منصة محاكاة التوأم الرقمي للرافعات بالتعاون مع الجامعات

أعلنت شركة كيلود للصناعات الثقيلة عن اجتياز منصة المحاكاة الرقمية التوأمية للرافعات، المطورة بالتعاون مع جامعات محلية، لمرحلة القبول المؤقت، مما أدى إلى انخفاض متوسط دورة تطوير المنتجات الجديدة بنسبة 40%. تدمج هذه المنصة بين النمذجة الرقمية ثلاثية الأبعاد، وجمع البيانات في الوقت الفعلي، وتقنيات المحاكاة متعددة الفيزياء، مما يتيح إجراء تقييم الأداء الكامل للرافعة، ومحاكاة ظروف التشغيل، والتنبؤ بالأعطال داخل بيئة افتراضية. وبهذا تنتقل عملية التطوير التقليدية من التصميم إلى النموذج الأولي من التجربة والخطأ المادي إلى التحقق الافتراضي عبر الإنترنت.

موقع المنصة وبُنيتها التقنية

تم تطوير منصة المحاكاة الرقمية التوأمية بالتعاون بين كيلود للصناعات الثقيلة وجامعة تشنغتشو وجامعة خنان للعلوم والتكنولوجيا، واستغرق إنجاز الإصدار V1.0 وتطويره ونشره 14 شهرًا. تعتمد المنصة بنية طبقية تتكون من أربع طبقات من الأسفل إلى الأعلى: طبقة الأجهزة، وطبقة البيانات، وطبقة النماذج، وطبقة التطبيق. تتصل طبقة الأجهزة بمنصة إنترنت الأشياء KRUD-IoT في الوقت الفعلي عبر بوابة بروتوكول مزدوج OPC UA وMQTT، وتدعم جمع البيانات من وحدات التحكم الرئيسية مثل سيمنز S7-1200/1500 PLC، وسلسلة ميتسوبيشي FX، وPLC من دلتا إلكترونيكس. تعتمد طبقة البيانات على قاعدة بيانات السلاسل الزمنية مفتوحة المصدر TDengine، وتدعم كتابة أكثر من 100,000 نقطة بيانات في الثانية واستجابة استعلام خلال 15 ثانية، مع تخزين جميع بيانات التشغيل لآخر 6 أشهر. تحتوي طبقة النماذج على ثلاثة وحدات فرعية: نموذج هندسي ثلاثي الأبعاد، ونموذج الديناميكا متعددة الأجسام، ونموذج تحليل العناصر المحدودة، ويتم تحقيق محاكاة مقترنة متعددة الفيزياء (الهيكلية والحركية والحرارية) من خلال رسم خرائط البيانات بين هذه النماذج. توفر طبقة التطبيق للمهندسين أربع وظائف أساسية: اختبار النموذج الأولي الافتراضي، ومحاكاة ظروف التشغيل، والتنبؤ بالأعطال، وتقييم الأداء.

النمذجة ثلاثية الأبعاد والتصميم المعياري

تحتوي المنصة على مكتبة نماذج معيارية ثلاثية الأبعاد لجميع سلاسل المنتجات الرئيسية الـ 12 من كيلود للصناعات الثقيلة، بما في ذلك الرافعات العلوية نوع QD، والرافعات الجسرية بخطاف قابض نوع QZ، والرافعات القنطرية نوع MG، والرافعات القنطرية أحادية العارضة نوع MH. عند تصميم منتج جديد، يقوم المهندس ببساطة باختيار طراز المنتج وإدخال المعلمات الأساسية مثل سعة الرفع، والبحر، وارتفاع الرفع، وفئة التشغيل، فتقوم المنصة تلقائيًا باستدعاء القالب المعياري وإنشاء نموذج التجميع ثلاثي الأبعاد الكامل، بما في ذلك جميع المكونات مثل العارضة الرئيسية، والعارضة الطرفية، وهيكل العربة، وآلية الرفع، وخزانة التحكم الكهربائية. تم تطوير النمذجة المعيارية باستخدام واجهة برمجة تطبيقات SolidWorks، مما يقلل وقت إنشاء النموذج من 2-3 أيام في النمذجة اليدوية التقليدية إلى أقل من ساعتين. تدعم المكتبة التخصيص المعياري للمكونات من قبل المستخدم، حيث يمكن للفنيين تعديل أبعاد ومواد المكونات بناءً على القوالب لتلبية متطلبات الطلبات غير القياسية.

المحاكاة متعددة الفيزياء

تدمج وحدة المحاكاة محلل تحليل العناصر المحدودة، وتدعم التحليل الساكن للهيكل، والتحليل النمطي، وتقييم عمر الكلال للرافعات. يحسب التحليل الساكن توزيع الإجهاد والتشوه للعارضة الرئيسية تحت ظروف مثل الحمل الكامل، والحمل غير المتماثل، وحمل الرياح، ويحدد تلقائيًا مناطق تركيز الإجهاد ويقدم توصيات لتحسين الهيكل. يحسب التحليل النمطي الترددات الطبيعية والأشكال الاهتزازية للترددات الستة الأولى للرافعة ككل، ويقارنها بترددات تشغيل آلية الرفع والعربة للتنبؤ بمخاطر الرنين. يعتمد تقييم عمر الكلال على منحنى S-N ونظرية تراكم الضرر الخطي لـ Miner، ويتنبأ بعمر الكلال للعارضة الرئيسية ولحاماتها الرئيسية باستخدام بيانات طيف الحمل من ظروف التشغيل الفعلية. في دراسة التحقق من صحة محاكاة رافعة قنطرية نوع MG بسعة 20 طن، أظهرت النتائج أن الانحراف في أقصى انحراف لمنتصف الامتداد للعارضة الرئيسية بين قيمة المحاكاة والقيمة المقاسة على النموذج الأولي المادي كان أقل من 3%، وكان الانحراف في أقصى إجهاد مكافئ للمادة أقل من 5%، مما يؤكد دقة نموذج المحاكاة.

ربط التوأم الرقمي

تعمل وظيفة ربط التوأم الرقمي على ربط بيانات التشغيل في الوقت الفعلي للمعدات قيد الخدمة ديناميكيًا بالنموذج ثلاثي الأبعاد. تجمع المنصة 32 معلمة تشغيل من متحكم PLC الخاص بالمعدات عبر بروتوكول OPC UA، بما في ذلك ارتفاع الرفع، وموضع العربة، وموضع جسر الرافعة، وسرعة الرفع، وسرعة العربة، وسرعة السير، وتيار المحرك، ودرجة حرارة المحرك، وحالة المكبح، وحالة مفتاح نهاية الشوط، بفترة جمع تبلغ 100 مللي ثانية. يحرك النموذج ثلاثي الأبعاد حركات الآليات المختلفة بناءً على البيانات في الوقت الفعلي، مما يعكس حالة التشغيل الفعلية للمعدات في الفضاء الافتراضي ويوفر مراقبة مرئية ثلاثية الأبعاد لعملية التشغيل. يتم التحكم في زمن الاستجابة من البداية إلى النهاية للربط التوأمي في حدود 500 مللي ثانية، محققًا تأثيرًا شبه فوري. يمكن للمهندسين إعادة تشغيل مسارات التشغيل التاريخية في أي فترة زمنية داخل بيئة التوأم الرقمي، وتحليل تغيرات حالة المعدات قبل وبعد الأحداث غير الطبيعية، والمساعدة في تحديد سبب العطل.

محاكاة ظروف التشغيل والتنبؤ بالأعطال

تدعم المنصة وظيفة محاكاة ظروف التشغيل المخصصة، حيث يمكن للمهندسين ضبط معلمات ظروف التشغيل المختلفة في البيئة الافتراضية لمحاكاة أداء المعدات في سيناريوهات عمل مختلفة. تشمل معلمات التشغيل القابلة للضبط الحمولة (أربعة مستويات: بدون حمل، نصف حمل، حمل كامل، حمل زائد)، وسرعة الحركة (ثلاث سرعات قابلة للتعديل: منخفضة، متوسطة، عالية)، ودرجة الحرارة المحيطة (-20 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية)، وسرعة الرياح (0-20 م/ث). يمكن لوظيفة التنبؤ بالأعطال محاكاة 12 نوعًا من سيناريوهات الأعطال الشائعة، بما في ذلك فشل مكبح آلية الرفع، وعطل التيار الزائد في محول التردد، وعطل مفتاح نهاية الشوط، وكسر حبل سلكي، وانسداد سلسلة سحب الكابلات، والتنبؤ بتغيرات حالة المعدات وردود الفعل المتسلسلة بعد حدوث العطل. يتم إخراج نتائج التنبؤ بالأعطال في شكلين: رسوم متحركة للسلاسل الزمنية وتقارير تحليل البيانات، مما يساعد فريق التصميم على تقييم كفاية إجراءات التعامل مع الأعطال خلال مرحلة التطوير. وقد تم استخدام المنصة مؤخرًا في مراجعة تصميم عربة مسطحة كهربائية نوع KPC، حيث تم إجراء تحليل تنبؤي لثلاثة سيناريوهات أعطال، مما أدى إلى اكتشاف ومعالجة خطر السلامة الناتج عن تأخر استجابة المكبح مسبقًا.

تأثير تقصير دورة التطوير

منذ وضع منصة المحاكاة الرقمية التوأمية في الخدمة، تحسنت كفاءة تطوير المنتجات بشكل ملحوظ. على سبيل المثال، بالنسبة لرافعة قنطرية أحادية العارضة نوع MH مصممة حديثًا MH، كانت عملية التطوير التقليدية تتطلب تصميم الحل (5 أيام)، والتصميم التفصيلي (8 أيام)، ومراجعة الرسومات (3 أيام)، وإنتاج النموذج الأولي (18 يومًا)، واختبار النموذج الأولي (5 أيام)، وتعديل التصميم (3 أيام)، بمجموع حوالي 42 يومًا. باستخدام منصة التوأم الرقمي، يمكن إجراء التحقق الافتراضي بالتوازي خلال مرحلتي تصميم الحل والتصميم التفصيلي، ويتم اكتشاف مشاكل التصميم وتصحيحها مباشرة في مرحلة الحاسوب، ويتم تقليل عدد النماذج الأولية المطلوبة للتجربة إلى نموذج واحد (بدلاً من 2-3 نماذج للتكرار)، مما يقلل إجمالي الدورة إلى 26 يومًا، أي توفير حوالي 40% من وقت التطوير. بعد الانتهاء من تصميم المنتج، يمكن استخدام بيانات المحاكاة الناتجة عن التوأم الرقمي مباشرة في كتابة دليل التشغيل للمنتج وإعداد مواد تدريب المشغلين، مما يقلل بشكل غير مباشر من الوقت اللازم لإعداد الوثائق المساندة بعد إطلاق المنتج.

منصة التصميم التعاوني

توفر المنصة أيضًا وظيفة التصميم التعاوني، مما يسمح لفرق التطوير المتعددة في مواقع مختلفة بإجراء مراجعات مشتركة لخطط المنتجات في مساحة افتراضية موحدة. يمكن للتخصصات الثلاثة: التصميم الميكانيكي، والتصميم الكهربائي، وتصميم العمليات، العمل في وقت واحد على نفس النموذج الرقمي الأولي، والتواصل عبر التخصصات واكتشاف تعارضات التصميم من خلال ميزات وضع العلامات والتعليقات عبر الإنترنت. يتم ربط ملاحظات التعديل الناتجة عن المراجعة التعاونية تلقائيًا بالمكونات ومعايير التصميم ذات الصلة، مما يشكل سجلاً قابلاً للتتبع لتغييرات التصميم. تم التحقق من صحة هذه الوظيفة في مشروع رافعة قنطرية غير قياسية تم تنفيذه بالتعاون بين كيلود للصناعات الثقيلة وجامعة تشنغتشو، حيث أكمل الفريقان في موقعين مختلفين أعمال التصميم التعاوني والمراجعة التي كانت تتطلب في السابق 14 يومًا من العمل المركز في موقع واحد خلال 6 أيام عمل فقط باستخدام المنصة.

الخطط المستقبلية

دخل الإصدار V2.0 من منصة المحاكاة الرقمية التوأمية مرحلة التخطيط، ومن المقرر إطلاقه في النصف الأول من عام 2027. تركز اتجاهات الترقية الرئيسية في V2.0 على ثلاثة محاور: الأول، إضافة قدرات محاكاة ديناميكا الموائع لدعم حساب توزيع حمل الرياح وتقييم استقرار الرافعات تحت ظروف الرياح القوية، مما يسد الفجوة في تحليل هندسة الرياح في الإصدار الحالي. الثاني، إدخال تقنية النماذج البديلة القائمة على التعلم الآلي، من خلال تدريب الشبكات العصبية لتحل محل أجزاء من حسابات العناصر المحدودة المستهلكة للوقت، مما يقلل وقت حساب المحاكاة الواحدة في تحليل مقارن لعدة حلول من ساعات إلى دقائق. الثالث، توسيع نطاق التوأم الرقمي من طرف التطوير إلى طرف التشغيل والصيانة، لتحقيق خدمة مستمرة للتوأم الرقمي لدورة الحياة الكاملة للمعدات المُسلّمة في مواقع العملاء، وتزويد العملاء بتقييم الحالة الصحية للمعدات وتوصيات الصيانة بناءً على بيانات التشغيل.

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما الفرق بين منصة كيلود للصناعات الثقيلة الرقمية التوأمية وبرامج التوأم الرقمي العامة؟