制丝车间电机电流监控系统数字化监控分析的研究

闫丽静

摘要：科学技术的发展，我国的数字化技术有了很大进展，并在工业厂房中得到了广泛的应用。制丝车间通过上位电控系统对现场设备进行“自上而下”的控制，设备在运行过程中产生参数反馈至电控系统，该类参数对于设备运行情况和状态评估起到了关键作用。本文就制丝车间电机电流监控系统数字化监控分析，以供参考。

关键词：高性能负载馈电器、电流计算、电流监控数字化分析

引言

数字孪生概念提出时主要用于航空飞行器等复杂结构产品的设计。在此之后，PTC公司致力于在虚拟世界与现实世界之间建立实时的连接(数字孪生)，为客户提供高效的产品售后服务与支持。国外，西门子公司将其用于产品制造过程的分析，致力于帮助制造企业在信息空间构建整合制造流程的生产系统模型，实现物理空间从产品设计到制造执行的全过程数据化。

1数字孪生车间介绍

数字孪生车间是在新一代信息技术和制造技术驱动下，通过物理车间与虚拟车间的双向真实映射与实施互动，实现物理车间、虚拟车间、车间服务系统的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合。数字孪生车间系统主要由物理车间、虚拟车间、车间服务系统和车间孪生数据4部分组成。在车间孪生数据的驱动下，生产要素管理、生产活动计划、生产过程控制等在物理车间、虚拟车间、车间服务系统之间迭代优化，在满足特定目标和约束的前提下，达到车间生产和管控的最优。

2制丝车间电机电流监控系统数字化监控分析

2.1信号选取与采集电路设计

在选定采集系统所需的硬件之后，接着就需要选取采集系统所需的刀库动作信号。由于BT50-24P圆制丝车间控制系统基于PLC控制，从PLC控制柜的输出端中选出3个所需的刀库动作信号：（1）刀库正转信号（用于判断刀库电机的正转），（2）刀库反转信号（用于判断刀库电机的反转），（3）刀套下翻信号（用于刀库换刀次数的计数）；并且还要从刀库接线盒中选出所需的计数接近开关信号（用于刀位号的实时同步计数）；把电流传感器穿入电机的三相电中的其中一相的导线进行采集实时的电机电流。

2.2电流周期性振荡抑制

牵引逆变器全速范围内的载波比变化较大，为了提高直流母线电压利用率，保证开关频率尽可能高，同时对谐波进行有效抑制，通常采用多模式调制策略，即低频段采用异步调制，高频段采用同步调制。复矢量控制器在不同调制策略下会引起电机电流周期性振荡，因此需要引入有源阻尼，通过虚拟电阻对其进行抑制，提高系统的鲁棒性。

2.3电机机座自动化加工单元

生产线所有设备都采用模块化设计，设备的各项性能指标均符合国家相关行业标准，并能完全满足生产线正常生产要求。夹具上的所有组件均为模块化设计，具有较好的通用性和互换性。夹具具有气密检测（毛坯定位除外）、压力检测、油缸位置检测及定位面冲洗、断销检测（OP10B）等功能。夹具设计为内置油路，布局合理，无积削死角，结构刚性好，不产生夹紧变形。夹具配有自动线控制接口，能与自动线进行完美匹配。

2.4实时数据驱动

根据数据采集系统采集到的工艺数据，对工艺模型进行驱动，主要包含以下步骤。(1)实时数据接口:在实际生产过程中读取设备的实时运行参数、订单参数等数据输入仿真系统，作为实际输入参数。(2)建立参数对应关系:建立实际采集到的参数与仿真模型中对应参数的对应关系，进行设备驱动。(3)运动学解算:根据设备驱动参数以及定义的设备运动副参数，计算设备中各个机构的实时位置及相关工件、环境模型等的位置。

2.5设备运行状态评估

系统可以对收集上来的电流数据做出分析并以此为依据对设备的运行状态进行评估，评估状态分为：设备正常、设备异常、建议监控。其中设备正常为电机电流监控值与理论值曲线能够符合，设备以绿色显示；设备异常为电机电流监控值与理论值曲线完全不符并有长时间电流异升，设备以红色显示；建议监控为电机电流监控值与理论值曲线由较大差异但电机电流有缓慢增大趋势，设备以黄色显示。电机在启动后电流并没有回落到正常值，并且保持较长时间，根据监控系统的判断该台设备的曲线与理论曲线发生较大不符，则系统会判定设备状态异常。

2.6精益智造控制系统

机床、夹具、机器人、物流、测量单元及所有外部信号通过独立的IO模块输出至运营层，最终输入到精益智造综合管理系统。精益智造综合管理系统通过实时采集信号，从而对所有设备下达正确合理的指令，实现生产线的自动运行及监控，总线控制系统具有智能诊断功能和视频输出接口，系统设有自动和手动两种模式，方便设备调试。当其中某单台设备故障时，其他设备可正常生产。系统配置有手动操作平台，每个单元的启动与急停等功能都可在此平台上完成操作，有效提高设备的可操作性和安全性，使复杂的生产管理过程变得简易化和可视化。

2.7基于数字孪生的AR可视化系统功能

基于数字孪生的AR可视化系统通过TCP协议与虚拟仿真系统进行数据交换，接收仿真系统计算的各物体状态数据，结合摄像头的图像，进行虚实融合。其中，摄像头采集的图像为实物实际状态，虚拟仿真系统输出的仿真物体的位置为虚拟物体图像，AR输出模块将二者通过3D注册、视点跟踪以及虚实融合显示在同一画面中，并输出到大屏投影系统或AR眼镜。AR输出模块的3D注册、视点跟踪和虚实融合功能介绍如下。(1)3D注册指建立世界坐标系，通过AR识别方式建立起各个虚拟物体在世界坐标系中的位置。实现3D注册的过程涉及一系列坐标系统的相互转换，还涉及到用数学模型描述的摄像机模型，通过摄像机模型可以将3D空间中的点与2D图像点建立联系。(2)3D注册过程中，通过二维码Marker标定各个物体的实际位置和世界坐标系的位置，通过摄像头识别物体上二维码Marker在相机坐标系下的坐标值、世界坐标系二维码在相机坐标系下的坐标值。视点跟踪主要指用户使用便携式AR背包时，跟踪头戴摄像头的位置，实现正确的虚实叠加。系统采用ARToolKitSDK进行二维码Marker标记的识别，从而计算出相机坐标系在世界坐标系下的实时位置，实现视点跟踪功能。具体流程包括如下步骤。(1)相机标定:通过二维码标定相机的内参矩阵以及畸变参数，形成相机标定文件。(2)图像校正:将摄像头采集到的画面进行校正，通过相机标定得到的畸变参数将图像边缘进行处理，尽量消除相机镜头带来的畸变。(3)图像二值化:将采集到的彩色图像由RGB颜色空间转换到HLS颜色空间，并通过亮度值以及阈值将图像二值化。(4)识别二值化图像中的Marker标记点，提取出各个标记点的轮廓，并根据2D到3D的空间变换，计算出各个Marker标记点在相机坐标系下的位置。(5)根据识别到的Marker3D空间位置以及3D注册的结果，计算出当前相机的视点矩阵。

结语

数字孪生技术通过虚拟模型仿真技术探讨和预测未知世界，为智能车间设计、运维提供了一个新的方向。更重要的是引入了一种全新的设备管理思路，即“数字化的分析与监控”和“设备运行状态评估”，通过此举将可以进一步丰富工厂设备管理的手段并加快工厂数字化建设进程。

参考文献

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［2］三菱电机自动化(中国)有限公司．面向智能制造的数字化转型［J］．电气时代，2020(7):21．

［3］顾德军，陈翔，马莉．电机轴智能制造方案［J］．电机与控制应用，2020，47(10):74．