西門子S7-300AI模塊西門子S7-300AI模塊

虛擬傳感器為大型電機開啟高效之門

西門子研究人員開發的虛擬傳感器不必借助安裝在電機內部的傳感器，即可計算出電機內部溫度。籍此得到的信息可以避免不必要的停機——這一改進將大大降低運營成本。

諸如壓縮氣體用的大型電機的轉子，盡管龐大如房間，但卻難以進入。這種轉子在啟動時產生的熱應力很高，一旦過熱就會造成損害。因此，必須監測其溫度。

驅動這種轉子的電機是所謂的凸極電機，這些巨大的機器在石油、天然氣及化工行業常用于驅動大功率泵機。由于未配備變頻器，直接連接至電網，它們在啟動時會產生大量的熱量。若反復啟動，其內部溫度可能飆升至800°C，從而可能造成嚴重損害。為此，在重新啟動之前，必須讓電機冷卻下來。問題是：需要多長時間？電機內部關鍵區域的溫度無法直接測量。這樣一來，技術人員迄今為止只能估計冷卻時長。一般而言，專家會設定一個緩沖期，以排除發生損害的可能性。這樣的停機往往長達12小時，比實際冷卻用時長得多，故而令經營者蒙受巨大損失。

透過增強現實頭盔來觀看電機演示器，佩戴者可以看到電機及其內部的逼真模擬，以及疊加于其上的真實演示器。

虛擬傳感器

現在，得益于西門子研究院（CT）開展的工作，研究人員可以利用虛擬傳感器來測量和監測電機在運行狀態下的內部溫度。這一發展有助于顯著減少停機時間，提高設備利用率。虛擬傳感器原型的數學模型基于數字化雙胞胎——它精確地模擬了真實的傳感器若能裝入電機內部將如何工作。透過增強現實頭盔HoloLens來觀看電機演示器，佩戴者可以看到電機及其內部的逼真模擬，以及疊加于其上的真實演示器。從藍色到紅色的不同顏色表明了溫度水平。

西門子研究院的仿真專家Birgit Obst表示，“我們借鑒了西門子過程工業與驅動集團，特別是柏林西門子電機工廠同事們的工作成果。他們在開發電機時，使用了數學模型來捕捉驅動裝置的幾何形狀和材料特性，以便創建出每個組件的數字化雙胞胎。”但這些模型極為廣泛且又復雜，因而通常無法用于實時計算。在解決這一挑戰的過程中，西門子研究人員取得了兩個重大進展：他們成功地運用了數學規約方法，并且成功地推導出抽象模型，盡管這些模型不那么全面，但仍可得出關鍵的模擬結果。這些模型的計算速度比傳統工程仿真工具快1000倍，并且精度偏差更小、可控。得益于此，西門子開發出可在運行期間持續進行監測的數字化雙胞胎。這些數字化雙胞胎可以隨時提供現實的虛擬圖像。通過將虛擬傳感器生成的數據與非運動組件上的傳感器生成的數據進行比較，可量化虛擬傳感器的精度。

節省費用

利用西門子研究人員開發出的新模型，可以得出關于電機轉子溫度的可靠結論。西門子研究院仿真與數字化雙胞胎核心技術領域的協調員Dirk Hartmann指出，“打個比喻，這就像是天氣預報。現在，我們可以測量——換句話說，計算出——特定地點的溫度，在本例中亦即轉子的溫度。不僅如此，綜合利用各個測量點——相當于氣象站——提供的數據，我們可以對所有區域進行預測，而不只是被測量的區域。”

這種能力可以為經營者節省大筆費用。西門子過程工業與驅動集團在柏林的開發人員Artur Jungiewicz表示，“這樣的優化過程可以防止電機過熱，并縮短冷卻階段的停機時間，由此每小時節省可多21萬歐元。”這種模擬的另一個特殊特性是其速度：現在溫度變化方向也可以得到實時監測并預測。

演示實踐

一個桌子大小的演示器展示了西門子仿真系統的工作方式：一根軸將兩臺小電機連接起來。左側電機使右側電機減速，并在此過程中產生持續負荷。傳感器測量電機外部溫度。與此同時，運行時長和負荷的數據就能被收集到。仿真系統應用這些輸入參數和電機的有關數學模型，計算出右側驅動裝置內部溫度，預測溫度變化。

Hartmann表示，“我們的虛擬傳感器非常精確，近乎于直接測量溫度。原型機測量出當前溫度，并預測未來可以重新啟動電機的時間點。”源自工程系統的基礎模型為我們“提供了寶貴的技術專長基礎，使我們的方法有別于競爭對手所采用的*基于數據的過程。”Obst如是說。Hartmann補充道，“工程模型集成鏈為在線模擬和校準奠定了基礎，這是的賣點。”

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