一种基于数字孪生的铝材无铬钝化工艺铝含量监测方法

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铝含量监测方法。

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步骤组成。在脱脂和酸洗步骤的槽液要保证一定的铝含量，否则就要排掉槽液重新配液。因此，铝含量的检测在铝型材的无铬钝化工艺中至关重要。现有的铝含量的检测，一般采取人工检测方式，每4小时对铝含量进行一次检测，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，有待发明一种铝材无铬钝化工艺的铝含量监测环节中，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铝含量检测方法。

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铝含量监测方法，解决了现有铝材无铬钝化工艺铝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铝含量监测方法，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；

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最新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，直至所有槽液中的铝含量全部检测完毕。

优选地，所述物理空间包括并列放置的若干个试剂桶和一个纯水桶，所述试剂桶和纯水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，所述滴定皿内设有PH计，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。

优选地，所述输入组件包括PH计、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，所述数字孪生信息处理模块通过如下公式计算铝含量

A/2＝B

其中，A为每0.05mol/L的硫酸所消耗的毫升数，B为槽液中的铝含量(g/L)。

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

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，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。

图1为本发明数字空间与物理空间示意图。

图2为本发明物理空间结构图。

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、PH计；7、纯水桶；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，任何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。

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铝含量监测方法，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；所述输入组件包括PH计6、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、离心泵和排水阀8。麦克风可以收集现场的声音；摄像头收集现场的实时视觉画面。在还原工艺现场的基础上提炼出重要的环节，让工作人员既能看到整体又能把握细节。

S2、数据处理模块从数据库和知识库中提取系统状态信息，如果是新设备则提取出厂设置的初始化信息，如非新设备则提取上次关机前的最后一次信息，并将这组信息传输给数字孪生人机界面模块。数字孪生人机界面模块根据这组信息控制三维模型的重构进行显示，比如阀、泵的开关状态，传感器数值，槽液的PH值等。

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；这样可以大大减轻通信的压力，并且保证良好的数据实时性。

S4、所述数据库保存变化信号后发送至数据处理模块，所述数据处理模块结合知识库数据得出当前工艺阶段，并按照知识库既存的工艺将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(如是否超过工艺规定的阈值，是否报警，是否完成工艺，下一步建议等等)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，直至槽液中的铝含量检测完毕。

所述物理空间包括并列放置的若干个试剂桶1和一个纯水桶7，所述试剂桶1和纯水桶7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内设有PH计6，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。

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中装着酚酞试剂，可由试剂桶A的蠕动泵2泵到滴定皿5中。

试剂桶B中装着NaOH，可由试剂桶B的蠕动泵2泵到滴定皿5中。

试剂桶C装着氟化钠溶液，可由试剂桶C的蠕动泵泵到滴定皿5中。

试剂桶D装着硫酸溶液(浓度为0.05M/L)，可由试剂桶D的蠕动泵泵到滴定皿5中。

计量泵4用于向滴定皿5中注入控制单元指定剂量的槽液。

纯水桶7的蠕动泵2可控制纯水桶7向滴定皿5中注入控制单元指定剂量的纯水。

PH6计用来测量滴定皿5中检测液的PH值。

槽液铝含量测定完成后，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7的蠕动泵2向滴定皿5中注入一定纯水后，再将排水阀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向滴定皿5泵入一定量的槽液(2ml)。

(2)打开纯水桶7的蠕动泵2将一定量的纯水(100ml)泵到滴定皿5。

(3)打开试剂桶A的蠕动泵2将一定量的酚酞试剂(约0.5ml)泵到滴定皿5。通过PH计6检出检测液的PH值为8.3～8.5时关闭试剂桶A的蠕动泵2。

(4)打开试剂桶C的蠕动泵2将一定量的氟化钠溶液(100ml)泵到滴定皿5。

(5)打开试剂桶D的蠕动泵2将一定量的硫酸溶液快速泵到滴定皿5，直至PH计6检出的PH值低于8.2时关闭蠕动泵。记录下试剂桶D的蠕动泵2注入的硫酸溶液的用量。

(6)数字孪生信息处理模块的数据处理模块通过以下公式计算铝含量：(0.05M/L硫酸的消耗ml)/2＝铝含量(g/L)，并通过互联网向移动端11发布铝含量信息。同时可以将铝含量、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。

(7)如果检测出的铝含量大于等于4g/L，则通过互联网向移动端11报警。

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。