工业物联网物联网仿真设计

2年前浏览2551

凭借45年来经过行业验证的工程分析解决方案、上万家企业客户赖以发展的仿真功能，ANSYS将始终是您值得信赖的合作伙伴，助力您在IIoT发展道路上一马平川、勇往直前。

工业物联网（IIoT）发展如火如荼、影响深远，我们设计、连接与优化机械设备的方式也随之发生改变。IIoT的问世能够将工业领域的所有事物（无数工业设备、机械、生产设施、工厂）完美融合，其借助高速路由器、交换机与**组成的网络、在负责托管软件和分析技术的云端、根据来自产品的数据制定明智决策。事实上，IIoT正在融合IT、产品设计和操作技术。

而这仅仅只是开始。Trefis团队在《福布斯》杂志的最近一篇博客中写道：“到2020年工业互联网的技术开支总额预计达到5140亿美元，而工业互联网创造的价值预计增长到近13000亿，其投资回报率将高达约150%。”从图1中我们可以看到，制造商尽早采用IIoT可显著改善整体生产流程，借助工业自动化和机器人技术加速转型，而且在未来几年内有望出现大幅持续增长。

市场规模（单位：10亿美元）

数据来源：世界经济论坛、工业互联网联盟、二次文献、专家访谈、MarketsandMarkets分析

精选工业细分领域未来五年在IIoT的年投资额以及预期增长

IIoT过去几年的增长已经超越了信息技术范畴（收集数据、数据处理与安全等），目前的工作包括资产的预测性维护，从而降低成本、缩短非生产时间以及消除故障。为了在工业设备上发挥IoT优势，首要步骤之一是创造智能机械/数字产品。不久以后，工业设备除了执行机械功能外，还必须变得智能化，而智能手表等消费类产品就是良好例证。

对于工业设备而言，设计理念并非只是到处添加传感器。正确的战略是收集相关重要信息，推动实现商业目标、解决技术或操作瓶颈以及

满足工业标准与法规要求。主要目标包括优化、可靠性和新价值创造（缩短停机时间、延长资产使用寿命和减少故障）。通过结合现场数据（传感器、操作员）和非现场数据（历史、仿真、基于物理场的分析）可实现上述目标。

许多工业企业正在为享受IIoT盛宴而摩拳擦掌，其中包括工业自动化设备供应商、联网组件供应商、原始设备制造商以及各个行业（金属、矿业、农业、制造、能源与电力、石油天然气、材料与化工、水与废水等）的运营公司。IIoT将惠及非常庞大的生态系统；而软硬件解决方案在每个行业中的应用大相径庭。

ANSYS工程仿真技术可为您的IoT战略增添价值。我们在本报告中主要介绍关于电子产品、系统和嵌入式软件的精选解决方案。ANSYS解决方案可帮助我们的客户在这些领域设计和仿真工业机械、传感器、RFID、工业机器人、3D打印、发电设备、导向与转向装置、流量测量与控制以及网络设备等。

利用ANSYS电子、刚体动力学和机械系统对机器人系统进行建模

2.0 仿真的价值和五大核心工程挑战

企业在部署IoT战略时会认识到，工业IoT基础设施和产品需要更高的可靠性、精度、鲁棒性与创新，同时其成本必须可控。波士顿咨询集团在最近的一篇报告[1]中指出，仿真是帮助企业在互联经济中取得成功的关键因素，其能够降低物理测试成本、加速推出新产品和提高产品效率，从而显著降低产品研发成本。为了获得上述优势，各自为政、毫无协作的设计流程是企业不可承受之重，否则他们就会在创新竞赛中败北。变革者和创新者另辟蹊径，超越传统工程学科边界，率先利用多域和多物理场分析方法。

当今的设备设计人员必须认识到，未来几乎所有的新设备都不会单一地执行机械任务。数字设备设计人员必须考虑以下几点：他们需要哪些电子硬件、如何收集和传输数据、各种组件如何整体协作通信以适应系统和生态体系的其他部分。

ANSYS仿真驱动的产品研发解决方案在整个工业生态系统和供应链（包括大型OEM厂商、系统集成商以及组件制造商）中广受青睐。我们与上述行业的公司通力合作，总结了工程领域的5大共同挑战和相关的关键成功要素。它们包括：

尺寸、质量、功耗与冷却

无所不在的互联感应等物联网技术增加了电子元器件的密度，同时也会带来尺寸、重量、功耗和热方面的挑战。试想一下用于深井钻井的电子控制设备的散热情况，因为设备必须在井底大约200°C的高温下工作，因此，其能够承受的额定温度需要高达260°C。ANSYS解决方案可用于降低电子设备的功耗需求，从而减少发热，最大限度地降低随钻测量（MWD）电子模块的温度，以及实现钻井系统的导向和定位。

感应和互联

“智能互联产品之所以‘智能’，是因为它可以感应其所在环境，与其他电子设备通信，并产生决策和结果。将组件连接到物联网，需要用智能设备替代传统的工业设备。例如，智能泵能够直接向原始设备制造商和操作员传输诊断数据。为了将设备设计、传感器布局和连接可靠性完美结合，工程师需要创建成本高昂的物理原型。然而，自动化设计循环方法让工程师能够进行数百次设计置换分析，无需人工干预即可充分研究和优化设计方案。格兰富水泵公司的Jacob Vernersen和Nicholas Engen Pedersen最近在《ANSYS Advantage》第9卷第3期杂志发表的一篇文章中写道：“多物理场仿真过程使新型泵设计的整体设计时间锐减了30%，并且节省了大约40万美元的物理原型成本。”

可靠性和安全性

IIoT解决方案可帮助企业提高生产力，增加员工与机械设备的安全性。自主操作系统和智能机械的普及应用有助于提高安全性，但是这些系统和机械设备必须根据更加严格的精度与可靠性要求研发而成。这一点尤其适用于通信延迟和带宽、嵌入式软件控制与操作显示软件。例如，ANSYS帮助核工业研发测量控制嵌入式软件，该软件可用于反应堆保护系统、人-系统接口、其他安全系统（如安全阀门、备用柴油机燃料辅助发动机系统）的控制系统等。

集成

工业设备设计人员过去往往集中精力进行各种组件的详尽研发，而当组件装配过程中系统复杂度增加时，许多严重问题层出不穷。这种系统和子系统级的集成工作往往导致过度设计、成本超支，工程师甚至会为了极力满足产品发布时限要求而进行错误的工程选择。另外，后期确认和验证阶段的“制造拆分”产品研发概念正在让位于“建模制造”。ANSYS基于模型的系统工程解决方案、基于模型的软件工程解决方案、3D物理仿真解决方案、多物理场与系统仿真解决方案荟萃先进技术，可帮助企业大幅缩短产品研发时间。贝克休斯公司前技术副总裁Scott Parent在《ANSYS Advantage》2013年石油天然气特刊中撰文指出，“尽早在设计流程中发现并解决问题，可以帮助我们降低风险，节约数百万美元的成本，缩短研发时间和提高客户价值。”

耐用性

物联网的一大吸引力就是，数万亿部传感器和通信系统经过部署能支持全天候不间断地收集和共享有用信息。这些系统不仅要在预期的环境中可靠工作，还应该能够承受极端恶劣的环境，而具体的严苛条件往往难以提前定义。集成型方法有助于提高产品的可靠性。以工业机器人的操作为例，其在运动和执行操作时会在设备、板上传感器和电子设备中产生热应力与机械应力。ANSYS解决方案能够模拟机械臂系统中的至少三个子系统，包括：（1）电力电子产品，用于为驱动机械臂运动的致动器（伺服系统）供电；（2）控制子系统，确保机械臂按照要求运动；（3）由接头连接的刚体装配体。

ANSYS：综合仿真平台的价值

物联网产品制造过程的复杂性带来了核心工程挑战，这些挑战难度不断升级，进而凸显了现有设计过程的弱势和不足。独立研究显示，上述产品的成功部署需要提高功能型工程团队之间的沟通和协作。否则就很可能导致产品延期、可靠性降低和成本超支等问题。如果没有沟通协作，制造出的产品会出现集成问题，特别是当每个团队为增加自己的安全裕量而构建和过度设计子系统时，这种情况会更加严重。

建模和仿真结果由ESSS提供

具有优秀的协作沟通传统的公司会充分利用工程仿真优势，遥遥领先于同类竞争对手。同业最佳公司使用综合仿真平台，在物理原型设计之前即可分析组件和系统级行为。这些公司的设计人员能够快速探索众多设计方案的性能，进而在成本、质量或性能方面精心优化设计。支持跨功能工程协作的综合平台可实现基于仿真的设计方法，在以下几种设计标准中介绍了该方法的众多优势。

天线设计和布局

无线系统在真实环境的性能与在消声室原型测试环境中的性能大相径庭。当天线安装到工业环境中时，其性能会受到其他天线所在位置以及其他建筑的影响。多路径信号传播和衰减是复杂现实世界中建筑、移动乃至人体所带来的一些问题。此外，现代产品采用多种不同的无线技术和频带，这就要求具有多种天线。而天线耦合和共址问题会降低性能。

在工厂安装众多具有天线的设备就是典型实例。复杂工业环境中星罗密布的天线会带来可靠性问题。在下图所示实例中，ANSYS集成型天线设计技术采用射线跟踪仿真方法，可用于发现并防止天线‘共址’问题。

芯片—封装—系统设计

将工业设备集成到IIoT需要非常可靠、高速、而且精密的通信与控制，唯有具备印刷电路板（PCB）和/或半导体集成电路（IC）的器件才能实现上述目标。无论是设计PCB还是集成IC，工程师必须平衡电子、热和机械性能等三大领域的要求，否则会影响产品可靠性。

ANSYS独有的芯片—封装—系统工作流程，可帮助工程师提高电子系统性能。该工作流程不仅有助于PCB设计人员仿真设计，同时还可提供IC到封装模型的关键信息。反过来，工作流程也能让IC设计人员在确认IC设计时考虑封装和PCB的影响。工程师对所有相关系统级考虑因素进行建模和仿真后，能有效减少电磁干扰，提高静电放电（ESD）保护，改善电子系统，进而开发出支持IIoT的智能和控制设备。

电源管理

经历过智能手机电池耗尽的人都深知电源管理的重要性。但电源管理不仅仅限于智能手机或Wi-Fi。能量收集、无线电力传输和低功耗IC设计是构建许多物联网产品的重要基石。ANSYS解决方案可帮助工程师设计更节能的电子设备，并解决不同类型的功率需求。据估计，泵产品消耗的电量占全球用电量的10%。格兰富水泵公司的工程师采用ANSYS解决方案优化泵的性能，并预测和减少电机的电磁振动与噪声。在下面精选图像中显示了泵和电机的CFD、结构与电磁计算，其旨在提高泵效率和减少电机噪声。

采用ANSYS解决方案的泵仿真。图片由格兰富公司提供。

传感器与MEMS

控制与自动化技术在很大程度上依赖于传感器。传感器技术的发展推动工程师根据传感器制定更明智的决策。同样，微机电系统（MEMS）在集成自动化、资产跟踪、状态与损伤监控系统以及智能工厂建设中具有关键作用。ANSYS与MEMS设计人员有着悠久的合作历史，能更好地帮助客户推出更出色的MEMS产品。举例来说，SilMach工程师用ANSYS技术打造的电磁致动器，相较前代标准版本而言实现了100倍的效率提升。ANSYS技术让工业设备设计人员能够更好地了解传感器和MEMS在设备中的布局与性能。

传感器与MEMS的可靠性对运营具有非常重要的业务影响。通常，它不仅会影响给定设备的性能，同时还会给故障设备上下游的资产带来经济损失。以电动潜油泵为例，在许多油井中用它将石油输送到地表面。而单台泵故障导致的停产每天会损失高达数十万美元。经过精心设计并且得到有效监控的泵产品可以实现主动维护，从而能够消除故障，减少非生产时间和成本高昂的延误损失。

支持虚拟系统原型构建

软件与电子硬件的相互作用、问题的多域特性都会大幅增加工程挑战的复杂性。ANSYS仿真软件可提供非常可靠的仿真结果，如系统级质量、属性、特性、功能、行为和性能信息等不一而足。系统设计人员从高级视角出发，能在充分掌握信息的基础上做出明智设计选择，从而对每个单独组件以及整个系统进行性能优化。

SCADE Suite是ANSYS解决方案的一个重要组件。在一个关于风力涡轮机安全系统的案例研究中，Vestas专家兼软件分析师David Steele通过视频给出以下评价：“……SCADE Suite使我们能够研发出更先进、更复杂的特性功能，而这些恰好满足了我们客户的需求。这样我们利用更低的能源成本和更少的生产要素就可研发出更好的产品。而且我们也能够为客户带来更高价值。这意味着我们比竞争对手具有更大的优势。”

嵌入式软件

已经完成部署的工业设备、资产和装置中存在大量嵌入式智能。许多年来，用于实现安全和生产自动化的先进控制器一直是人们关注的焦点。随着人们对工业互联网的持续关注，它将以前所未有的速度继续发展。智能机械的持续评估以及智能设备的集成工作，意味着嵌入式软件将在工业设备的性能增强和控制中起到更重要的作用。

工业设备与能源企业采用ANSYS SCADE进行嵌入式软件应用研发，实现高可靠性、任务或安全关键型应用中的嵌入式控制与显示（支持或不支持软件认证要求）。例如，Capstone Turbine采用SCADE研发了微型涡轮机发电系统的软件。SCADE具有三大特点：a）可以自动生产80-90%的应用软件和相关文档；b）消除代码审查工作；c）通过自动代码生成器的认证而减少80%的低级测试成本。因此，SCADE能够提供非常明显的经济优势，它可将嵌入式软件研发的整体时间和确认验证（V&V）成本锐减50%。

面向恶劣环境的设计

许多工业设备、自动化机械、工业机器人和自主采矿机械/车辆都需要承受冲击、振动、极端与波动温度、电磁干扰、易爆气体、粉尘、高湿度和腐蚀性化工品的影响。

海上石油天然气行业需要经常应对恶劣环境。在ANSYS服务的能源行业中，有些客户致力于研发在海上油气田工作的设备与机械；而有些客户研发用于海浪发电的新概念。开展海上业务的企业致力于研发海底发电站以及用于建设海底工厂的生产处理设备，而在海底工作的电子设备和控制系统必须确保极高的可靠性和最少干预。新型遥控潜水器（ROV）和自主水下載具（AUV）可以执行海底装置的建造、操作、维护、检查与维修。

在上述众多工业应用中，物理测试和原型构建一般成本高昂，而且有时根本不可行。ANSYS客户采用完整虚拟原型，能够证明海底设备的性能是否符合法规和行业标准。

更多ANSYS 技术在物联网的应用敬请访问：http://t.cn/R5wUMMa

来源：Ansys

振动电源电路半导体系统仿真建筑电力电子油气农业 UM 电机材料 MEMS

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2022-08-18