CN113834899B - 一种基于数字孪生的铝材无铬钝化工艺游离酸含量监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于数字孪生的铝材无铬钝化工艺游离酸含量监测方法，涉及数字孪生领域包括如下步骤：在数字空间的数字孪生人机界面建立系统三维模型，所述数字孪生信息处理模块从数据库和知识库中提取系统状态信息并将系统状态信息传输至数字孪生人机界面模块；所述物理空间的控制单元实时采集当轮工艺现场输入设备的信息数据并与上一轮信息数据进行对比，若信息数据产生变化则产生变化信号，所述数据库保存变化信号后发送至数据处理模块，所述移动端接收数据流信息，并产生相应的干预信息，将所述干预信息发送至数字孪生人机界面模块，本发明通过数字孪生仿真过程，在游离酸含量监测过程中，降低了工作人员的知识技术门槛的同时，保证了监测质量。
Description
技术领域
本发明涉及数字孪生领域，尤其涉及一种基于数字孪生的铝材无铬钝化工艺游离酸含量监测方法。
背景技术
数字孪生在智能制造领域应用越来越广泛。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“镜像”。它基于本体的物理设计模型、本体传感器的数据以及本体运行的历史数据，是对本体对象的动态仿真。铝型材的无铬钝化工艺一般由脱脂、酸洗、水洗和无铬转化这系列工艺组成。脱脂、酸洗工艺的槽液要保证一定的游离酸含量以完成铝合金表面除油→铝合金表面出光的作用，为实现这一目标一般4小时检测一次。目前游离酸含量的检测方法是采用人工检测的方法。然而，这种方式很难从整体上直观的把握检测过程的槽液、工件、各阀、各泵的情况，特别是多批工件流水作业的时候，工作人员很可能无法在系统的层面上掌控生产节拍造成时间延误、经济损失。综上所述，有待发明一种在铝材无铬钝化工艺的游离酸含量监测环节中，可以从整体上直观把控检测过程各部件情况的铝材无铬钝化工艺游离酸含量检测方法。
发明内容
本发明提供一种基于数字孪生的铝材无铬钝化工艺游离酸含量监测方法，解决了现有铝材无铬钝化工艺游离酸含量监测方法无法从整体上直观把控的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于数字孪生的铝材无铬钝化工艺游离酸含量监测方法，包括如下步骤：
S1、在数字空间的数字孪生人机界面模块建立系统三维模型，所述系统三维模型包括物理空间的输入组件和输出组件、场地和工件，所述物理空间包括并列放置的若干个试剂桶，所述试剂桶通过输液管道连接蠕动泵，所述蠕动泵上设有无线接收装置，所述蠕动泵通过输液管道连接滴定皿，所述滴定皿外设有色板和颜色识别传感器，所述滴定皿底部通过输液管道与排水阀相连，所述排水阀上设有无线接收装置，所述滴定皿上部通过输液管道与计量泵相连，所述计量泵上设有无线接收装置，所述计量泵通过输液管道与溶液槽相连；
S2、数字孪生信息处理模块从数据库和知识库中提取系统状态信息并将系统状态信息传输至数字孪生人机界面模块；所述数字孪生人机界面模块接收系统状态信息并对其进行三维模型重构，将重构后的三维模型在显示屏上进行显示；
S3、所述物理空间的控制单元实时采集当轮工艺现场输入设备的信息数据并与上一轮信息数据进行对比，若信息数据发生变化则产生变化信号，所述变化信号通过通信接口发送至数字空间的数据库；
S4、所述数据库保存变化信号后发送至所述数字孪生信息处理模块中的数据处理模块，所述数据处理模块结合知识库的工艺及工序中的阈值与所述变化信号进行比对，将所述数据处理模块产生的控制信息发送回物理空间以控制输出组件；
S5、所述数据处理模块将数据库传来的工艺现场信息数据以及处理后的信息发送至数字孪生人机界面模块，所述数字孪生人机界面模块根据接收到的工艺现场信息数据以及处理后的信息数据发送至数字孪生人机界面模块，所述数字孪生人机界面模块根据接收到的数据进行三维模型重构，并将信息通过动画、数据、颜色和声音数据流发送至移动端；
S6、所述移动端接收数据流信息，并产生相应的干预信息，将所述干预信息发送至数字孪生人机界面模块；
S7、所述数字孪生人机界面模块接收所述干预信息，将所述干预信息发送至数字孪生信息处理模块，所述数据处理模块接收所述干预信息后与知识库进行对照，将在预设范围内的所述干预信息在数据库中记录后发送至物理空间。
S8、重复S3～S7，直至槽液中的游离酸含量检测完毕。
优选地，S2中所述数字孪生人机界面模块将重构后的三维模型在显示屏上进行显示。
优选地，所述输入组件包括颜色识别传感器、麦克风和摄像头，所述输出组件包括音箱、计量泵、蠕动泵、和排水阀。
优选地，S5中所述数字孪生人机界面模块通过动画、数据、颜色和声音数据流将信息发送至移动端。
本发明的有益效果在于：
本发明通过采用数字孪生的检测方法，测量精度高，效率高，可以24小时内自动检测，无需人工干预；
本发明通过设置物理空间，使得整体系统安全性高，能够避免工作人员暴露在危险的化学环境中；
本发明通过设置数据库，使得检测结果和控制情况都会被存储起来以备随时查询。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明物理空间结构图。
图2为本发明数字空间与物理空间示意图。
附图标号说明：
1、试剂桶；2、蠕动泵；3、无线接收装置；4、计量泵；5、滴定皿；6、色板；7、颜色识别传感器；8、排水阀；9、溶液槽；10、显示屏；11、移动端。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供一种技术方案：如图1和图2所示，一种基于数字孪生的铝材无铬钝化工艺游离酸含量监测方法，包括如下步骤：
S1、在数字空间的数字孪生人机界面模块建立系统三维模型，系统三维模型包括物理空间的输入组件和输出组件、场地和工件，物理空间包括并列放置的若干个试剂桶1，试剂桶1通过输液管道连接蠕动泵2，蠕动泵2上设有无线接收装置3，蠕动泵2通过输液管道连接滴定皿5，滴定皿5外设有色板6和颜色识别传感器7，滴定皿5底部通过输液管道与排水阀8相连，排水阀8上设有无线接收装置3，滴定皿5上部通过输液管道与计量泵4相连，计量泵4上设有无线接收装置3，计量泵4通过输液管道与溶液槽9相连；输入组件包括颜色识别传感器7、麦克风和摄像头，输出组件包括音箱、计量泵4、蠕动泵2、和排水阀8。
S2、数字孪生信息处理模块从数据库和知识库中提取系统状态信息并将系统状态信息传输至数字孪生人机界面模块；数字孪生人机界面模块接收系统状态信息并对其进行三维模型重构，数字孪生人机界面模块将重构后的三维模型在显示屏上10进行显示；
S3、物理空间的控制单元实时采集当轮工艺现场输入设备的信息数据并与上一轮信息数据进行对比，若信息数据发生变化则产生变化信号，变化信号通过通信接口发送至数字空间的数据库；
S4、数据库保存变化信号后发送至数字孪生信息处理模块中的数据处理模块，数据处理模块结合知识库的工艺及工序中的阈值与变化信号进行比对，将数据处理模块产生的控制信息发送回物理空间以控制输出组件；
S5、数据处理模块将数据库传来的工艺现场信息数据以及处理后的信息发送至数字孪生人机界面模块，数字孪生人机界面模块根据接收到的工艺现场信息数据以及处理后的信息数据发送至数字孪生人机界面模块，数字孪生人机界面模块根据接收到的数据进行三维模型重构，并将信息通过动画、数据、颜色和声音数据流发送至移动端；
S6、移动端11接收数据流信息，并产生相应的干预信息，将干预信息发送至数字孪生人机界面模块；
S7、数字孪生人机界面模块接收干预信息，将干预信息发送至数字孪生信息处理模块，数据处理模块接收干预信息后与知识库进行对照，将在预设范围内的干预信息在数据库中记录后发送至物理空间。
S8、重复S3～S7，直至槽液中的游离酸含量检测完毕。
物理空间包括并列放置的若干个试剂桶1，试剂桶1通过输液管道连接蠕动泵2，蠕动泵2上设有无线接收装置3，蠕动泵2通过输液管道连接滴定皿5，滴定皿5外设有色板6和颜色识别传感器7，滴定皿5底部通过输液管道与排水阀8相连，排水阀8上设有无线接收装置3，滴定皿5上部通过输液管道与计量泵4相连，计量泵4上设有无线接收装置3，计量泵4通过输液管道与溶液槽9相连。
物理空间和数字空间的接口是通信接口，比如物理空间→网线或WIFI→移动端→网线或WIFI→数字空间，反过来数字空间发往物理空间的数据流也是这个通路。
以下工艺过程是在数字孪生信息处理模块的数据处理模块，通过通信接口控制控制单元自动完成：
试剂桶A中装着去离子水，可由试剂桶A的蠕动泵2泵到滴定皿5中，用于滴定槽液或者清洗滴定皿5。
试剂桶B中装着溴甲酚绿，可由试剂桶B的蠕动泵2泵到滴定皿5中，用于滴定槽液。
试剂桶C装着NaOH，可由试剂桶C的蠕动泵2泵到滴定皿5中，用于滴定槽液。
颜色识别传感器7可以对比滴定皿5和色板6之间的色差，把比对结果传送给控制单元。
槽液游离酸含量测定完成后，排水阀8打开，放掉滴定皿5中的检测液。然后排水阀8关闭，纯水桶的蠕动泵2向滴定皿5中注入一定去离子水后，再打开排水阀8打开。如此反复，将滴定皿5清洗干净，为下一次测定做好准备。
定时时间到(如4小时)，控制单元执行如下操作：
(1)打开计量泵4向实验玻璃皿泵入一定量的槽液(10ml)。
(2)打开试剂桶A的蠕动泵2将一定量的去离子水(50ml)泵到滴定皿5。
(3)打开试剂桶B的蠕动泵2将一定量的溴甲酚绿(0.5ml)泵到滴定皿5。此时药液为红色。
(4)打开试剂桶C的蠕动泵2向滴定皿5中滴定NaOH，记录滴入的毫升数，同时用颜色识别传感器7对比滴定皿5中检测液的颜色和色板6。两者颜色一致时，用掉的NaOH毫升数即为游离酸含量。
(5)控制单元将检测出的游离酸含量通过互联网(或移动端)发送给移动端11，同时可以将该游离酸含量、检测时间等信息保存在数据库备查。移动端11也可以通过互联网(或移动端)向控制单元发送指令修改检测时间、检测药液用量等工艺参数，以及控制泵或阀的开启和关闭。
摄像头实时记录整个工艺过程视频信息，并将视频信息存储到数字空间的数据库中备查。
麦克风实时记录整个工艺过程音频信息，并将音频信息存储到数字空间的数据库中备查。
音箱可以将工作人员在移动端11等装置的语音放大，播放到工艺现场。比如对不经许可进入现场的人员的警告等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于数字孪生的铝材无铬钝化工艺游离酸含量监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在数字空间的数字孪生人机界面模块建立系统三维模型，所述系统三维模型包括物理空间的输入组件和输出组件、场地和工件，所述物理空间包括并列放置的若干个试剂桶(1)，所述试剂桶(1)通过输液管道连接蠕动泵(2)，所述蠕动泵(2)上设有无线接收装置(3)，所述蠕动泵(2)通过输液管道连接滴定皿(5)，所述滴定皿(5)外设有色板(6)和颜色识别传感器(7)，所述滴定皿(5)底部通过输液管道与排水阀(8)相连，所述排水阀(8)上设有无线接收装置(3)，所述滴定皿(5)上部通过输液管道与计量泵(4)相连，所述计量泵(4)上设有无线接收装置(3)，所述计量泵(4)通过输液管道与溶液槽(9)相连；所述输入组件包括颜色识别传感器(7)、麦克风和摄像头，所述输出组件包括音箱、计量泵(4)、蠕动泵(2)、和排水阀(8)；
S2、数字孪生信息处理模块从数据库和知识库中提取系统状态信息并将系统状态信息传输至数字孪生人机界面模块；所述数字孪生人机界面模块接收系统状态信息并对其进行三维模型重构；
S3、所述物理空间的控制单元实时采集当轮工艺现场输入设备的信息数据并与上一轮信息数据进行对比，若信息数据发生变化则产生变化信号，所述变化信号通过通信接口发送至数字空间的数据库；
S4、所述数据库保存变化信号后发送至所述数字孪生信息处理模块中的数据处理模块，所述数据处理模块结合知识库的工艺及工序中的阈值与所述变化信号进行比对，将所述数据处理模块产生的控制信息发送回物理空间以控制输出组件；
S5、所述数据处理模块将数据库传来的工艺现场信息数据以及处理后的信息发送至数字孪生人机界面模块，所述数字孪生人机界面模块根据接收到的工艺现场信息数据以及处理后的信息数据发送至数字孪生人机界面模块，所述数字孪生人机界面模块根据接收到的数据进行三维模型重构，并将信息发送至移动端；
所述S5中所述数字孪生人机界面模块通过动画、数据、颜色和声音数据流将信息发送至移动端(11)；
S6、所述移动端(11)接收数据流信息，并产生相应的干预信息，将所述干预信息发送至数字孪生人机界面模块；
S7、所述数字孪生人机界面模块接收所述干预信息，将所述干预信息发送至数字孪生信息处理模块，所述数据处理模块接收所述干预信息后与知识库进行对照，将在预设范围内的所述干预信息在数据库中记录后发送至物理空间；
S8、重复S3～S7，直至槽液中的游离酸含量检测完毕；
以下工艺过程是在数字孪生信息处理模块的数据处理模块，通过通信接口控制控制单元自动完成；
试剂桶A中装着离子水，由试剂桶A的蠕动泵(2)泵到滴定皿(5)中，用于滴定槽液或者清洗滴定皿(5)；
试剂桶B中装着溴甲酚绿，由试剂桶B的蠕动泵(2)泵到滴定皿(5)中，用于滴定槽液；
试剂桶C装着NaOH，由试剂桶C的蠕动泵(2)泵到滴定皿(5)中，用于滴定槽液；
颜色识别传感器(7)对比滴定皿(5)和色板(6)之间的色差，把比对结果传送给控制单元；槽液游离酸含量测定完成后，排水阀(8)打开，放掉滴定皿(5)中的检测液，然后排水阀(8)关闭，纯水桶的蠕动泵(2)向滴定皿(5)中注入一定去离子水后，再打开排水阀(8)打开，如此反复，将滴定皿(5)清洗干净，为下一次测定做好准备；
定时时间到，控制单元执行如下操作：
(1)打开计量泵(4)向实验玻璃皿泵入一定量的槽液(10ml)；
(2)打开试剂桶A的蠕动泵(2)将一定量的去离子水(50ml)泵到滴定皿(5)；
(3)打开试剂桶B的蠕动泵(2)将一定量的溴甲酚绿(0.5ml)泵到滴定皿(5)；此时药液为红色；
(4)打开试剂桶C的蠕动泵(2)向滴定皿(5)中滴定NaOH，记录滴入的毫升数，同时用颜色识别传感器(7)对比滴定皿(5)中检测液的颜色和色板(6)；两者颜色一致时，用掉的NaOH毫升数即为游离酸含量；
(5)控制单元将检测出的游离酸含量通过互联网发送给移动端(11)，同时将该游离酸含量、检测时间信息保存在数据库备查；移动端(11)通过互联网向控制单元发送指令修改检测时间、检测药液用量工艺参数，以及控制泵或阀的开启和关闭。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的铝材无铬钝化工艺游离酸含量监测方法，其特征在于：S2中所述数字孪生人机界面模块将重构后的三维模型在显示屏(10)上进行显示。
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