許光玉 金永俊 朱江 羅賽 朱金華
1.吉林煙草工業有限責任公司 吉林 延吉 133000;2.中國科學院沈陽自動化研究所 遼寧 沈陽 110016;3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院 遼寧 沈陽 110016
通過建設數字孿生系統,建立完成工廠的數字模型,讓員工在計算機虛擬環境中,對設備裝置的整體結構和運行進行可視化的管理、仿真和優化[1]。軟件系統的主要功能包括設備裝置基礎信息管理、設備裝置運行監控管理、設備裝置運維管理等。同時集成了與DCS/FCS系統、MES系統、EAM等系統、安全監控系統的數據接口后,可以更加及時全面地獲取工廠的運行狀況信息和歷史維護信息。
數字孿生系統的具體內容包括:數據資源建設:建立和完善系統正常運行所需要的模型庫、資料庫、基礎數據庫、設備資產庫、特征測點庫等,這些數據資源是系統運行的基礎。服務與組件:用于支持常規應用的服務和組件,包括圖形引擎、數據服務組件、WEB服務組件、可視化組件、報警引擎。應用模塊:各種應用包括基礎信息管理、運行監控管理、運維管理、各種接口等。系統的組成結構圖如下圖所示:
圖1 功能結構圖
數據資源是系統存儲的各類邏輯概念上的數據源,包括設備模型庫、設備資料庫、設備資產庫、特征測點、處置記錄庫等。
設備模型庫存儲設備模型的三維數據,用于三維模型的空間快速檢索、存儲以及修改等操作。設備資產庫管理設備資產的庫存、消耗、設備型號等信息,同時關聯到revmod產生的三維模型中,根據三維模型接口將設備的信息補充到設備資產庫中。設備資料庫用來存儲設備的各種資料,并對資料進行整理分類。設備資料庫通過權限控制限制用戶訪問的權限。特征測點庫管理設備的特征測點以及測點閾值信息,特征測點庫使用讀寫分離技術,保證測點以及閾值檢查的快速性和實時性。處置記錄管理設備等在運行過程中產生的報警處置過程。處置記錄庫中設備特征標識來自于revmod模型。處置步驟以工作流的方式進行處理,工作流過程由工作流引擎庫進行設置。其中設備模型庫結構示意圖如圖2所示。
服務與組件包括圖形引擎、數據服務組件(視頻數據服務組件、DCS數據服務、分布式控制系統數據服務組件、文檔數據服務組件等等)、可視化組件、WEB服務組件、報警引擎。
基于三維模型和流程圖,為采選廠的領導、各級主管和操作人員,提供可視化的資產管理系統圖。使用者可以在廠區資產的三維可視化場景中任意瀏覽、漫游、縮放、旋轉,任意選擇對象查看其資產屬性信息,并調閱其相關的文檔信息,如操作手冊等。其中資產管理系統圖如圖3所示。
圖2 設備模型庫結構示意圖
圖3 設資產管理系統圖
數字孿生系統需要完善的網絡及存儲設施,包括各種服務器、存儲設備、網絡設備、安全設備等設備設施。服務器用來進行三維模型的存取、文檔資料的存取,生產運行數據存取使用和對外提供服務。
通過建設數字孿生系統,充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。借助于物聯網和大數據技術,通過采集有限的物理傳感器指標的直接數據,并借助大樣本庫,通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標,可以實現對當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷,以及對未來趨勢的預測,并給予分析的結果,模擬各種可能性,提供更全面的決策支持[2]。