)生命周期里，它包括了三個(gè)方面：運(yùn)行、維護(hù)、技術(shù)管理，而連接這三個(gè)方面的紐帶是設(shè)備信息。設(shè)備信息的管理又恰恰是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，從目前來看設(shè)備信息的管理系統(tǒng)一般都能將設(shè)備信息分類與電子化，然后提供一些專用的軟件對(duì)這些信息進(jìn)行系統(tǒng)的管理、查詢以及維護(hù)。但這種方式只能機(jī)械地進(jìn)行設(shè)備信息的存儲(chǔ)，而不能識(shí)別出信息本身所具有的物理含義，依然需要人的輔助作用，依靠人進(jìn)行分析決策。電子計(jì)算機(jī)的飛躍式發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)模擬人的分析、學(xué)習(xí)以及決策成為了可能。在水電行業(yè)，自動(dòng)化的運(yùn)行與管理已經(jīng)走上了正軌，但是設(shè)備信息依然存在非智能化的缺陷，導(dǎo)致了自動(dòng)化的運(yùn)行水平并不高，這就需要電子計(jì)算機(jī)時(shí)代下的數(shù)字化建模介入，以此提高設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行水平。一、設(shè)備數(shù)字化建模概述設(shè)備數(shù)字化建模指的是通過對(duì)設(shè)備的分析，繼而采用可視化的建模技術(shù)建立相關(guān)設(shè)備的可視化模型，然后利用信息關(guān)聯(lián)技術(shù)將可視化的模型同設(shè)備的信息關(guān)聯(lián)起來，以使電子計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)、辨別設(shè)備的運(yùn)行與健康狀態(tài)、反應(yīng)設(shè)備的故障機(jī)理的一種建模方式。它主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（一）基礎(chǔ)不論是傳統(tǒng)建模技術(shù)還是數(shù)字化建模技術(shù)，它們的基礎(chǔ)都是對(duì)象分析技術(shù)。傳統(tǒng)建模技術(shù)一般只對(duì)對(duì)象的運(yùn)行規(guī)律與物理原理進(jìn)行分析，得到了相應(yīng)的物理運(yùn)動(dòng)限制條件與方程后，再進(jìn)行抽象與簡(jiǎn)化，最終以狀態(tài)方程等方式進(jìn)行特征的描述。新興的設(shè)備數(shù)字化建模對(duì)對(duì)象的物理構(gòu)成的結(jié)構(gòu)以及對(duì)象的功能與性能特性都有了一定的分析，而對(duì)象結(jié)構(gòu)的分析恰好就是其與傳統(tǒng)建模不同的典型特征。數(shù)字化建模方式對(duì)于特性的分析目的在于獲取對(duì)象相應(yīng)的物理運(yùn)動(dòng)方程，同時(shí)它也是進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)。（二）步驟設(shè)備的數(shù)字化建模包括了以下幾個(gè)方面：1）對(duì)象的全面分析；2）對(duì)象的可視化建模；3）對(duì)象的數(shù)字特性建模；4）對(duì)象的可視化模型與數(shù)字化模型的融合，即數(shù)字化建模。這也相當(dāng)于設(shè)備數(shù)字化建模的流程。在數(shù)字化建模中，對(duì)于設(shè)備的可視化模型而言，它的裝配是分層進(jìn)行的。具體操作中，設(shè)備的層次分割是在物理分析過程中進(jìn)行的，當(dāng)層次分割完畢，繼而進(jìn)行相應(yīng)的裝配工作，要根據(jù)實(shí)際裝備工藝進(jìn)行分層組裝，直到完成最后的總體裝配。無獨(dú)有偶，數(shù)字特性模型的組裝方式與可視化模型組裝方式一樣，也是根據(jù)分層原理進(jìn)行，其中包括了連接內(nèi)部的數(shù)字特性模型，還有相應(yīng)的抽象與簡(jiǎn)化，最后才能完成完整的數(shù)字特性模型。在這些步驟中，數(shù)字化建模乃是整個(gè)設(shè)備數(shù)字化建模的關(guān)鍵，包括了兩個(gè)非常重要的部分：一是可視化模型和數(shù)字特性模型之間的運(yùn)行消息的映射；二是可視化模型和數(shù)字特性模型之間的設(shè)備狀態(tài)的映射。此外，支持可視化模型同數(shù)字特性模型之間的融合的主要依據(jù)的是特定化的軟件平臺(tái)，而當(dāng)前還沒有這樣特定化的通用軟件平臺(tái)。（三）關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備數(shù)字化建模是一個(gè)比較復(fù)雜、技術(shù)含量較高的過程，其中需要運(yùn)用各種各樣的手段技術(shù)，比如可視化的建模技術(shù)、信息的統(tǒng)計(jì)與分類、信息的處理、專家系統(tǒng)以及數(shù)字特性的建模技術(shù)等?？梢暬Ｊ且环N基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與圖形的建模方式?，F(xiàn)實(shí)操作中，一般要根據(jù)不同設(shè)備采取不同的可視化建模方式。液壓、機(jī)械以及部分電氣設(shè)備，一般采用的是三位實(shí)體的建模方式，這樣能夠形象具體地描述這些設(shè)備真實(shí)的物理過程；某些電氣設(shè)備與電子設(shè)備，主要采用的是圖形、框圖或圖像來進(jìn)行描述，這樣能夠有效解決這些設(shè)備的外形多樣性與不確定性。信息的統(tǒng)計(jì)與分類的主要作用在于專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備的資料分類與收集整理。信息處理技術(shù)一般用于模型信息的輸入輸出管理。專家系統(tǒng)的主要功能是為了定義相關(guān)設(shè)備的故障模式、調(diào)整故障等級(jí)與概率、編輯相應(yīng)的故障辨識(shí)及維修方法等。設(shè)備的數(shù)字特性建模與傳統(tǒng)特性建模方式有著明顯的不同，主要表現(xiàn)在其能夠?qū)崿F(xiàn)故障的仿真，并且能考慮相應(yīng)的失效模式，建立一種完整的特性仿真計(jì)算模型。（四）目標(biāo)應(yīng)用設(shè)備數(shù)字化模型的時(shí)候需要相關(guān)的信息系統(tǒng)支持，使用其開發(fā)的相關(guān)軟件系統(tǒng)能夠辨別設(shè)備的運(yùn)行與健康狀態(tài)、自動(dòng)識(shí)別相關(guān)的物理結(jié)構(gòu)、反應(yīng)設(shè)備的故障機(jī)理與表現(xiàn)，在一定程度上提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，提高相關(guān)設(shè)備信息的可操作性與可理解性。二、水電設(shè)備的數(shù)字化建模的具體方法分析水電設(shè)備中有一個(gè)非常重要的設(shè)備是水輪發(fā)電機(jī)組，它是由機(jī)械、電氣、液壓等設(shè)備共同組成的一個(gè)比較復(fù)雜的大型設(shè)備，并且它還可以分成七個(gè)系統(tǒng)：水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、軸系、勵(lì)磁系統(tǒng)、變壓器、開關(guān)電氣系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)以及調(diào)速系統(tǒng)。為了形象具體地解釋水電設(shè)備的數(shù)字化建模，本文將以主接力器（搖擺式）為例。（一）主接力器的設(shè)備分析本文中的搖擺式主接力器包括了密封組件、安裝部件、活塞組件、前蓋組件后蓋組件、缸體以及分油器七個(gè)部分，這些部分還可以繼續(xù)分割，比如活塞組件設(shè)備，它的分析部分包括以下內(nèi)容：1）主要組成：活塞、活塞環(huán)、推拉環(huán)、螺母；2）運(yùn)動(dòng)過程：活塞組件沿著缸體作直線式運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍從0到缸體的有效長(zhǎng)度；3）連接關(guān)系：與缸體是一種滑動(dòng)的連接，推拉桿的輸出端口應(yīng)該鉸接在相應(yīng)的控制環(huán)上；4）輸入輸出：輸入的主要是從主配壓閥來的液壓油的壓力與流量，輸出的則是控制環(huán)的位移與力。（二）主接力器的可視化建模在前文中提到了何種設(shè)備中使用何種可視化建模的方式，這同樣適用于主接力器的建模。對(duì)于主接力器的可視化建模而言，主要包括以下兩個(gè)步驟：1、零部件的建模（1）對(duì)相關(guān)的主接力器進(jìn)行藍(lán)圖的設(shè)計(jì)，或者測(cè)量并獲取每一個(gè)零部件的形狀與尺寸信息，并用相關(guān)的軟件建立每個(gè)零部件的相關(guān)三維實(shí)體模型；（2）三維實(shí)體建模完畢，便對(duì)模型中每個(gè)零部件的真實(shí)材質(zhì)與顏色進(jìn)行渲染渲染的相似度與現(xiàn)實(shí)越接近，效果越好；（3）對(duì)模型中的零部件進(jìn)行相應(yīng)物理性質(zhì)的標(biāo)注，比如粘度、密度以及表面的紋理等。2、模型的裝配模型的裝配應(yīng)該基于真實(shí)的物理結(jié)構(gòu)，應(yīng)該對(duì)對(duì)象進(jìn)行詳細(xì)的分析與了解，在進(jìn)行裝配的時(shí)候應(yīng)該按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：1）基準(zhǔn)零件的選擇；2）進(jìn)行約束關(guān)系的定義；3）運(yùn)動(dòng)范圍的限制；4）動(dòng)畫過程的制作。（三）主接力器的數(shù)字特性建模由于傳統(tǒng)仿真建模無法表達(dá)出非數(shù)據(jù)信息與非線性環(huán)節(jié)，因此這里采用的特性建模方式是分布式的物理圖建模方法。這種方法的主要思想在于分析物理機(jī)理，依據(jù)分析結(jié)果，再以系統(tǒng)內(nèi)的能量流與信號(hào)流為線索，建立一種分布式的物理網(wǎng)模型，以此描述實(shí)際的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和系統(tǒng)狀態(tài)。（四）主接力器的數(shù)字化建模在一定層面上，數(shù)字化的建模實(shí)際上就是可視化模型與數(shù)字特性模型之間的一種消息映射，需要相應(yīng)的軟件平臺(tái)支持，而我國(guó)目前通用的軟件平臺(tái)很大程度上無法滿足這種需求。因此，這就需要不斷探索與創(chuàng)新，以適應(yīng)新時(shí)代的數(shù)字化建模的需求。但目前我國(guó)還是有一些自行研制的設(shè)備數(shù)字化建模軟件平臺(tái)，能夠有效實(shí)現(xiàn)兩者之間的消息映射。主接力器在這兩者之間的消息映射包括以下幾個(gè)方面：運(yùn)行消息、維修過程消息以及狀態(tài)消息。在進(jìn)行主接力器的數(shù)字化建模過程中，務(wù)必做好這幾個(gè)方面的消息映射，因?yàn)檫@幾個(gè)方面都是消息映射的重點(diǎn)。三、結(jié)語水電設(shè)備數(shù)字化模型在我國(guó)水電機(jī)組檢修信息系統(tǒng)中已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，并且成功取得了效果。設(shè)備數(shù)字化模型在檢修信息系統(tǒng)中的應(yīng)用水平關(guān)系著相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的查看，因此必須提高重視程度，才能將水電設(shè)備信息檢修過程變得更加的方便快捷而且實(shí)用。參考文獻(xiàn)：陳燚濤，李朝暉.全狀態(tài)數(shù)字化建模及其在水電機(jī)組維護(hù)中的應(yīng)用J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20（2）:499-505.陳森.淺談制