一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统的制作方法

1.本发明涉及压缩机技术领域，尤其涉及一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统。


背景技术：

2.蒸汽压缩机是热回收系统对产生的蒸汽通过压缩作用而提高蒸汽汽温度和压力的关键设备。作用是将低压(或低温)的蒸汽加压升温，以达到工艺或者工程所需的温度和压力要求。
3.随着自动控制技术及生产工艺要求的不断提高，对蒸汽压缩机的自动控制要求也越来越高，目前很多蒸汽压缩机都不仅要求一键启动和自动报警停机，而且能够自动防喘振且可远程监控，因此，蒸汽压缩机的控制逻辑及控制算法也越来越复杂，以往的压缩机自动控制一般在现场调试，调试时间长，调试成本高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，旨在解决压缩机自动控制现场调试，调试时间较长的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，包括以下步骤：
6.创建离心压缩机数字孪生体，基于所述离心压缩机数字孪生体在虚拟空间反映所述离心压缩机的各种特性及状态，得到压缩机数据；
7.创建控制系统数字孪生体，并基于所述控制系统数字孪生体在数字化条件下反映所述控制系统的各种特性及状态，得到控制数据；
8.控制系统服务器接收所述压缩机数据和所述控制数据进行分析，得到分析结果，并基于所述分析结果对所述离心压缩机进行调试。
9.其中，所述创建离心压缩机数字孪生体，基于所述离心压缩机数字孪生体在虚拟空间反映所述离心压缩机的各种特性及状态，得到压缩机数据的具体方式：
10.基于电机各零部件尺寸和铭牌数据创建离心压缩机数字孪生体；
11.利用所述离心压缩机数字孪生体采集所述离心压缩机实体数据，得到采集数据；
12.所述离心压缩机数字孪生体根据集成算法计算所述采集数据，输出状态数据进行反馈，得到所述压缩机数据。
13.其中，所述创建控制系统数字孪生体，并基于所述控制系统数字孪生体在数字化条件下反映所述控制系统的各种特性及状态，得到控制数据的具体方式：
14.基于控制系统布置图布置电器元件，设置所述电器元件动作副；
15.基于电器元件参数设置三维模型参数，基于所述三维模型参数配置保护动作，并结合所述电器单元及所述动作副，得到控制系统数字孪生体；
16.并基于所述控制系统数字孪生体反映所述控制系统各种特性及状态，得到所述控制数据。
17.其中，所述离心压缩机数字孪生体包括离心压缩机实体的材料特性、结构尺寸、气动特性、电机特性、液压原理和仪器仪表的数字化模型。
18.其中，所述控制系统数字孪生体包括控制系统各电气元器件功能、机电特性、硬件结构、使用条件、线路布置、控制系统的软件架构、运行特性、通讯接口形式及特性和源代码执行情况的数字化模型。
19.本发明的一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，创建离心压缩机数字孪生体，基于所述离心压缩机数字孪生体在虚拟空间反映所述离心压缩机的各种特性及状态，得到压缩机数据；创建控制系统数字孪生体，并基于所述控制系统数字孪生体在数字化条件下反映所述控制系统的各种特性及状态，得到控制数据；控制系统服务器接收所述压缩机数据和所述控制数据进行分析，得到分析结果，并基于所述分析结果对所述离心压缩机进行调试，该方法在虚拟调试过程中，压缩机数字孪生体会根据集成的算法输出相应的状态数据给控制系统数字孪生体，控制系统数字孪生体根据压缩机数字孪生体输出状态自动调整控制逻辑及控制算法，如在出口阀未全开的情况下，控制系统数字孪生体发送给离心压缩机数字孪生体关数字放空阀的指令，在阀门关闭的过程中，离心压缩机发生喘振，并把喘振情况发送给控制系统设计服务器，控制系统设计服务器分析出喘振产生的各种原因，并给定概率，此时控制系统数字孪生体就会根据喘振产生原因的概率从高到低调整相应的控制策略并进行验证。如果离心压缩机供油压力不正常，控制系统数字孪生会自动调整控制逻辑由原来的单泵运行改为双泵运行，并实时调节离心压缩机数字孪生体的转速仿真离心压缩机轴承损坏，使控制系统设计人员能够不依赖实际压缩机及控制器，进行无实物环境下的控制逻辑及控制算法调试验证，大大缩短了调试时间，提高了工作效率，解决压缩机自动控制现场调试，调试时间较长的问题。
附图说明
20.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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是齿轮箱前轴承温度与转速关系示意图。
22.图2是压缩机喘振边界曲线图。
23.图3是压缩机实际轴功率和理论轴功率之间关系图。
24.图4是本发明提供的一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统的连接示意图。
25.图5是本发明提供的一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试的流程图。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.请参阅图1至图5，本发明提供一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，包括以下步骤：
28.s1创建离心压缩机数字孪生体，基于所述离心压缩机数字孪生体在虚拟空间反映所述离心压缩机的各种特性及状态，得到压缩机数据；
29.具体的，所述离心压缩机数字孪生体为离心压缩机实体的材料特性、结构尺寸、气动特性、电机特性、液压原理和仪器仪表的数字化模型，其作用为在虚拟空间接近真实的反映离心压缩机的各种特性及状态。
30.具体方式：
31.s11基于电机各零部件尺寸和铭牌数据创建离心压缩机数字孪生体；
32.具体的，基于电机各零部件尺寸和铭牌数据创建离心压缩机三维模型，即所述离心压缩机数字孪生体，主要零部件包括主电机、齿轮箱、油站箱体、油站油泵、油站加热器、和压缩机叶轮及蜗壳，对于电机、叶轮、齿箱等运动部件，配置相应的运动副，做到运动可视化。所述离心压缩机数字孪生体包括所有的仪器仪表，所述离心压缩机数字孪生体接受控制系统数字孪生体的指令及相应运动副动作如下表所示：
[0033][0034]
s12利用所述离心压缩机数字孪生体采集所述离心压缩机实体数据，得到采集数据；
[0035]
具体的，所述压缩机数字孪生体采集压缩机实体所有数据，并分类存储在压缩机数字孪生体数据库中，同时所述压缩机数字孪生体也可以对压缩机实体控制器写入数据，用于模拟压缩机各种工况。
[0036]
s13所述离心压缩机数字孪生体根据集成算法计算所述采集数据，输出状态数据进行反馈，得到所述压缩机数据。
[0037]
具体的，在虚拟调试过程中，压缩机数字孪生体会根据集成的算法输出相应的状态数据给控制系统数字孪生体，如在出口阀未全开的情况下，控制系统数字孪生体发送给
离心压缩机数字孪生体关数字放空阀的指令，在阀门关闭的过程中，离心压缩机发生喘振，并把喘振情况发送给控制系统设计服务器，控制系统设计服务器分析出喘振产生的各种原因，并给定概率，此时控制系统数字孪生体就会根据喘振产生原因的概率从高到低调整相应的控制策略并进行验证。如果离心压缩机供油压力不正常，控制系统数字孪生会自动调整控制逻辑由原来的单泵运行改为双泵运行，并实时调节离心压缩机数字孪生体的转速仿真离心压缩机轴承损坏。测试控制系统是否达到设计要求，压缩机数字孪生体输出的状态数据如下表所示：
[0038][0039]
所述压缩机数字孪生体的算法主要功能为压缩机数字孪生体根据相应的算法反馈给控制系统相应的虚拟状态信号或者虚拟动作信号，算法最大限度的保证所述压缩机数字孪生体反馈的数据接近实际压缩机的运行数据或运行状态，供控制系统数字孪生体监控其状态及执行相应的控制逻辑或算法。并验证控制逻辑及算法的正确性及稳定性。
[0040]
压缩机数字孪生体反馈的虚拟状态数据，其算法分别如下：
[0041]
转速信号虚拟输出算法；
[0042]
主电机(低速轴)转速虚拟输出算法:n＝60f/p，其中n为电机转速，f为控制系统数字孪生体给定频率，p为离心压缩机数字孪生体主电机极对数。
[0043]
高速轴转速虚拟输出算法：n
高
＝n*k1；其中n
高
为高速轴转速；n为电机转速；k1为齿箱增速比。
[0044]
功率信号虚拟输出算法：
[0045]
电机功率虚拟输出算法：
[0046][0047]
其中，p
轴
为风机轴功率，η为电机效率，q
流
为风机体积流量，单位为p为全压，单位为(mmh2o)，η1为风机效率；η2为联轴器联接机械效率。
[0048]
在上述公式中，流量q
流
和全压p与风机转速的关系，通过采用有限元仿真的方法得出，作为运算依据集成在压缩机数字孪生体中。
[0049]
温度信号虚拟输出算法：温度信号包括轴承温度和滑油油温信号，无论哪种温度信号，数学模型都比较复杂且准确性受多种因素影响，所以温度信号的虚拟算法采用轴承及润滑油有限元仿真的结果作为算法依据。压缩机数字孪生体的虚拟输出温度信号从仿真的温度区间内随机取值，来模仿压缩机运行时的正常温度及故障温度。如下图1所示，上图为转子动力学仿真时生成的轴承温度和转速关系图，在压缩机数字孪生体正常运行时，齿箱前轴承的正常温度从正常温度取值空间取值，模拟压缩机前轴承正常温度，从故障温度区间取值，模拟故障温度。用以检测控制系统在轴承温度正常和故障时的控制逻辑及策略是否正确。同理，其他温度信号也用同样的算法进行处理。
[0050]
压缩机数字孪生体虚拟喘振信号算法：压缩机数字孪生体虚拟喘振信号算法主要是为了模拟真实压缩机喘振情况的发生，用在检测控制系统防喘振控制算法能否正常工作，且是否能够达到很好的控制目的所设计的。
[0051]
算法具体内容如下：首先通过仿真得出试验压缩机的理论喘振边界曲线，其中w1为当前运行工况的理论功率，曲线见图2所示；
[0052]
然后通过公式w2＝m*k/(k-1)rt1[(pr)(k-1)/k-1]/η计算出实际运行时轴功率。
[0053]
w2：当前实际运行轴功率(kw)m：质量流量(kg/s)
[0054]
k：比热比(h2o,1.33)r：气体常数：461.4
[0055]
η：效率t1：压缩机进气温度
[0056]
pr：压比(p2/p1)
[0057]
压缩机数字孪生体根据图3中w1和w2的关系，输出是否发生喘振的虚拟信号。
[0058]
s2创建控制系统数字孪生体，并基于所述控制系统数字孪生体在数字化条件下反映所述控制系统的各种特性及状态，得到控制数据；
[0059]
具体的，所述控制系统数字孪生体为控制系统各电气元器件功能、机电特性、硬件结构、使用条件、线路布置、控制系统的软件架构、运行特性、通讯接口形式及特性和源代码执行情况的数字化模型，作用为在数字化条件下真实的反映离心压缩机控制系统各种特性及状态。
[0060]
具体方式：
[0061]
s21基于控制系统布置图布置电器元件，设置所述电器元件动作副；
[0062]
具体的，根据控制系统电气原理图，选择对应元器件的三维图，并根据控制系统布置图进行布置，设置电气元器件动作运动副，包括继电器与接触器的吸合与断开动作、空气开关的断开与闭合动作、信号指示灯的亮与灭、按钮及旋钮的动作。
[0063]
s22基于电器元件参数设置三维模型参数，基于所述三维模型参数配置保护动作，并结合所述电器单元及所述动作副，得到控制系统数字孪生体；
[0064]
具体的，根据电气元器件的参数，设置三维模型的参数，参数包括，绝缘电压、保护电流、短路电流、工作电压、额定电流等，并配置这些参数对应的保护或者故障动作，使各元器件的数字孪生体能够接近实际元器件的各种功能，并结合所述电器单元及所述动作副，得到所述控制系统数字孪生体。
[0065]
s23并基于所述控制系统数字孪生体反映所述控制系统各种特性及状态，得到所述控制数据。
[0066]
s3控制系统服务器接收所述压缩机数据和所述控制数据进行分析，得到分析结果，并基于所述分析结果对所述离心压缩机进行调试。
[0067]
具体的，所述控制系统服务器为控制系统设计工程师工作站，主要是接收离心压缩机数字孪生体和控制系统数字孪生体试验数据，并对数据进行保存、分析及优化。对控制方案及控制性能进行验证、优化、迭代和改进。建立所述控制系统设计服务器和所述控制系统数字孪生体的通讯连接，控制系统设计服务器能够下载或上传程序给所述控制系统数字孪生体；同时能够在线监视控制系统孪生体，判断程序执行情况，能够读取和写入数据给控制系统数字孪生体。
[0068]
该方法通过以上步骤实现了一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，使控制系统设计人员能够不依赖实际压缩机及控制器，进行无实物环境下的控制逻辑及控制算法调试验证的目的，节约了控制系统设计调试时间，提高了工作效率。
[0069]
以上所揭露的仅为本发明一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，其特征在于，包括以下步骤：创建离心压缩机数字孪生体，基于所述离心压缩机数字孪生体在虚拟空间反映所述离心压缩机的各种特性及状态，得到压缩机数据；创建控制系统数字孪生体，并基于所述控制系统数字孪生体在数字化条件下反映所述控制系统的各种特性及状态，得到控制数据；控制系统服务器接收所述压缩机数据和所述控制数据进行分析，得到分析结果，并基于所述分析结果对所述离心压缩机进行调试。2.如权利要求1所述一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，其特征在于，所述创建离心压缩机数字孪生体，基于所述离心压缩机数字孪生体在虚拟空间反映所述离心压缩机的各种特性及状态，得到压缩机数据的具体方式：基于电机各零部件尺寸和铭牌数据创建离心压缩机数字孪生体；利用所述离心压缩机数字孪生体采集所述离心压缩机实体数据，得到采集数据；所述离心压缩机数字孪生体根据集成算法计算所述采集数据，输出状态数据进行反馈，得到所述压缩机数据。3.如权利要求1所述一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，其特征在于，所述创建控制系统数字孪生体，并基于所述控制系统数字孪生体在数字化条件下反映所述控制系统的各种特性及状态，得到控制数据的具体方式：基于控制系统布置图布置电器元件，设置所述电器元件动作副；基于电器元件参数设置三维模型参数，基于所述三维模型参数配置保护动作，并结合所述电器单元及所述动作副，得到控制系统数字孪生体；并基于所述控制系统数字孪生体反映所述控制系统各种特性及状态，得到所述控制数据。4.如权利要求1所述一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，其特征在于，所述离心压缩机数字孪生体包括离心压缩机实体的材料特性、结构尺寸、气动特性、电机特性、液压原理和仪器仪表的数字化模型。5.如权利要求1所述一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，其特征在于，所述控制系统数字孪生体包括控制系统各电气元器件功能、机电特性、硬件结构、使用条件、线路布置、控制系统的软件架构、运行特性、通讯接口形式及特性和源代码执行情况的数字化模型。

技术总结
本发明涉及压缩机技术领域，具体涉及一种蒸汽压缩机自动控制虚拟调试系统，创建离心压缩机数字孪生体，基于所述离心压缩机数字孪生体在虚拟空间反映所述离心压缩机的各种特性及状态，得到压缩机数据；创建控制系统数字孪生体，并基于所述控制系统数字孪生体在数字化条件下反映所述控制系统的各种特性及状态，得到控制数据；控制系统服务器接收所述压缩机数据和所述控制数据进行分析，得到分析结果，并基于所述分析结果对所述离心压缩机进行调试，该方法使控制系统设计人员能够不依赖实际压缩机及控制器，进行无实物环境下的控制逻辑及控制算法调试验证，大大缩短了调试时间，提高了工作效率。了工作效率。了工作效率。


技术研发人员：侯春峰 谢小华 李新宇 张艳 李鑫 曾勇
受保护的技术使用者：重庆江增船舶重工有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/23