Digitaler Zwilling – Simulation im Betrieb
Branche: Elektrotechnik/ElektronikFachgebiet: Elektromagnetik, Strukturmechanik, SystemsimulationPrognose verbleibender Einsatzdauer eines sicherheitskritischen Relais
Zusammenfassung
Aufgabe
In sicherheitskritischen Anwendungen kommen spezielle Relais mit zwangsgeführten Kontakten zum Einsatz, die aufgrund ihres Aufbaus und der zugehörigen Schaltung einen Fehlerzustand sicher anzeigen können, allerdings erst mit dem Eintreten des Versagens. Ein reales Simulationsmodell prognostiziert den Ausfall und ermöglicht eine prädiktive Wartung.
Lösung
Detaillierte FEM-Simulationen werden als Verhaltensmodelle (reduced order models, ROMs) im ANSYS Systemsimulator Simplorer mit konzentrierten Elementen für die Kinematik und die Schaltung kombiniert. Eine cloudbasierte IoT-Plattform speist das Simulationsmodell mit echten Relais-Daten und stellt die verbleibenden Schaltzyklen dar.
Kundennutzen
Der digitale Zwilling ermöglicht es, lebensdauerrelevante Produkteigenschaften genauer zu bewerten. Der Umstieg von präventiver auf prädiktive Wartung bietet die Chance auf hohe Kosteneinsparungen (70% kürzere Ausfallzeiten und 25% geringere Kosten) und bessere Felddaten für die Produktentwicklung sowie detailliertere Kenntnisse für neue Geschäftsmodelle.
Die Lebensdauer eines Relais ist von verschiedenen Einsatzbedingungen abhängig. Die Größe der geschalteten Last, die Schalthäufigkeit und dauer sowie die Umgebungstemperatur sind einige typische Einflussgrößen. Sie definieren u. a. die im Lichtbogen anfallende Verlustleistung, die Temperatur der Kontakte und deren Verschleiß. In sicherheitskritischen Anwendungen kommen spezielle Relais mit zwangsgeführten Kontakten zum Einsatz, die aufgrund ihres Aufbaus und der zugehörigen Schaltung einen Fehlerzustand sicher anzeigen können, allerdings erst mit dem Eintreten des Versagens. Um bereits vor dem eigentlichen Versagen den Ausfall zu prognostizieren, soll ein Simulationsmodell, das mit realen Lastdaten gespeist wird, den realen Relais-Zustand widerspiegeln und so eine prädiktive Wartung ermöglichen.
Der Digitale Zwilling ermöglicht es, lebensdauerrelevante Produkteigenschaften zu bewerten, die reale Sensoren kaum messen können. Anhand der detaillierten Simulationsergebnisse – hier die Kontakttemperatur und Lichtbogenenergie – lassen sich der reale Verschleißzustand und die verbleibende Lebensdauer individuell bewerten. Der Umstieg von präventiver auf prädiktive Wartung bietet die Chance auf hohe Kosteneinsparungen (lt. US-Energieministerium 70% kürzere Ausfallzeiten und 25% geringere Kosten), bessere Felddaten für die Produktentwicklung und detaillierte Kenntnis einsatzspezifischer Nutzungsdaten für neue Geschäftsmodelle.
Um das Schaltverhalten des Relais während des Betriebs zu simulieren, wird ein performantes Simulationsmodell mit adäquater Realitätstreue benötigt. Detaillierte FEM-Simulationen für den Magnetkreis, Temperatur und Mechanik werden als Verhaltensmodelle (reduced order models, ROMs) im Ansys Systemsimulator Simplorer mit konzentrierten Elementen für die Kinematik und die Schaltung kombiniert. Während des Betriebes werden im realen Relais erfasste Sensordaten über ein Netzwerk an eine Cloud-basierte IoT-Plattform gesendet. Diese speist das Simulationsmodell damit, wertet automatisiert die Ergebnisse aus und stellt die verbleibenden Schaltzyklen dar.
![[Translate to German:] Schematics for a failure prognosis with a digital twin and real sensor data from a relay](/fileadmin/_processed_/d/a/csm_TextImageTeaser_Phoenix_Contact_Relais_Simulation_925a8dd13e.jpg "[Translate to German:] CADFEM simulation for failure prognosis of a Phoenix Contact relay based on real sensor values")
