基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生框架與建模方法

林海龍，周雅光，張超,3，周光輝,3，田曉俊，劉勁松，鄧立康

1.國(guó)投生物科技投資有限公司，北京 100034

2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049

3.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054

4.國(guó)投生物能源(鐵嶺)有限公司，遼寧 鐵嶺 112700

燃料乙醇生產(chǎn)線具有信息化與智能化不足、管控成本較高、安全隱患監(jiān)測(cè)困難等特點(diǎn)，現(xiàn)有的燃料乙醇生產(chǎn)線的信息化和智能化程度偏低[1?4]，難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線全要素信息的感知、獲取及進(jìn)一步優(yōu)化。與此同時(shí)，生產(chǎn)線的實(shí)際情況存在監(jiān)測(cè)困難、管理難度大以及生產(chǎn)成本高等問(wèn)題[5]。為了實(shí)現(xiàn)燃料生產(chǎn)線的全過(guò)程監(jiān)測(cè)、管控與優(yōu)化，促進(jìn)燃料乙醇生產(chǎn)線智能化進(jìn)程，提高核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，亟需通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、邊緣計(jì)算、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)融合應(yīng)用，對(duì)生產(chǎn)線資源進(jìn)行整合，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，達(dá)到提高產(chǎn)能、降低燃料乙醇生產(chǎn)成本的目的[6]。

在智能制造的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)字孿生整合了多屬性、多維度、多應(yīng)用的仿真技術(shù)，通過(guò)數(shù)字技術(shù)對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的特征、行為、形成過(guò)程和性能進(jìn)行描述和分析，并結(jié)合先進(jìn)傳感器、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、歷史大數(shù)據(jù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)挖掘等功能[7]。數(shù)字孿生的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在：通過(guò)物理世界和數(shù)字世界之間的互聯(lián)互通和智能化決策來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自組織、自適應(yīng)和智能化運(yùn)行[8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界圍繞數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的智能生產(chǎn)線開(kāi)展了許多探索性的研究，從不同角度對(duì)數(shù)字孿生賦能的生產(chǎn)線模式框架[9]、基礎(chǔ)理論[10]、軟硬件系統(tǒng)[11]等進(jìn)行了論述，為數(shù)字孿生智能生產(chǎn)線的研究與實(shí)踐提供了基礎(chǔ)。但目前鮮有研究將數(shù)字孿生技術(shù)與燃料乙醇等化工生產(chǎn)線相結(jié)合，無(wú)法有效支撐燃料乙醇智能生產(chǎn)線的自治過(guò)程。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主要依靠互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集、控制傳感器或控制器以及移動(dòng)通信、智能分析等技術(shù)融入到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)互聯(lián)互通以及全產(chǎn)業(yè)鏈資源高效整合，從而提升傳統(tǒng)工業(yè)的智能化水平[12]?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)通過(guò)融合數(shù)字孿生技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的全時(shí)段信息進(jìn)行采集、感知與集成優(yōu)化，進(jìn)而支撐燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)信息處理、工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整等典型應(yīng)用場(chǎng)景。

基于以上分析和思考，本文以燃料乙醇生產(chǎn)線為研究對(duì)象，從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的角度，通過(guò)引入數(shù)字孿生技術(shù)，提出一種燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生框架與建模方法，闡述了燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型的物聯(lián)配置、數(shù)據(jù)傳輸與融合和數(shù)字孿生建模三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。最后，以國(guó)投生物能源(鐵嶺)公司燃料乙醇生產(chǎn)線為工業(yè)案例，驗(yàn)證了所提框架與方法的有效性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了燃料乙醇生產(chǎn)線全過(guò)程的監(jiān)測(cè)、管控與優(yōu)化。

1 燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生框架

數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)提高燃料乙醇生產(chǎn)線實(shí)時(shí)信息感知與監(jiān)測(cè)有重要作用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高效的數(shù)據(jù)傳輸與處理功能促進(jìn)了數(shù)字孿生在物理空間和虛擬空間的信息傳遞與融合，在數(shù)字孿生中引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高效的數(shù)據(jù)處理功能與數(shù)字孿生高保真的生產(chǎn)線模型，極大地提升了燃料乙醇生產(chǎn)線的智能化程度[13]。本文基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，提出了一種燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生框架，如圖1所示，包括物理空間、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、虛擬空間和關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景4個(gè)層次。

圖1 燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生框架

1.1 物理空間

物理空間是數(shù)字孿生虛擬空間的映射基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)任務(wù)智能執(zhí)行的載體，主要提供燃料乙醇生產(chǎn)線生產(chǎn)所需的物料運(yùn)輸、生產(chǎn)設(shè)備與操作人員等全部生產(chǎn)要素與生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)[14]。首先，物聯(lián)設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和無(wú)線網(wǎng)實(shí)時(shí)感知生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)信息并上傳至工業(yè)云平臺(tái)的互聯(lián)網(wǎng)層；其次，在云基礎(chǔ)服務(wù) (infrastructure as a service，IaaS)層對(duì)物聯(lián)設(shè)備的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與融合；最后，將融合的數(shù)據(jù)作為虛擬空間數(shù)字孿生模型構(gòu)建和關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景的輸入，提供底層高性能數(shù)據(jù)支持。物理空間通過(guò)對(duì)生產(chǎn)資源的共存、協(xié)同與自我認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的智能執(zhí)行，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中孿生數(shù)據(jù)的融合連接與交互的實(shí)現(xiàn)、虛擬空間的模型的構(gòu)建以及關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景的應(yīng)用服務(wù)的提供載體。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)包含3層，分別為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (industry internet of things，IIoT)層、云基礎(chǔ)服務(wù)層、云計(jì)算平臺(tái) (platform as a service, PaaS)層[15]。IIoT層負(fù)責(zé)工業(yè)云平臺(tái)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)與數(shù)據(jù)采集服務(wù)。IaaS層將IIoT層中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行融合，根據(jù)虛擬空間和關(guān)鍵應(yīng)用解決方案層對(duì)于數(shù)據(jù)的需求量，合理的分配計(jì)算、存儲(chǔ)資源。PaaS層由通用PaaS和工業(yè)PaaS兩部分組成，通用PaaS主要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)IaaS層的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)帶寬以及傳輸安全提供保障服務(wù)。工業(yè)PaaS為虛擬空間數(shù)字孿生模型的部署提供載體，藉由IIoT層與IaaS層對(duì)數(shù)據(jù)高效的傳輸與計(jì)算能力，為數(shù)字孿生模型的高保真度與虛擬同步的高實(shí)時(shí)性提供了高效的技術(shù)支撐。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)IIoT層、IaaS層與PaaS層共3層的分工協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了物理空間的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合傳輸、數(shù)據(jù)的安全與高效處理與虛擬空間數(shù)字孿生模型的部署承載，為物理空間數(shù)據(jù)的傳輸與虛擬空間的模型的部署提供了重要的技術(shù)支撐。借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在該框架中承上啟下的作用，為數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的實(shí)時(shí)性與兼容性，提高了數(shù)字孿生應(yīng)用的有效性。

1.3 虛擬空間

虛擬空間是各類數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)任務(wù)仿真分析、任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)預(yù)測(cè)和優(yōu)化的載體，并集成跨空間的交互接口，用于數(shù)據(jù)指令的上傳下達(dá)。虛擬空間采用大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)挖掘、關(guān)聯(lián)和分析設(shè)備的生產(chǎn)、驅(qū)動(dòng)、擾動(dòng)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)孿生模型的影響，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的自動(dòng)關(guān)聯(lián)和調(diào)整[16]。結(jié)合多尺度模型的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法和仿真優(yōu)化機(jī)制，通過(guò)多模態(tài)數(shù)據(jù)接口，完成控制指令上傳下達(dá)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體空間與虛擬空間的同步映射和閉環(huán)控制。同時(shí)，基于物理空間設(shè)備構(gòu)建的高保真仿真模型，同步模擬生產(chǎn)線的全部加工過(guò)程，及時(shí)對(duì)生產(chǎn)任務(wù)中的各種顯隱性擾動(dòng)實(shí)施調(diào)整與優(yōu)化。

1.4 關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景

關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景圍繞燃料乙醇生產(chǎn)線感知、控制、優(yōu)化、診斷和決策等過(guò)程，構(gòu)建面向數(shù)字孿生生產(chǎn)線智能管控服務(wù)，形成生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程建模、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)、工藝參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)字孿生解決方案，提高燃料乙醇生產(chǎn)線可視化水平及智能運(yùn)維水平。在生產(chǎn)準(zhǔn)備過(guò)程中，對(duì)生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備建模，并對(duì)其進(jìn)行物理、運(yùn)動(dòng)、行為機(jī)理建模分析?；跀?shù)字孿生模型與生產(chǎn)計(jì)劃的仿真、評(píng)估、優(yōu)化數(shù)據(jù)，在關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景層對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行修正與優(yōu)化。在生產(chǎn)過(guò)程中，數(shù)字孿生模型與孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)感知監(jiān)測(cè)。物理空間將生產(chǎn)中的生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)與虛擬空間的生產(chǎn)任務(wù)仿真、驗(yàn)證與優(yōu)化的數(shù)據(jù)不斷反饋到關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景層中，并實(shí)時(shí)優(yōu)化工藝參數(shù)以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。此外，針對(duì)運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備故障、訂單插單等生產(chǎn)擾動(dòng)進(jìn)行異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)，基于孿生數(shù)據(jù)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行感知、報(bào)警、分析與優(yōu)化，達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)線的資源配置和提高其魯棒性與生產(chǎn)效率的目的。

2 燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生建模

在燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生建模過(guò)程中，已建有完備的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，涉及到的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云基礎(chǔ)服務(wù)、云計(jì)算平臺(tái)等技術(shù)已相對(duì)成熟，本文不再贅述。通過(guò)建設(shè)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分散生產(chǎn)線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的感知、優(yōu)化、控制、診斷和決策，建立高保真虛擬孿生模型，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)空間同步映射與數(shù)據(jù)同步傳輸，形成支持生產(chǎn)線關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)字孿生解決方案。根據(jù)數(shù)字孿生建模需求，所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括生產(chǎn)線物聯(lián)配置、數(shù)據(jù)多向傳輸與融合、數(shù)字孿生建模，下文進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 生產(chǎn)線物聯(lián)配置

生產(chǎn)線物聯(lián)配置是虛擬空間數(shù)字孿生建模的數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)物聯(lián)設(shè)備智能配置，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的感知與融合，并與物理空間與虛擬空間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。生產(chǎn)線物聯(lián)配置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線物聯(lián)配置

物聯(lián)配置主要涉及生產(chǎn)類儀器儀表、實(shí)驗(yàn)類儀器儀表和關(guān)鍵機(jī)組機(jī)泵類設(shè)備，并將其合理部署，分別接入互聯(lián)網(wǎng)邊緣系統(tǒng)。生產(chǎn)類儀器儀表數(shù)據(jù)通過(guò)分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)，將壓力傳感器、溫度傳感器、渦輪流量計(jì)、液位儀等數(shù)據(jù)寫(xiě)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(real-time database，RTDB)，再通過(guò)物聯(lián)適配器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接，將數(shù)據(jù)及時(shí)推送給上層應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)類儀器儀表數(shù)據(jù)主要通過(guò)儀器連接模塊(instrument connection module，ICM)，將氣象色譜儀、自動(dòng)餾程儀、自動(dòng)密度計(jì)等儀器儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、解析并輸入到實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(laboratory information management system，LIMS)。機(jī)組機(jī)泵類設(shè)備裝置數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)適配器采集設(shè)備(離心式壓縮機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)等)，監(jiān)控并采集設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的鍵相、振動(dòng)以及各類工藝參數(shù)，采集存儲(chǔ)振動(dòng)分頻、相位等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2.2 燃料乙醇生產(chǎn)線虛實(shí)數(shù)據(jù)傳輸與融合

燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生通過(guò)物理空間部署不同通訊接口和通訊協(xié)議，將生產(chǎn)要素產(chǎn)生的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)一的傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一后的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，與虛擬空間的孿生數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)多源數(shù)據(jù)的傳輸與融合。

燃料乙醇生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)傳輸與融合實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。首先，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及工業(yè)云平臺(tái)PaaS層提供的工業(yè)數(shù)字化引擎，構(gòu)建燃料乙醇生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程的可視化虛擬仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛擬空間數(shù)字孿生對(duì)象模型與生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)并行運(yùn)行。其次，基于邊緣網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多樣化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，利用邊緣計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。再次，依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集技術(shù)，建立燃料乙醇生產(chǎn)線工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，支持對(duì)DCS、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、工業(yè)設(shè)備、儀器儀表和信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理。再次，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)整合、管控、服務(wù)等功能，將生產(chǎn)線多源異構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化傳輸協(xié)議上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中，并分別存儲(chǔ)至結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗、融合、傳輸與管理，并上傳至PaaS層供虛擬空間和關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。

圖3 數(shù)據(jù)多向傳輸與融合

2.3 數(shù)字孿生建模

數(shù)字孿生虛擬空間的高保真孿生模型是物理空間實(shí)體設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)的同步映射，研究燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型建模方法，為生產(chǎn)線仿真分析及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制和優(yōu)化提供了技術(shù)支撐。數(shù)字孿生建模技術(shù)如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生建模技術(shù)

1)針對(duì)燃料乙醇生產(chǎn)線發(fā)酵罐、蒸餾塔、離心機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備資源，采用UG、ProE、3DMAX等三維建模工具，結(jié)合傾斜攝影、激光雷達(dá)掃描等技術(shù)和ANSYS、Adams等多學(xué)科建模工具，研究關(guān)鍵設(shè)備幾何模型、物理模型在不同映射粒度和規(guī)則下的創(chuàng)成技術(shù)；從幾何、物理、行為、規(guī)則、約束等維度，形成覆蓋關(guān)鍵設(shè)備形狀、尺寸、位置、運(yùn)行狀態(tài)、物理參數(shù)等多學(xué)科、多物理量和概率化的設(shè)備層數(shù)字孿生仿真模型。該數(shù)字孿生模型在孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，可初步實(shí)現(xiàn)仿真模型與物理實(shí)體的虛實(shí)同步。并基于Modelica等建模軟件，構(gòu)建虛擬空間數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)模型，并基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)修正模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生仿真模型的自適應(yīng)優(yōu)化控制。

2)針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的液化、發(fā)酵、蒸餾、精餾等關(guān)鍵工序，采用Plant Simulation等系統(tǒng)仿真工具，研究建立關(guān)鍵工序單元的工序和設(shè)備產(chǎn)能、設(shè)備負(fù)荷、生產(chǎn)時(shí)間等生產(chǎn)仿真模型，通過(guò)設(shè)備層虛擬模型向工序?qū)犹摂M模型的粗粒度關(guān)聯(lián)和映射，建立基于設(shè)備模型的工序?qū)訑?shù)字孿生模型?；陉P(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將工序?qū)訑?shù)字孿生模型的仿真數(shù)據(jù)映射至工業(yè)云平臺(tái)的通用PaaS層，用于數(shù)字孿生模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。并基于 Pixyz Studio、Blender等輕量化模型軟件，輕量化模型后并將模型導(dǎo)入到前端界面。

3)通過(guò)生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型與所提框架中關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景層的互聯(lián)集成，基于生產(chǎn)線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與模型優(yōu)化參數(shù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)研究數(shù)字孿生模型在“數(shù)據(jù)?模型”混合驅(qū)動(dòng)下，以生產(chǎn)線關(guān)鍵性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，預(yù)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況與運(yùn)行效率，并基于預(yù)測(cè)值實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)線各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程的智能決策與優(yōu)化，提高燃料乙醇生產(chǎn)線的智能化水平。

3 工業(yè)案例驗(yàn)證

3.1 案例應(yīng)用場(chǎng)景分析

本文以國(guó)投生物能源(鐵嶺)公司燃料乙醇生產(chǎn)線為例，構(gòu)建典型的數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景，依據(jù)數(shù)字孿生框架配置國(guó)投生物智能生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)物理空間、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、虛擬空間和關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景的框架搭建，并進(jìn)一步研究國(guó)投生物燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生建模方法。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，國(guó)投生物燃料乙醇生產(chǎn)線應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)鍵設(shè)備包括粉碎機(jī)、混料攪拌、噴射器等，關(guān)鍵工序涉及粉碎、液化、發(fā)酵與蒸餾等。在進(jìn)行燃料乙醇數(shù)字孿生框架搭建過(guò)程中，充分考慮不同空間尺度下的利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多維度的仿真技術(shù)，在虛擬空間中完成虛實(shí)同步映射，同時(shí)融合優(yōu)化、預(yù)測(cè)、控制、自適應(yīng)調(diào)整等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的燃料乙醇生產(chǎn)線全生命周期智能管控。

3.2 案例數(shù)字孿生建模

3.2.1 設(shè)備層數(shù)字孿生模型

在設(shè)備層數(shù)字孿生建模中，如圖5所示，針對(duì)燃料乙醇生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備臥式離心機(jī)與粉碎機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)繪得到設(shè)備的外形尺寸與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再通過(guò)UG、3DMAX等三維建模工具建立關(guān)鍵設(shè)備的幾何模型，并通過(guò)Modelica與ANSYS等多學(xué)科建模工具建立設(shè)備的物理模型、機(jī)理模型和行為模型等。通過(guò)設(shè)備層數(shù)字孿生模型的建立，實(shí)現(xiàn)設(shè)備層關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)狀態(tài)感知與關(guān)鍵性能指標(biāo)的預(yù)測(cè)，提高燃料乙醇生產(chǎn)線智能化水平，并為燃料乙醇生產(chǎn)線工序?qū)优c產(chǎn)線層數(shù)字孿生模型建立提供技術(shù)支撐。

圖5 燃料乙醇生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生模型

3.2.2 工序?qū)訑?shù)字孿生模型

在工序?qū)訑?shù)字孿生建模中，如圖6所示，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的液化、發(fā)酵、蒸餾、精餾等關(guān)鍵工序，采用 Tecnomatix Plant Simulation、Flexsim 等系統(tǒng)仿真工具，研究建立關(guān)鍵工序單元的工序和設(shè)備產(chǎn)能、設(shè)備負(fù)荷、生產(chǎn)時(shí)間等生產(chǎn)仿真模型。通過(guò)HTML、JavaScript、CSS等前端技術(shù)，將上述軟件搭建好仿真模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到前端界面，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)模型的融合與可視化展示，并通過(guò)MySQL、Redis等數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬模型與物理實(shí)體的虛實(shí)同步。如圖6所示，以燃料乙醇生產(chǎn)線為例，基于分子篩、一塔、二塔、粗塔機(jī)器人等關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生模型，構(gòu)建了生產(chǎn)過(guò)程的蒸餾工序，自動(dòng)包裝飼料工序等關(guān)鍵工序數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)醪量、產(chǎn)酒量、分子篩水分、包裝速度、電源/氣源消耗等生產(chǎn)過(guò)程的同步仿真分析。

圖6 燃料乙醇生產(chǎn)線關(guān)鍵工序數(shù)字孿生模型

3.2.3 產(chǎn)線層數(shù)字孿生模型

產(chǎn)線層的數(shù)字孿生建模如圖7所示。通過(guò)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)模型集成，規(guī)劃設(shè)計(jì)面向生產(chǎn)線的產(chǎn)品模型、工藝模型、資源模型和布局模型，并依據(jù)仿真算法和編程語(yǔ)言，建立產(chǎn)線層數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線總體性能(產(chǎn)值、效益、加工能力等)的精確仿真；同時(shí)，采用圖形化技術(shù)，建立多空間尺度下的可視化仿真模型，通過(guò)圖形、圖表、動(dòng)畫(huà)等形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)多學(xué)科、多物理量、多空間尺度下仿真對(duì)象狀態(tài)的可視化呈現(xiàn)。

圖7 燃料乙醇生產(chǎn)線關(guān)鍵工序數(shù)字孿生模型

3.3 數(shù)字孿生模型系統(tǒng)部署和應(yīng)用

通過(guò)部署燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生框架與模型，在國(guó)投生物能源(鐵嶺)公司進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證，數(shù)字孿生模型系統(tǒng)部署與應(yīng)用如圖8所示。1)針對(duì)國(guó)投鐵嶺燃料乙醇生產(chǎn)線實(shí)際需求，將燃料乙醇生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)一步通過(guò)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，基于ProMACE工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的工業(yè)數(shù)字化引擎、集中集成組件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，搭建燃料乙醇生產(chǎn)線可視化虛擬仿真環(huán)境。2)搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生相結(jié)合的智能生產(chǎn)線，基于數(shù)字孿生遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高效的數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與管控優(yōu)化，解決傳統(tǒng)燃料乙醇生產(chǎn)線因智能化程度低、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取不及時(shí)等導(dǎo)致的工藝決策嚴(yán)重依賴人工經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。3)通過(guò)生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型與現(xiàn)場(chǎng)DCS等控制系統(tǒng)集成，創(chuàng)新燃料乙醇生產(chǎn)模式，推動(dòng)企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型，解決智能產(chǎn)線管理等技術(shù)難題。

圖8 數(shù)字孿生模型系統(tǒng)部署與應(yīng)用

4 結(jié)論

本文基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提出了燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生框架與高保真建模方法，搭建了燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生框架，研究了數(shù)字孿生建模方法，闡述了燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型的互聯(lián)網(wǎng)配置、數(shù)據(jù)傳輸與融合和數(shù)字孿生建模3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)建設(shè)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分散生產(chǎn)線的感知、優(yōu)化、控制、診斷和決策，形成支持生產(chǎn)線關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)字孿生解決方案，進(jìn)而推進(jìn)企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)字孿生技術(shù)與燃料乙醇生產(chǎn)線相結(jié)合，提出了包括物理空間、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、虛擬空間、關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景4個(gè)層次在內(nèi)的一種燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生框架，明晰了智能生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)形成機(jī)理和互作用機(jī)制。

2)從數(shù)字孿生建模方法入手，闡述了燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：互聯(lián)網(wǎng)配置、數(shù)據(jù)傳輸與融合與數(shù)字孿生建模，揭示了生產(chǎn)線數(shù)字孿生的建模技術(shù)和關(guān)鍵運(yùn)行邏輯。

3)以國(guó)投生物能源(鐵嶺)公司燃料乙醇生產(chǎn)線為例進(jìn)行工業(yè)案例試驗(yàn)，構(gòu)建了系統(tǒng)集成的國(guó)投生物燃料乙醇生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型，驗(yàn)證了本文所提框架與方法的有效性和實(shí)用性。