CN116341214A - 一种洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，包括孪生场景模块、数据采集模块、通讯模块和数据交互模块，孪生场景模块在云端搭建与洗涤塔工业除尘设备作业现场真实场景、参数完全对应的数字孪生虚拟场景；数据采集模块为与孪生场景模块相匹配的每一套洗涤塔工业除尘设备用户端；数据交互模块为与孪生场景模块相匹配的数据中心部分，用于数据存储、数据维护、数据交互；孪生场景模块连接数据交互模块，数据交互模块通过通讯模块连接数据采集模块，数据交互模块通过通讯模块将数据采集模块采集数据接入云端的洗涤塔工业除尘设备虚拟运行场景；本发明通过接地网物理模块与数字孪生场景模块交互，实现在线数据、离线数据和仿真数据的融合利用。

Description

一种洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统及其构建方法

[技术领域]

本发明涉及数字孪生技术领域，具体涉及数字孪生、洗涤塔工业除尘设备远程无人运维、洗涤塔工业除尘设备数据管理三个领域产业融合、技术融合与数据融合的交叉应用，具体地说是一种洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统及其构建方法。

[背景技术]

在现有环保设备技术体系中，洗涤塔工业除尘设备普遍存在着工况差异性大、驻厂监管人员专业性要求高、驻厂监管人员人工费用高、隐形故障有效排查率低、无法识别设备部件的亚临界状态、洗涤塔工业除尘设备故障易造成车间整体停产……诸多亟待解决的问题。其次，洗涤塔工业除尘设备不同应用的各个环节数据难以有效实现共享，更无从谈起数据清洗清除无效数据，难以形成有效的数据报告，并纳入政府环保部门的监测体系。

随着传感器技术的发展、数字孪生技术的应用及在线大数据检测的广泛应用，对在建项目与建成项目的管理和监测，需要数据支持和数据对比，精准确定各项数据内在映射关系，并通过算法优化识别洗涤塔工业除尘设备各部件的亚临界状态，从而实现无人值守、智能预警，全面节约检修、巡检人力成本，有效降低设备故障率。

此外，随着元宇宙概念的提出，对于产业融合、技术融合、数据融合也提出了新的要求，工业数字化改造也势在必行，而洗涤塔工业除尘设备至今没有成熟的数字孪生系统，难以做为模块化解决方案融入未来智慧化工厂的工业数字化改造体系。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，通过接地网物理模块与数字孪生场景模块交互，多合一接地网与孪生模型实现全生命周期的全环节应用，实现在线数据、离线数据和仿真数据的融合利用，同时可彻底消弭人工驻厂监管存在的弊端。

为实现上述目的设计一种洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，包括孪生场景模块、数据采集模块、通讯模块和数据交互模块，所述孪生场景模块在云端搭建与洗涤塔工业除尘设备作业现场真实场景、参数完全对应的数字孪生虚拟场景，用于沉浸式展示；所述数据采集模块为与孪生场景模块相匹配的每一套洗涤塔工业除尘设备用户端；所述通讯模块为与孪生场景模块相匹配的基础通信模块；所述数据交互模块为与孪生场景模块相匹配的数据中心部分，用于数据存储、数据维护、数据交互；所述孪生场景模块连接数据交互模块，所述数据交互模块通过通讯模块连接数据采集模块，所述数据交互模块通过通讯模块将数据采集模块采集数据接入云端的洗涤塔工业除尘设备虚拟运行场景，并实现物理实体洗涤塔工业除尘设备与虚拟场景之间的互联互通。

进一步地，所述孪生场景模块为洗涤塔工业除尘设备数据积累、数据清洗、数据修复的分布式数据源，其云端场景为洗涤塔工业除尘设备的设计、生产、运维工作提供一体化沉浸式、全方位的实时监测、远程控制基础模块。

进一步地，所述数据采集模块包括数据传感器测量接口和监测参数汇聚接口，所述数据采集模块将实时采集数据以时间为纽带进行归集，并形成完整的时间数据数列。

进一步地，所述数据采集模块中安装有坐标传感器、压力传感器、气体流量传感器、远红外线温度传感器、防爆阀门模拟量限位传感器、液位仪、喷淋水流量表、喷头状态控制仪、除泥板控制器、视觉传感器中的任一种或两种以上。

进一步地，所述数据交互模块包括系统软件部分，并由系统软件部分执行洗涤塔工业除尘设备接地网采集数据的数据清洗、数据归纳、数据对比任务，并通过接地网分布式数据的映射关系进行数据清洗、数据分析及数据应用的任务。

进一步地，所述数据交互模块还通过算法识别洗涤塔工业除尘设备各个部件正常使用、亚临界状态、失能失效各种使用状态。

进一步地，所述数据交互模块包括服务器存储单元，所述服务器存储单元与数据交互模块的数据接入单元连接，所述数据接入单元接收数据采集模块发送的物理对象实时数据和虚拟场景数据，所述服务器存储单元存储虚拟场景数据生成模块发送的虚拟场景数据。

进一步地，所述数据交互模块包括数据预处理单元，所述数据预处理单元依据基于同一类型工业设备物理对象异常数据与相关部件亚临界状态映射关系图谱建立的功能性服务数据分析体系，所述功能性服务数据分析体系包括模型、算法和数据处理方法，所述功能性服务数据分析体系利用虚拟模型、历史纵向数据、分布式横向数据、工况参数等数据，通过物理实体实时动作数据在虚拟空间完成映射，综合交叉点即可初步研判为相关部件亚临界状态，并与实际工况参数对比。

进一步地，所述数据交互模块还包括终端控制系统和数据显示界面，所述终端控制系统和数据显示界面用于数据的实时解释、系统状态远程控制以及数据的动态可视化展示。

本发明还提供了一种洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统的构建方法，包括以下步骤：

1)场景搭建：运用工业建模软件和交互软件，模拟物理实体洗涤塔工业除尘设备及运行环境搭建设备运行场景；

2)分布式数据采集：根据洗涤塔工业除尘设备内气体流动特性，以各个阀门和关键器件为节点，安装坐标传感器、压力传感器、气体流量传感器、远红外线温度传感器、防爆阀门模拟量限位传感器、液位仪、喷淋水流量表、喷头状态控制仪、除泥板控制器、视觉传感器，同时安装多点位视觉监视系统；

3)交互设计：以数字化形式，拷贝工厂的物理对象，模拟工程在现实环境中的行为，对产品的设计、工艺、制造乃至整个工厂进行虚拟仿真，通过通讯模块将采集数据接入云端的洗涤塔工业除尘设备虚拟运行场景，并通过软件系统确保物理实体与虚拟场景之间的互联互通。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明可以实现无人值守，彻底消弭人工驻厂监管存在的专业性要求高、人工费用高、效率低、隐形故障排查率低等弊端；

(2)本发明通过故障预警可避免出现除尘设备故障发生造成重大安全事故；

(3)本发明沉浸式体验，使得无需进入作业现场即可全面展示设备的结构、材料、功能和各种运行参数，立体成像设备提供厂商的品牌价值；

(4)本发明可以结合实际工况和设备运行情况，通过数据对比科学、合理、经济地对原设计方案进行进一步优化；

(5)本发明通过数据分析甄别处于设备部件的正常使用、亚临界状态、失能失效几种使用状态，能够实现提前预警、不停机修复；

(6)本发明辅以区块链技术完善数据档案建设，同时可以自动上报环保部门的监管平台，为应用客户的节能减排及双碳交易提供可以信赖的数据依据；

综上，本发明基于洗涤塔工业除尘设备接地模块多合一数字孪生系统，通过接地网物理模块与数字孪生场景模块交互，多合一接地网与孪生模型实现全生命周期的全环节应用，实现在线数据、离线数据和仿真数据的融合利用，以及实现接地网态势感知、部件亚临界状态预警、异常原因诊断与运行预测，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明场景搭建示意图；

图3是本发明分布式数据采集示意图。

[具体实施方式]

如附图1所示，本发明提供了一种洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，具体地说，是一种基于洗涤塔工业除尘设备接地模块多合一数字孪生系统，通过接地网物理模块数与字孪生场景模块交互，多合一接地网与孪生模型实现全生命周期的全环节应用，实现在线数据、离线数据和仿真数据的融合利用，实现接地网态势感知、部件亚临界状态预警、异常原因诊断与运行预测。

该数字孪生系统包括孪生场景模块、数据采集模块、通讯模块和数据交互模块，孪生场景模块连接数据交互模块，数据交互模块通过通讯模块连接数据采集模块，数据交互模块通过通讯模块，将数据采集模块采集数据接入云端的洗涤塔工业除尘设备虚拟运行场景，并实现物理实体洗涤塔工业除尘设备与虚拟场景之间的互联互通。其中，

孪生场景模块：在云端搭建与洗涤塔工业除尘设备作业现场真实场景、参数完全对应的数字孪生虚拟场景，用于沉浸式展示。做为洗涤塔工业除尘设备数据积累、数据清洗、数据修复的分布式数据源，云端场景为洗涤塔工业除尘设备的设计、生产、运维工作提供一体化沉浸式、全方位的实时监测、远程控制基础模块。

数据采集模块：与所述的孪生场景模块相匹配的每一套洗涤塔工业除尘设备用户端，安装坐标传感器、压力传感器、气体流量传感器、远红外线温度传感器、防爆阀门模拟量限位传感器、液位仪、喷淋水流量表、喷头状态控制仪、除泥板控制器、视觉传感器等数据采集模块。进一步地，数据采集模块包括数据传感器测量接口、监测参数汇聚接口，将实时采集数据以时间为纽带进行归集，形成完整的时间数据数列。

通讯模块：与所述的孪生场景模块相匹配的基础通信模块。

数据交互模块：与所述的孪生场景模块相匹配的数据中心部分，用于数据存储、数据维护、数据交互。该数据交互模块包括系统软件部分，并由系统软件部分执行洗涤塔工业除尘设备接地网采集数据的数据清洗、数据归纳、数据对比任务，并通过接地网分布式数据的映射关系进行数据清洗、数据分析及数据应用的任务。且通过算法优化还可以识别洗涤塔工业除尘设备各个部件正常使用、亚临界状态、失能失效各种使用状态。

数据交互模块包括服务器存储单元，数据接入单元接收数据采集模块发送的物理对象实时数据和虚拟场景数据，服务器存储虚拟场景数据生成模块发送的虚拟场景数据。数据交互模块包括数据预处理单元，依据基于同一类型工业设备物理对象异常数据与相关部件(器件)亚临界状态映射关系图谱建立的，故障分析系统的功能性服务数据分析体系；功能性服务数据分析体系包括模型、算法、数据处理方法，可以进行数据归纳、数据对比，以及数据分析的软件系统。功能性服务数据分析体系，充分利用虚拟模型、历史纵向数据、分布式横向数据、工况参数等数据，通过物理实体实时动作数据在虚拟空间完成映射，综合交叉点即可初步研判为相关部件(器件)亚临界状态，并与实际工况参数对比。

此外，数据交互模块还包括终端控制系统、数据显示界面，用于数据的实时解释、系统状态远程控制以及数据的动态可视化展示。

以上部分合理按照附图1所示关系，严格根据技术规范合理组合，即可实现故障分析功能。

下面结合具体实施方式对本发明作以下进一步说明：

1、场景搭建

运用工业建模软件和交互软件，模拟物理实体洗涤塔工业除尘设备及运行环境搭建设备运行场景，确保部件统一、比例统一、色卡统一“三个统一”，为孪生系统的数据统一、运行统一、状态统一夯实基础，如附图2。

2、分布式数据采集

根据洗涤塔工业除尘设备内气体流动特性，以各个阀门和关键器件为节点，安装坐标传感器、压力传感器、气体流量传感器、远红外线温度传感器、防爆阀门模拟量限位传感器、液位仪、喷淋水流量表、喷头状态控制仪、除泥板控制器、视觉传感器，同时安装多点位视觉监视系统，如附图3。

3、交互设计

数字孪生最重要的特征是指以数字化形式，拷贝工厂的物理对象，模拟工程在现实环境中的行为，对产品的设计、工艺、制造，乃至整个工厂进行虚拟仿真，从而提高产品研发、制造工作效率，提前预判出错可能，实现节约成本、降低生产损耗的目的。通过基础通讯模块，将采集数据接入云端的洗涤塔工业除尘设备虚拟运行场景，并通过软件系统确保物理实体与虚拟场景之间的互联互通，从而真正意义地实现数据统一、运行统一、状态统一。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，在此不再详述。本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，其特征在于：包括孪生场景模块、数据采集模块、通讯模块和数据交互模块，所述孪生场景模块在云端搭建与洗涤塔工业除尘设备作业现场真实场景、参数完全对应的数字孪生虚拟场景，用于沉浸式展示；所述数据采集模块为与孪生场景模块相匹配的每一套洗涤塔工业除尘设备用户端；所述通讯模块为与孪生场景模块相匹配的基础通信模块；所述数据交互模块为与孪生场景模块相匹配的数据中心部分，用于数据存储、数据维护、数据交互；所述孪生场景模块连接数据交互模块，所述数据交互模块通过通讯模块连接数据采集模块，所述数据交互模块通过通讯模块将数据采集模块采集数据接入云端的洗涤塔工业除尘设备虚拟运行场景，并实现物理实体洗涤塔工业除尘设备与虚拟场景之间的互联互通。

2.如权利要求1所述的洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，其特征在于：所述孪生场景模块为洗涤塔工业除尘设备数据积累、数据清洗、数据修复的分布式数据源，其云端场景为洗涤塔工业除尘设备的设计、生产、运维工作提供一体化沉浸式、全方位的实时监测、远程控制基础模块。

3.如权利要求1所述的洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，其特征在于：所述数据采集模块包括数据传感器测量接口和监测参数汇聚接口，所述数据采集模块将实时采集数据以时间为纽带进行归集，并形成完整的时间数据数列。

4.如权利要求3所述的洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，其特征在于：所述数据采集模块中安装有坐标传感器、压力传感器、气体流量传感器、远红外线温度传感器、防爆阀门模拟量限位传感器、液位仪、喷淋水流量表、喷头状态控制仪、除泥板控制器、视觉传感器中的任一种或两种以上。

5.如权利要求1所述的洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，其特征在于：所述数据交互模块包括系统软件部分，并由系统软件部分执行洗涤塔工业除尘设备接地网采集数据的数据清洗、数据归纳、数据对比任务，并通过接地网分布式数据的映射关系进行数据清洗、数据分析及数据应用的任务。

6.如权利要求5所述的洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，其特征在于：所述数据交互模块还通过算法识别洗涤塔工业除尘设备各个部件正常使用、亚临界状态、失能失效各种使用状态。

7.如权利要求6所述的洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，其特征在于：所述数据交互模块包括服务器存储单元，所述服务器存储单元与数据交互模块的数据接入单元连接，所述数据接入单元接收数据采集模块发送的物理对象实时数据和虚拟场景数据，所述服务器存储单元存储虚拟场景数据生成模块发送的虚拟场景数据。

8.如权利要求7所述的洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，其特征在于：所述数据交互模块包括数据预处理单元，所述数据预处理单元依据基于同一类型工业设备物理对象异常数据与相关部件亚临界状态映射关系图谱建立的功能性服务数据分析体系，所述功能性服务数据分析体系包括模型、算法和数据处理方法，所述功能性服务数据分析体系利用虚拟模型、历史纵向数据、分布式横向数据、工况参数等数据，通过物理实体实时动作数据在虚拟空间完成映射，综合交叉点即可初步研判为相关部件亚临界状态，并与实际工况参数对比。

9.如权利要求8所述的洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统，其特征在于：所述数据交互模块还包括终端控制系统和数据显示界面，所述终端控制系统和数据显示界面用于数据的实时解释、系统状态远程控制以及数据的动态可视化展示。

10.一种如权利要求1至9中任一项所述的洗涤塔工业除尘设备的数字孪生系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)场景搭建：运用工业建模软件和交互软件，模拟物理实体洗涤塔工业除尘设备及运行环境搭建设备运行场景；

2)分布式数据采集：根据洗涤塔工业除尘设备内气体流动特性，以各个阀门和关键器件为节点，安装坐标传感器、压力传感器、气体流量传感器、远红外线温度传感器、防爆阀门模拟量限位传感器、液位仪、喷淋水流量表、喷头状态控制仪、除泥板控制器、视觉传感器，同时安装多点位视觉监视系统；

3)交互设计：以数字化形式，拷贝工厂的物理对象，模拟工程在现实环境中的行为，对产品的设计、工艺、制造乃至整个工厂进行虚拟仿真，通过通讯模块将采集数据接入云端的洗涤塔工业除尘设备虚拟运行场景，并通过软件系统确保物理实体与虚拟场景之间的互联互通。

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