摘要：頁巖氣是吸附在有機頁巖中的一種非常規(guī)氣體，是重要的工業(yè)能源之一，為有效利用和開發(fā)頁巖氣資源，需要對頁巖氣的吸附解吸特性進行研究。目前，國內(nèi)使用的吸附解吸設(shè)備較為原始，設(shè)備簡陋，設(shè)備精度和使用效率較低，隨著科技的不斷進步和發(fā)展，為實現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)備改造，不同學(xué)科交融性越來越明顯，微電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)設(shè)備方向不斷滲透，工業(yè)產(chǎn)品越來越智能化?，F(xiàn)基于SolidWorks進行設(shè)備的參數(shù)化建模設(shè)計，通過三維建模、虛擬裝配、仿真演示，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換和共享，使設(shè)備更加智能化、信息化。

關(guān)鍵詞：SolidWorks;建模設(shè)計;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

0 ? ?引言

頁巖氣的組成主要包括吸附氣、游離氣和溶解氣，在這些組成成分中，吸附氣占比較大，大部分頁巖氣體通過吸附的方式存在，有機頁巖對吸附氣的吸附量較高，通?？蛇_20%～80%。因此，研究頁巖氣的吸附解吸量對頁巖氣藏量資源的評價尤為重要，同時也是頁巖氣資源開發(fā)利用必不可少的一個環(huán)節(jié)。

1 ? ?設(shè)計技術(shù)路線

本文運用現(xiàn)有國家標準和行業(yè)標準對頁巖氣吸附解吸特性進行研究，結(jié)合有關(guān)企業(yè)關(guān)于頁巖氣吸附解吸實驗的作業(yè)指導(dǎo)書進行分析，通過對有機頁巖樣品進行氣體吸附解吸實驗，得出有機頁巖對氣體的吸附解吸特征，然后在國家標準和有關(guān)作業(yè)指導(dǎo)書的基礎(chǔ)上進行分析設(shè)計，運用SolidWorks軟件進行吸附解吸實驗裝置的三維建模，并通過機電仿真設(shè)計構(gòu)建機械三維設(shè)計框架，設(shè)計完成后進行虛擬裝配及仿真演示，最后通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行機電遠程控制。具體設(shè)計技術(shù)路線如圖1所示。

2 ? ?方案設(shè)計

目前頁巖氣現(xiàn)場解吸工作主要是通過排水集氣裝置進行，人工在現(xiàn)場讀取并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，后期對數(shù)據(jù)進行分析處理，最后作出相應(yīng)的評價報告。而這樣的工作方式大大增加了人力成本，需要多人輪流值班，同時，傳統(tǒng)的排水集氣裝置通過一套設(shè)備進行組裝，需要恒溫水浴鍋、大氣壓表、溫度計、集氣管等設(shè)備，這些設(shè)備通常要帶到野外進行現(xiàn)場解吸實驗，繁多笨重，攜帶非常不方便，安裝繁瑣，增加了很多不必要的工作，導(dǎo)致工作效率較低。

隨著科技的進步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的頁巖氣解吸裝置已不能滿足工作需求，為提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，提高檢測結(jié)果的準確性和認可度，設(shè)計一種便攜式的全自動現(xiàn)場解吸裝置尤為重要。全自動現(xiàn)場解吸裝置的設(shè)計主要運用SolidWorks進行，通過虛擬數(shù)字化的設(shè)計方式，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，將虛擬三維建模運用到整個裝置的設(shè)計中，實現(xiàn)新產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。

SolidWorks是現(xiàn)在主流的三維機械設(shè)計軟件，基于Windows系統(tǒng)進行開發(fā)，內(nèi)部集成了三維機械設(shè)計（CAD）、結(jié)構(gòu)有限元分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）、大型企業(yè)管理（PDM）和機構(gòu)運動仿真分析等模塊。SolidWorks模塊化，易學(xué)易用，廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、交通等領(lǐng)域。

2.1 ? ?建模設(shè)計

SolidWorks的建模常用命令有草圖繪制、拉伸切除、鏡像、基準面建立、放樣、旋轉(zhuǎn)切除等，通過這些命令操作來實現(xiàn)對產(chǎn)品各個零件的建模設(shè)計，通過修改尺寸數(shù)據(jù)和幾何關(guān)系實現(xiàn)參數(shù)化建模。

在三維建模中，首先進行零件設(shè)計，即繪制各零件草圖。草圖繪制是三維實體造型的基礎(chǔ)，通過草圖繪制命令使直線、圓弧、矩形等幾何元素構(gòu)成二維平面幾何圖形，再通過三維特征命令轉(zhuǎn)化為三維模型，進而完成三維實體建模。

2.2 ? ?虛擬裝配

零件設(shè)計完成后進行虛擬裝配，虛擬裝配是將單個零件組成一個完整的、能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求的三維機械設(shè)備整體模型。先通過SolidWorks的裝配模塊新建一個裝配圖，將繪制好的三維零件模型添加到新建的裝配圖內(nèi)，通過添加兩個零件間的裝配關(guān)系，實現(xiàn)零件與零件的配合或者零件與裝置的配合。SolidWorks裝配關(guān)系主要包括重合、同心、平行等，通過該配合關(guān)系來定義部件間的運動連接關(guān)系，從而形成一個完整的裝配圖。

2.3 ? ?布線模型

通過設(shè)備的控制設(shè)計，完成設(shè)備的控制系統(tǒng)，電路設(shè)計的2D制圖可以通過在elecworks中完成;通過SolidWorks與elecworks 3D Layout模塊相適配，兩者進行有效融入，可以將平面原理圖中的元器件添加到SolidWorks的模型中，通過elecworks的布線附加模塊，根據(jù)布線圖和接線情況，在SolidWorks中設(shè)計布線模型如圖2所示。

2.4 ? ?物聯(lián)網(wǎng)模塊

物聯(lián)網(wǎng)模塊是按照有關(guān)通信協(xié)議，將設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進行有效連接，實現(xiàn)設(shè)備的信息交換和數(shù)據(jù)共享，使設(shè)備實現(xiàn)智能識別、自動監(jiān)測監(jiān)控，實現(xiàn)設(shè)備的智能管理。

物聯(lián)網(wǎng)模塊按有關(guān)通信協(xié)議進行分層設(shè)計，從底層到頂層分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。按頁巖氣吸附解吸量的特征，將物聯(lián)網(wǎng)模塊按設(shè)備層、控制層和管理層進行模塊劃分，實現(xiàn)設(shè)備信息交換。

物聯(lián)網(wǎng)以射頻識別、產(chǎn)品電子代碼和ZigBee技術(shù)為主導(dǎo)。經(jīng)過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）傳輸上來的數(shù)據(jù)，與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶钌蠈印?yīng)用層提供各種數(shù)據(jù)接口，并且有分布處理技術(shù)、云計算和海計算平臺、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等技術(shù)支持，對海量數(shù)據(jù)進行分析和處理。

便攜式的全自動現(xiàn)場解吸裝置的開發(fā)利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)短距離無線通信，該技術(shù)可靠性高、功耗低、速率低、成本低，能保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全，主要基于IEEE 802.15.4標準，利用RF發(fā)射功率或通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離可實現(xiàn)無限擴展。

2.5 ? ?控制模塊

裝置系統(tǒng)采用可靠性高的西門子S7-200可編程序控制器進行編程，使用現(xiàn)有組態(tài)軟件設(shè)計人機交互界面，將頁巖氣的各項行業(yè)標準、傳感器測量國家標準等融入系統(tǒng)的設(shè)計過程，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)對頁巖氣巖心解吸吸附特性的遠程在線監(jiān)測。系統(tǒng)開發(fā)的最終目標是將C/S和B/S體系結(jié)構(gòu)模式相結(jié)合，融合兩者的優(yōu)點，完成對設(shè)備狀態(tài)的查詢和監(jiān)督。

3 ? ?結(jié)語

本文基于SolidWorks進行設(shè)備的參數(shù)化建模設(shè)計，通過三維建模、虛擬裝配，搭建了虛擬仿真環(huán)境，完成了機電一體化虛擬原型，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換和共享，建立起“機械—物聯(lián)”的基本設(shè)計架構(gòu);通過可編程序控制器進行控制系統(tǒng)設(shè)計，將現(xiàn)有標準公式融入系統(tǒng)控制，實現(xiàn)設(shè)備的自動檢測與監(jiān)測，使設(shè)備更加智能化、信息化。

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收稿日期：2020-07-27

作者簡介：穆記永（1991—），男，云南人，助理工程師，研究方向：機電。