案例2
ANSYS在泵系统领域基于数字孪生的CPS应用

通过IoT平台，将实物泵系统与数字泵系统连接在一起，并增加了监控平台、增强现实功能，从而开发出完整的泵系统数字孪生。

三、数字孪生的构建

（一）系统架构

本方案的架构如图1所示，采用福斯（FLOWSERVE）泵系统作为实物系统，通过布置于系统上的传感器采集数据，并通过美国国家仪器有限公司的数据采集系统将数据通过网线传递给PTC公司的IoT平台，在IoT平台上实现数据监控和仿真应用的实施。数据在到达IoT平台后传递给由ANSYS软件建模的FLOWSERVE泵系统的虚拟系统。该虚拟系统中的泵内流场分析、电机电磁场分析和电机散热采用三维降阶模型，实现了高精度、高速度仿真，为实物系统与虚拟系统的同步运行提供了可能。另外，为了增加虚拟系统的可操作性，ANSYS软件为虚拟系统设计了一套虚拟控制台，既可实现虚拟系统的离线仿真，也可实现与实物系统连接的交互式仿真与操作。

1.实物系统介绍

泵系统实物图如图2所示。本实物系统由多个厂家设备组成，实现了基本的泵循环，并通过各类传感器与数据采集设备实现了与外界的数据交换。

本例泵系统仅供演示使用，其原理如图3所示。水箱中的水经电磁阀流入泵，泵由电机驱动，泵加压后的水经电磁阀流回水箱。在这一过程中，泵的进出口安装了压力传感器，泵出口管路安装了流量计，泵壳体安装了加速度计。

2.物联网平台简介

本例采用的物联网平台是PTC公司的ThingWorx平台，其架构如图4所示，以系统的行为级模型为核心，实现平台的工业连接性、分析、设备管理和增强现实功能。本例中最核心的应用为通过该平台的工业连接性实现与实物泵系统的连接，通过分析接口实现了与ANSYS仿真平台的连接。

除了上述连接实现了实物系统与虚拟系统的连接，ThingWorx 平台还提供了实物系统参数监视平台应用与增强现实功能应用。如图 5、图 6 所示，分别为泵系统参数监控平台和泵系统增强现实图像。

3.虚拟系统建模介绍

本例虚拟系统是采用 ANSYS 软件进行建模的，其模型分成三部分：系统模型、三维降阶模型、虚拟控制台。整个模型采用系统模型的仿真工具Simplorer作为平台，将三维降阶模型与虚拟控制台集成在该平台上。图7为在Simplorer环境下的虚拟系统整体模型，由Simplorer零维模型元件搭建除泵外的其他管路系统模型，包括水箱、管道和两个电磁阀，并在与实物系统相同的位置设置虚拟传感器与系统仿真边界条件。为实现泵三维流场与管路系统的耦合仿真，对用Fluent建立的泵三维内流场仿真模型进行降阶，在确保仿真精度前提下，大幅度提高仿真速度，从而实现了该系统的实时仿真。为了确保虚拟系统的仿真精度与应用面，虚拟系统对泵的驱动电机也进行了建模。其中，电机本体采用Maxwell建立的三维电磁场与电磁力的降阶模型，电机散热三维外流场为Fluent降阶模型，电机控制模块与电机电路均由Simplorer零维模型搭建而成，电机与泵之间通过力矩与转速的信号传递实现耦合。通过上述步骤，实现管路系统、电机系统与散热系统的多物理域零维到三维耦合实时仿真模型。

4.降阶模型介绍

降阶模型生成技术是ANSYS独有的技术。通过DOE、深度学习、奇异值分解（SVD）等多种统计与数据处理技术，对三维仿真模型在指定工况参数空间内的全部工作特性进行拟合，可保持在98%三维仿真模型精度的基础上，实现仿真时间从小时级到秒级的跨越。

下面通过一个案例说明降价模型的优越性。图8为汽车发动机外壳温度场CFD与降阶模型计算对比。ANSYS通过对这一CFD仿真进行深度学习分析，获得降阶模型。在CFD仿真与降阶模型对比中，CFD仿真采用16核服务器计算2小时获得的温度场分布与降阶模型采用笔记本电脑计算3秒钟获得的温度场分布的最大误差仅为1.2%。

（二）实施步骤

数字孪生项目的实施步骤分为：1.数字孪生应用目标定义；2.虚拟模型建立；3.传感器布置；4.IoT平台部署。其中，工作量大，并且重要的步骤是建立虚拟模型。

1.数字孪生应用目标定义

由于真实系统包含多个方面，尚无法在同一个仿真模型中全部包含目前仿真技术，因此，在项目实施的最初阶段，需要对数字孪生应用目标进行定义。本项目的数字孪生应用目标定义为：通过使用数字孪生，实现泵、电机的详细运行数据获取，通过对泵、电机的详细运行数据获取，实现操作优化、故障预警、故障诊断、排故方案评估等功能。

2.虚拟模型建立

在完成数字孪生应用目标定义后，即可根据应用目标，对数字模型进行建模。根据上述目标，需首先建立泵系统的零维模型（此时的泵元件为Simplorer自带泵模型，泵的叶轮轴由Simplorer自带的转速源模型驱动）。完整泵系统的零维模型调试完成后，建立泵元件的详细三维流场仿真模型。在完成泵元件的三维流场仿真模型调试后，提取出泵元件的降阶模型，并替换掉原先泵系统中的泵元件零维模型，并进行调试。采用相同步骤建立三维电机降阶模型，并用Simplorer自带元件建立电机电路与控制模块，将三维电机降阶模型、电路模块与控制模块进行耦合调试，其中，电机负载采用扭矩源模型代替。电机系统调试完毕后，将三维电机降阶模型的输出转速作为泵的转速源模型的输入信号，将泵三维降阶模型的输出扭矩作为电机扭矩源模型的输入信号，从而实现了电机系统与泵系统的耦合。最后，建立电机散热模型，并将散热模型的输出温度场与电机的热耗率场进行耦合，实现电机包含散热效果的特性仿真。当全部调试完成后，建立虚拟模型。

3.传感器布置

在完成虚拟模型后，须考虑如何实现虚拟系统与实物系统的同步运行。因此，需要在虚拟系统边界条件输入位置和实物系统相应位置安装相应的传感器。

4.IoT平台部署

在完成传感器布置后，即可通过部署IoT平台，将传感器采集的数据与虚拟系统边界条件输入接口进行连接，将虚拟系统控制台输出信号与电磁阀控制信号输入接口连接。

四、实施效益

在实际运行中，数字孪生具有多种应用。本例通过数字孪生操作演示，实现了泵系统的故障报警、故障诊断、排故方案分析。

在运行中，首先人为引入一种故障，将泵进口处的电磁阀人为关小。此时，IoT 平台下的监控平台通过安装在泵壳体上的加速度计测量数据发现振动超标。通过大数据分析可知，在这种振幅下，轴承将在2天后失效，从而实现了故障报警功能。如图9所示，为故障报警的监控平台。

故障报警后，急需进行故障诊断，判断发生故障的原因。由于从监控平台上仅能看到各传感器的读数，因此，尚不能确认故障原因。需通过分析虚拟系统运行状况进行判断，首先，对系统仿真模型进行判断，发现在某一时刻系统内各监控参数出现阶跃式变化，如图10所示。

其次，再详细检查这一工况下的泵的三维流场，如图11所示，发现在泵的进口处出现了由于空化现象产生的水蒸气气泡。这一现象在泵系统中是不应该发生的，会造成流场不稳定，因此，这一汽化现象是造成振动超标的原因。

找到振动超标的原因后，须提出排故方案。根据管路系统常识，空化现象是由于当地压力过低造成的，因此，可通过增加上游阀门开度的方法解决这一问题。为确保排故方案的可靠性，可首先在虚拟系统上进行离线仿真，评估排故效果。图12为实施了排故方案后的泵内流场。经排故后，水蒸气气泡消失，因此，这一排故方案可应用于实物系统。

五、推广基于数字孪生的CPS新理念

数字孪生可实现实物与虚拟模型间的实时对应，具有较广阔的应用前景。

数字孪生可实现有限传感器下的无限数据获取。对于大多数产品，传感器数量有限，并且无法直接获得关键参数。通过采用高端仿真技术的数字孪生模型，可实现基于有限传感器数据的全系统仿真。通过获取仿真数据，实现全系统数据检测。

数字孪生可实现恶劣工况下的设备管理。由于数字孪生对实物系统的全数据检测能力，因此，可大大减少运行维护人员的工作量。对于恶劣工况下的设备，可通过数字孪生获取准确的检测数据。

数字孪生可为新一代产品的研发提供较准确的实际工况数据。传统产品研发的设计点往往是通过分析获得某一额定工况。通过数字孪生可全面获得产品在实际工况下的运行环境数据，从而为新一代产品的研发提供更符合实际工况的额定工作点。

数字孪生可实现更可靠、更高效的排故操作。如前述案例介绍，通过采用数字孪生，操作人员可以通过传感器数据和大量仿真数据分析故障原因，从而为更准确和高效的排故提供必要条件。

为实现上述目标，对仿真软件体系的大量部署实施，以及具体仿真问题的深入研究是不可或缺的，这也成为未来CPS发展的重要组成部分。 SMdiuPwi+kcwsYvJ87NaCl47hvB1ZC1TcdHEXXCLKv45wPW+iSva8Dh43i4N8qvr