2022年, 第9卷, 第4期　刊出日期：2022-08-25

  

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专题：智造技术
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  基于数字孪生的智能车间生态系统建设与应用研究—以昆明卷烟厂制丝车间为例

  彭世宇, 吴波, 李晓科

  工业技术创新. 2022, 9(4): 1-11. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.001

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  为了实现昆明卷烟厂现有生产过程及管理模式的逐步调优,综合运用数字孪生技术、生产过程实时可视化监控技术、运行状态在线分析与评估预测技术以及生产过程仿真技术,建立了制丝车间数字孪生体,并在此基础上构建了智能车间生态系统。为该生态系统建设确立了5项研究目标和6项重要研究内容;实施了从实体车间映射到数字孪生车间的4个步骤;为数字孪生车间构建了生产前设计仿真、生产中工艺仿真、生产后回溯仿真3阶段生产运行仿真,在数字空间对生产过程进行了诊断分析和迭代优化;利用孪生数据反向优化生产,取得了良好的优化效果。上述研究内容已经在昆明卷烟厂制丝车间实施完成,验证了将智能车间生态系统用于优化现有生产流程及管理模式的有效性和可行性。未来,该生态系统将对全国烟草行业数字化管理产生积极的示范意义。
  
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  时间序列数据库管理：技术、系统与展望

  郑博, 王煜彤, 燕钰, 王宏志

  工业技术创新. 2022, 9(4): 12-21. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.002

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  传统时间序列数据库（时序数据库）存在数据吞吐量低、数据压缩率低、适用性不佳等局限性,提高海量数据写入效率、降低数据压缩成本、有效支持时序数据统计分析等成为重大挑战。探讨了利用时序数据库管理系统应对上述问题的关键技术。结合现有时序数据库管理系统在部分工业领域中的应用及关注度趋势,对其未来发展方向进行了展望：加强聚集计算能力,提高分布式架构柔性,研发参数自主调优技术,推进系统向新型存储设备和处理器移植。
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  基于Ngspice的数模混合电路仿真交互系统

  齐非凡, 王月海, 王连浩

  工业技术创新. 2022, 9(4): 22-29. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.003

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  针对现有数模混合电路仿真软件存在的元件模型种类有限、可扩展性差等问题,提出一种以Ngspice仿真引擎作为内核的数模混合电路仿真交互系统。以接口函数和封装操作实现数据处理和调用功能,以电路原理图编辑和参数配置界面作为用户与仿真器的交互,用户可从模型元件库中选取各种元件,实现仿真电路图的绘制。系统通过电路转换,生成电路所对应的网表文件。Ngspice根据用户的配置完成电路仿真,并对仿真结果进行图形化显示。利用同步算法实现了数模混合信号同步,成功解决了数模混合电路仿真技术的融合设计。测试结果表明,系统具有良好的性能及适用性,仿真结果总体相对误差仅为1.3%。
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  基于有监督和无监督学习算法的设备故障诊断技术及算法融合探析

  周峰, 余意, 林昕, 姜亚光, 刘汝芳

  工业技术创新. 2022, 9(4): 30-38. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.004

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  部分工业生产工艺具有生产工序长、使用设备多、设备机理复杂等特点,特殊的工艺运行环境进一步加剧了设备故障率和故障危害性。以轧钢工艺中的多传感设备粗轧机作为研究对象,设计了基于多尺度卷积神经网络（CNN）模型的有监督学习算法,研究与比选了LOF、K-means、GMM、SO-GAAL、MO-GAAL等无监督学习算法。研究发现：1）将多尺度CNN模型应用于粗轧机原始数据,测试集的准确率高达99.91%,但损失函数数值较大;2）无监督学习算法通过二元分类处理评价设备故障诊断性能,其中MO-GAAL算法的二元分类指标均在98%以上,AUC值高达0.99,在五种算法中效果最好。结合两类算法优势,构建并探析了算法融合策略,为粗轧机故障诊断的不同场景提供了进一步的解决方案。
专题：新材料
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  堆焊层数对黑水角阀F22材质密封件组织、元素和硬度的影响

  王建龙, 徐喜龙, 王媛媛, 马超, 万泓明, 邓德伟

  工业技术创新. 2022, 9(4): 39-47. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.005

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  煤灰颗粒冲刷、黑水汽化引起的腐蚀等对黑水角阀服役寿命具有不利影响。采用等离子堆焊工艺方法,在黑水角阀F22材质密封件表面堆焊Co112硬质合金,考察堆焊层数对显微组织、元素分布和维氏硬度的影响。研究发现：1）第二次堆焊在第一次堆焊基础上施加了一次热处理,共晶成分占比高于第一堆焊层,树枝晶组织被细化,交界处有明显的组织转变区;2）熔合线附近处有柱状组织,以Cr元素为主,堆焊两层后,第一堆焊层Cr元素含量提高;3）相较于堆焊一层,堆焊两层的显微硬度平均值提高11.6%,最大值提高8.1%。进一步分析得知：第二次堆焊起到了固溶强化、细晶强化等作用,堆焊“第二韧劲”对第一堆焊层的性能起到了改善作用,使得黑水角阀更好满足服役要求。
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  不同钢丝绳润滑脂的理化特性研究

  许恩荣, 康先智, 刘军海, 刘国瑞, 白敏, 张云, 苗侨伟

  工业技术创新. 2022, 9(4): 48-54. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.006

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  润滑脂的性能是确保钢丝绳使用寿命的关键。对七种常见的钢丝绳润滑脂的理化特性进行探究,测定七种润滑脂的灰分、残碳、水分、比重、粘度、防水性、抗氧化性、抗腐蚀性等理化指标,辅以图表法、观察法等手段,对比润滑脂的质量与功能。研究发现：1）从成分测定结果看,杂质少、不易结块的润滑脂为KL-90、KL-70、XT-70,不易积碳的润滑脂为CH-1、IRIS655、A19-200,低温流动性最好的润滑脂为XT-70;2）从物理性质测定结果看,七种润滑脂在流动性和防水性方面差异不大,适用温度宽度大的润滑脂为KL-90;3）从化学性质测定结果看,抗氧化性、抗腐蚀性最好的润滑脂均为IRIS655。分析了不同润滑脂理化指标之间的内在关联,明确了各种润滑脂在不同环境下的适用性。
专题：装备研制
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  气体减压器校准装置设计与校准方法研究

  姚进

  工业技术创新. 2022, 9(4): 55-62. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.007

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  气体减压器常规校准方法存在人工调节气压值不准确、拆装部件破坏减压器密封性、操作步骤复杂、校准效率低等问题。设计了一款新型气体减压器校准装置。校准装置主标准器为智能压力控制器,主要配套设备包括气压发生器、气体增压器、减压器连接台和带校准软件的上位机。连接台功能齐备、配套接口齐全,操作方便,可实现减压器整体校准。上位机校准软件具有全自动气压控制功能,无需人工手动调压,可帮助校准员快速完成压力表的校准和安全阀检测,提高工作效率。不确定度评定表明,新型减压器校准方法合理,压力表各校准点示值误差的扩展不确定度优于最大允许误差绝对值（MPEV）的三分之一。
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  风机塔架门洞应力状态研究及门框结构优化

  陈小军, 向际超, 刘婷, 李霞

  工业技术创新. 2022, 9(4): 63-71. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.008

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  塔架是大型风电机组的重要支撑部件,其门洞区域和门框是结构设计的薄弱点和难点,对风电机组安全性、可靠性具有广泛影响。聚焦于门框优化设计,分析设计要点,首先对风机塔架门洞应力状态进行研究,然后考虑门框上下椭圆半长轴、门框左右椭圆半短轴、门框宽度和门框露出塔架外筒壁宽度四个变量,形成四套设计方案,兼顾制造工艺可行性和结构安全性,揭示门框结构优化规律。研究发现：适当加大门框椭圆外长轴、缩小外短轴、保证合适的门框宽度、保证门框内外伸出筒体的长度一致,可以较大程度实现门框优化设计。
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  多级轴流叶片除雾器阻力与分离性能研究

  卢恒, 羊美莲, 杨正君, 卜诗, 柳林

  工业技术创新. 2022, 9(4): 72-79. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.009

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  轴流叶片除雾器是海洋船舶机舱进气系统的核心部件,用于去除海面空气中的高浓度盐雾气溶胶,防止对下游设备造成腐蚀。鉴于常规除雾器对雾滴和空气的总体分离机制存在固有局限,提出合理增加轴流叶片级数的改进设想。采用计算流体力学（CFD）理论和方法,对单级、两级和三级叶片除雾器内的气液两相流场进行数值模拟,重点考察进气流速范围1~7 m/s、雾滴粒径10~100 μm时,叶片级数对阻力和分离效率特性的影响。研究发现：1）叶片下游未被分离的雾滴主要集中于近壁面的薄层区域内,通过串联叶片可进一步挤压高浓度区范围,促进二次分离;2）增加叶片级数具有压力缓释作用,使得下游的流动能耗减小,额外阻力增幅微弱;3）相比传统的单级叶片,使用两级叶片足以将除雾效率有效而经济地提升至接近100%。
专题：绿色工业
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  工业节能潜力分析及对策建议

  李欢, 李坤

  工业技术创新. 2022, 9(4): 80-85. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.010

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  工业是我国能源消费的重要领域之一,工业节能对碳减排贡献巨大,深入开展工业节能有助于推动我国工业高质量发展,有助于积极应对气候变化,有助于我国经济发展行稳致远。通过系统梳理工业领域能源消费数据,研判了近年来工业领域能源消费的整体情况和发展趋势,从区域、行业、市场、管理四个维度分析了未来工业节能潜力。研究发现,我国部分区域和部分行业企业的节能潜力还很大,完善市场机制和管理体系有助于进一步推进工业能效提升。据此,提出对策建议：单体与系统并重,深入挖掘工业节能潜力;服务与监管并举,逐步夯实工业节能管理基础;总量与结构并济,大力推进工业用能低碳转型;节能与发展并行,积极培育绿色增长新引擎。
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  活性炭吸附—蒸汽脱附冷凝回收工艺在涂装废气VOCs处理中的应用

  熊亚波, 董艳玲

  工业技术创新. 2022, 9(4): 86-92. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.011

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  为有效处理涂装废气中的挥发性有机化合物（VOCs）,提升涂装企业经济效益和碳减排效益,提出一种集废气预处理、废气吸附脱附、VOCs冷凝回收等技术于一体的活性炭吸附—蒸汽脱附冷凝回收工艺技术路线。以非甲烷总烃浓度、排放量、排放速率和处理效率等为评价指标,结合废气处理前后数据,考察工艺效果和效益。应用表明：1）废气处理后,非甲烷总烃浓度和速率分别为10 mg/m³和1.0 kg/h,均达到环保要求;2）VOCs去除效率为92.6%;3）鉴于回收的有机溶剂能产生一定的成本节约,整套系统运行成本远远低于37万元。活性炭吸附—蒸汽脱附冷凝回收技术是一种环保经济的技术,建议在涂装废气VOCs处理推广使用。
工业科学
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  基于多重加密算法的智能电网终端接入认证方案

  陈永涛, 王维, 孙磊

  工业技术创新. 2022, 9(4): 93-101. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.012

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  智能电网业务种类多、数据规模大,信息交互复杂,终端接入时极易产生安全风险。提出一种融合了多种加密算法的智能电网终端接入认证方案：采用虹膜识别方式,对终端操作人员的合法性进行确认,提升终端侧的私钥管理安全;设计基于SM9标识加密算法的身份认证模块,通过SM9标识管理平台完成终端身份认证,并根据身份标识分配对应的资源访问权限,确保海量终端设备的接入安全;对挑战握手认证协议（CHAP）加以改进,弥补SM9身份认证机制在应对重放攻击、用户口令易于被窃取时的不足。设计终端实时监测方案,实现对终端性能与实时状态的持续监视。该方案克服了传统身份认证机制证书管理复杂、不利于安全应用部署等问题,较好解决了智能电网终端接入复杂度与安全风险之间的矛盾。
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  一种基于FPGA的时间间隔测量系统设计

  李兴鑫, 黄明, 李恩丞, 张镇, 王泽权

  工业技术创新. 2022, 9(4): 102-108. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.013

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  在地质勘探工作中,震波反射波对时间间隔测量技术的要求较高。为适应山川田野等复杂地质环境的地质测量,开发具有一定便携性和测量精度的便携设备非常必要,FPGA的高集成度使得这一测量系统的实现成为可能。设计了一种基于FPGA的时间间隔测量系统：采用多相计数法,在Verilog语言开发环境下,利用FPGA内部集成的PLL锁相环获得精准的多相采样时钟;充分利用FPGA并行运算特点,保障系统运算能力和测量精度。系统实测验证表明：该系统结构简单、功耗小、成本低、易携带,抗干扰效果好,系统测量精度可达到±1 ns,测量时间间隔的动态范围可覆盖1 ns~1.2 h。
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  天然祖母绿和助熔剂法培育祖母绿的鉴别方法探究

  盛志远, 辛虹瑾, 付东阳, 罗艳梅, 叶鹏

  工业技术创新. 2022, 9(4): 109-113. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.014

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  随着新型材料合成技术的发展,利用助熔剂法培育祖母绿的技术日渐成熟,合成产品充斥市场,不仅给消费者造成了经济损失,也给珠宝鉴定工作带来了挑战。利用宝石折射仪、密度测试仪、宝石显微镜、傅里叶变换红外光谱仪和紫外—可见光光纤光谱仪等仪器,对天然祖母绿和助熔剂法培育祖母绿的宝石学参数进行测定和比对分析,探究最佳的鉴别方法。研究发现：1）两种祖母绿的折射率、光性、密度非常相近,难以区分,采用宝石折射仪和密度测试仪进行鉴别不可行。2）根据紫外—可见光光谱测定结果,天然祖母绿和助熔剂法培育祖母绿分别存在Fe³⁺的吸收峰和Cr³⁺的吸收峰;根据红外光谱测定结果,天然祖母绿具有水分子—OH羟基的吸收峰而助熔剂法培育祖母绿不具有,与紫外—可见光光谱测定结果构成相互验证。3）通过显微放大观察,两种祖母绿在包体和洁净程度上有明显区别,但这并非是鉴别二者的直接证据,仅能起到辅助和参考作用。
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  分子荧光光谱法快速检测掺杂地沟油的食用油

  赵莹莹

  工业技术创新. 2022, 9(4): 114-119. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.015

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  食用油是食品的重要组成部分,对食用油中的地沟油进行准确检测,对保障食品安全具有十分重要的意义。针对传统地沟油检测方法的诸多局限,创新设计一种利用分子荧光光谱法对色拉油样品进行检测的实验方案。在色拉油中加入不同体积的猪油来模拟“地沟油”,明确加入地沟油的最佳体系,并将5种不同的地沟油样品掺入色拉油后,与原色拉油的荧光光谱图对比,实现地沟油鉴别。研究发现：对于掺杂地沟油的色拉油,分子荧光光谱中最大发射波长的峰位、荧光强度大都发生了明显变化,结果可以作为鉴别地沟油的数据依据。这种方法对公安机关打击食品安全犯罪上提供一种快速、准确的方法和途径。
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  配煤掺烧工艺下火电厂燃煤成本的动态计算模型

  薛定国

  工业技术创新. 2022, 9(4): 120-130. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.08.016

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  燃煤成本计算是火电厂开展配煤掺烧经济性评价的数据和算法基础,提高燃煤成本测算的动态性,对准确把握火电厂配煤掺烧工艺配置而言意义重大。以某火电厂作为典型实例,以输煤流程、储煤结构等为切入点,构建了配煤掺烧工艺下火电厂燃煤成本的动态计算模型,形成了符合火电厂生产运行逻辑的燃煤成本测算工程体系。研究发现：1）入炉燃煤“量”“质”“价”的动态测算是燃煤成本动态计算的关键问题;2）原煤仓下煤检测为实时性要求,原煤仓上煤、筒仓下煤、筒仓上煤、煤场堆煤和取煤等均为及时性需求;3）应根据煤场、筒仓、原煤仓等储煤场所的存煤结构特点,在程序开发时开展针对性、差异化设计,以更好符合火电厂现场管理逻辑和经营逻辑。