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?案例 | 智能冲浪池:结合物联网与数字孪生技术构建全球化智能冲浪设施

2021-10-15 13:12| 发布者: admin| 查看: 108| 评论: 0

摘要: 作者:机器之能西门子以Xcelerator数字化产品组合及Simotion高端运动控制系统为核心,搭配Simcenter、MindSphere等多款组件为其打造并部署了全流程数字化解决方案。方案结合数字孪生技术,通过构建3D虚拟模型简化波 ...
作者:机器之能


西门子以Xcelerator数字化产品组合及Simotion高端运动控制系统为核心,搭配Simcenter、MindSphere等多款组件为其打造并部署了全流程数字化解决方案。方案结合数字孪生技术,通过构建3D虚拟模型简化波浪设计的调参与测试工作;基于物联网技术,可实时远程监控造浪设施运行状态,通过预测性分析让运维人员在故障前及时调参修复;借助生命周期管理系统及协同软件,帮助团队在单一地点对全球业务处的数据及文档进行集中管理及实时修改。

人工造浪池设施: 高额产品设计与运维成本制约设施,亟待智能技术实现数字化转型

Surf Loch是一家冲浪设施供应商,总部位于美国加州,自20世纪80年代开始研发造浪技术。该公司通过在水池旁设置数个沉箱,通过控制沉箱吸水-排水的总量和时机组合来构建不同类型的波浪,为冲浪初学者和资深冲浪者等不同水平的用户提供足以媲美真实海洋环境的冲浪体验。然而,伴随公司业务发展,该公司开始面临一系列挑战:为实现可复制的波浪塑造,Surf Loch的造浪设施需要实现极为精密的控制。

在波浪设计方面,Surf Loch需要反复测试引擎、沉箱、阀门等设施质检的配合,部分设计甚至需要搭建物理模型以验证其造浪方案;

在设施运营方面,稳定复制成功上线的波浪类型对设施控制能力及其依赖,当造浪池运作异常,团队往往需要重启整套系统以恢复造浪设施的工作。

此外,伴随企业发展,Surf Loch的业务开始在全球范围蔓延,各地设备的调参和运维工作对技术专员的需求急剧增加,因此该公司亟需一套数字化解决方案以缓解其波浪设计、控制、管理及运维等方面的痛点。

造浪池数字化案例解析:以西门子为Surf Loch打造全流程数字化解决方案为例


针对Surf Loch造浪池业务的数字化需求,西门子以Xcelerator数字化产品组合及Simotion高端运动控制系统为核心,搭配Simcenter、MindSphere等多款组件为其打造并部署了全流程数字化解决方案。方案结合数字孪生技术,通过构建3D虚拟模型简化波浪设计的调参与测试工作;基于物联网技术,可实时远程监控造浪设施运行状态,通过预测性分析让运维人员在故障前及时调参修复;借助生命周期管理系统及协同软件,帮助团队在单一地点对全球业务处的数据及文档进行集中管理及实时修改。

一、 核心设施 


Xcelerator 数字化工业软件和服务组合

Xcelerator集成了一整套西门子数字化工业软件和服务,包括专业的多学科工具软件和知识库,旨在连接信息技术、工业技术和工程技术环境。Xcelerator组合囊括西门子数字化创新平台(包括NX、Simcenter、Teamcenter等产品组件)、 开放式物联网操作系统MindSphere、云解决方案等模块,可针对企业数字化过程中的不同场景实现客制化方案组合,高效构建、整合和扩展已有的数据和网络系统。

高端运动控制系统Simotion

Simotion是西门子的高端运动控制系统,具备高度模块化特征,可用于构建多种机械设备的控制解决方案。系统包含硬件平台、系统团建、工程组态软件等产品模块。其中SCOUT TIA,客户可在全集成自动化博途 (TIA Portal) 中进行一致的工程组态。驱动器内集成的SINAMICS 安全功能也可用于定制化的安全方案。SIMOTION 支持面向对象的编程 (OOP)、OPC UA 通信协议以及不使用硬件而在工程组态时进行用户程序测试。

二、以高端控制系统打造个性化波浪


相比于大多数造浪池只能进行简单的推水,Surf Loch的优势在于能其对波浪的塑造能力。不论是冲浪初学者还是专家级选手,用户可基于自身冲浪水平选择不同形态和强度的波浪来进行练习。然而,要打造一个适合冲浪的波浪必需确保在水流离开沉箱(caisson,即造浪气室),并随重力推行的同时,在传播、幅度和波长等方面均达到最佳状态。Surf Loch必须使用合适的软件,其精确程度必须足以掌控用来控制空气、水力以及用于破浪的阀门。



为此,西门子通过为其部署高端控制系统Simotion来实现高精度的运动控制任务。通过TIA Portals联通Surf Loch的动力自控面案板与Simotion,工程师可通过西门子的WinCC(视窗控制中心)对造浪设施发出指令,从动力源着手,控制不同的电机驱动鼓风机,帮助开口位于水池中的沉箱带来足够的动能,按照不同的节奏进行吸水和排水,由此生成个性化的波形。在此过程中,各项设施质检配合的误差不超过千分之一秒。

三、数字孪生技术加速波浪设计工作


为涉及不同类型的波浪,Surf Loch会对各个不同类型的沉箱进行相应的增量式控制,进而实现不同的运动模式与波形。而波浪设计的工作涉及繁琐的计算、仿真与模拟工作。若有必要,团队甚至需要建造一个真实水池1/10尺寸的物理模型进行测试。

对于波浪设计工作的效率和成本问题,西门子通过Xcelerator下的仿真软件Simcenter,通过集成系统仿真、3D CAE和测试等一整套功能来帮助Surf Loch团队预测造浪过过程所有关键属性的变动。通过Simcenter为设计中的波浪构建数字孪生模型,西门子可以通过软件对沉箱中的大型启动风扇进行气流和强度分析,创建不同的波浪变体。结合流体力学(CFD)分析和多学科优化等技术,团队能够在跳过物理模拟的前提下,在建造新的设施前识别造浪系统下各设施的所有关键设定值,从而在设施建成后持续输出稳定一致的理想波浪。



四、整合物联网、云平台等技术,构建全方面数字化体系


伴随Surf Loch的造浪池业务逐渐扩张至全球范围,其团队规模并不足以支撑在每个办事处均提供足够的人手。然而每一处造浪池的建造、运营、维护均需要专业团队在背后支撑。为此,西门子在原有基础上通过部署Teamcenter、MindSphere物联网平台,并基于云平台关联上述所有组件,构建一整套数字化体系,支持全球每个造浪池的搭建及运维等工作。

项目协作方面,Teamcenter生命周期管理系统可以通过数字主线(digital thread)帮助Surf Loch连接分布在各地的成员,排除功能孤岛。系统内容包括三维设计、嵌入式软件、文档及物料清单等,可基于云端支持Surf Loch在单一地点对所有数据和文件进行集中管理。每当启动新项目,系统可支持团队与供应商以及合作伙伴协同办公,对图纸和设计材料进行实时修改。

设施运维方面,基于云的开放式物联网系统MindSphere可支持Surf Loch将产品、系统和造浪设备连接管理。伴随Surf Loch在造浪池全球各地扩张,团队可结合MindSphere与物联网终端设备对设施进行监控,并执行预测性维护。通过对风扇。水泵及阀门等部件的运行状况进行测量,团队可在造浪设施出现故障前进行预先且实时的维护,避免停机排查所带来的损失。



应用效果


冲浪者在真实海面上往往需要等待5-20分钟的时间来迎接一道海浪。通过部署Xcelerator的数字化工业套件及Simotion等设施来实现数字化转型升级,Surf Loch已基本实现在可行成本的基础上将其产品封装交付至全球任意地点。此外,其造浪池可实现最高每9秒生成一道波浪的频率(如其在拉斯维加斯的设施),为客户提供每小时400道波浪的高频服务。




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