Ученые ЮУрГУ разрабатывают цифровой двойник электропривода

В рамках прорывного направления по цифровизации индустрии ученые Южно-Уральскогогосударственного университета (ЮУрГУ) разрабатывают цифровой двойник электропривода,использование которого в промышленности обещает конкурентное преимущество новогоуровня. Разработка не имеет аналогов в России и за рубежом. Результаты исследованийпредставлены на международной конференции Global Smart Industry Conference и опубликованы в сборнике из Scopus.

Цифровые двойники, нейронные сети и Интернет вещей

Одним из ключевых проектов концепции «Индустрия 4.0» является цифровое моделирование, мониторинг, учёт и управление оборудованием в режиме онлайн. Цифровой Двойник (Digital Twin) – это программный аналог физического устройства, моделирующий внутренние процессы, технические характеристики и поведение реального объекта.

Ученые Южно-Уральского государственного университета уже давно работают над развитием уникальных проектов создания цифровых двойников агрегатов металлургических и машиностроительных предприятий.

«Основа цифрового двойника – математическая модель, которая должна отображать физические процессы, которые происходят в объекте, в технологии, в изделии. Электрический привод состоит из трех частей: механическая часть, электромагнитная и преобразователь, который управляет электромагнитной частью и крутит механическую часть. У каждой из этих частей должно быть несколько моделей, чтобы цифровой двойник был максимально приближен к реальности. Поэтому цифровая модель должна состоять из нескольких частей, которые хорошо связаны и между собой, и с физическим объектом», - рассказывает один из авторов проекта Надежда Кулёва.

Чтобы наладить связь между электроприводом и его цифровым двойником ученые ЮУрГУ используют нейронные сети для более быстрого, объемного приема данных, обработки этих данных, непрерывного уточнения моделей и алгоритмов управления электроприводом в процессе самообучения, а также Интернет вещей (IoT), чтобы получить данные о физическом состоянии объекта на начальном этапе и в процессе эксплуатации.

Уникальная цифровая модель

Особенность модели, разрабатываемой группой ученых Политехнического института ЮУрГУ, состоит в том, что в цифровом двойнике используются несколько цифровых моделей, отражающих различные физические процессы электропривода, отличающиеся не только используемыми программными средствами, но и методами математического описания.

Сформулированы рекомендации по использованию разных моделей. Использование цифрового двойника на промышленном производстве даст конкурентное преимущество, так как полученные данные помогут заранее предсказывать возникновение отказа. Это повысит надежность и безопасность производства, уменьшит необходимость обслуживающего персонала и принесет экономическую выгоду.

 «Нами предложены различные типы цифрового моделирования, отражающего электромагнитные процессы в электроприводе клапана на основе синхронных двигателей с постоянными магнитами. Предлагаемые модели отличаются не только используемым программным обеспечением, но и методами математического описания. Нам удалось показать различия в результатах расчетов, которые были получены из этих симуляций, и объяснить различия в результатах. Это позволило дать рекомендации для использования той или иной модели в зависимости от поставленной задачи», - поясняет Надежда Кулёва.

Курс на цифровизацию

Цифровая индустрия – одно из ключевых направлений ЮУрГУ как «SMART-университета цифровых трансформаций», которое вписывается в приоритетные задачи научно-технологического развития не только страны, но и всего глобального научного сообщества. Курирует развитие этого направления проректор по цифровизации Леонид Соколинский.

«Наш университет расположен в промышленном регионе и сотрудничает с многими предприятиями, перед которыми стоит задача перехода к цифровой индустрии. Соответственно, им необходима помощь в виде научных разработок и опытно-конструкторских работ. У нас есть значительные наработки и в области математического моделирования, и в области создания цифровых двойников для промышленных предприятий и суперкомпьютерного моделирования, и уже сейчас есть индустриальные заказчики, которым нужны подобные приложения», - говорит Леонид Соколинский.

В Южно-Уральском государственном университете достигнуты значительные результаты, как прикладного, так и фундаментального характера. Вуз имеет большой опыт по созданию цифровых двойников промышленных объектов. Примерами таких решений могут служить виртуальные 3D-модели прокатных станов и гидроэлектростанций. Кроме того, будут продолжены исследования, связанные с разработками в области искусственного интеллекта, обработки, хранения, и интеллектуального анализа больших объемов данных, что совершенно необходимо при цифровизации индустрии.

Исследования в области цифровой индустрии, экологии и материаловедения являются приоритетными для развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета.