基于數(shù)字李生技術(shù)的罐車罐體檢驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：U469 收稿日期：2025-02-10 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.014

Design and Implementation of a Tank Car Body Inspection Control System Based on Digital Twin Technology

Xu Xu Sun Ai Huang Qiang Zhou Yuntao Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute，Nanjing 21oo19，China

Abstract：Toadresstheissuesoflowefiiency，poorreal-timeperformance，andumeroussafetyhzardsintraditionaltankcar bodyinspectionsystems，thispaperproposesadesignforanutomaticontrolsystembasedondigitaltwintechnologyByestablsing atwo-waymappingbetweenphysicalentiesandvirtualmodels，thesystemensuresdata-drivendecision-makingthroughoutthelifecycleoftheintellgenttankcarodyinspectionsystem.Thisaproachenablesreal-timemonitoring，simulation，andanalysisofdata， whichhelpsimprovecontrolsystemesign，celerateprogramdebugging，erifykeystemindicators，andoptimiessteoration.

Keywords：Tank car;Tank body inspection;Digital twin;Control system;Optimized operatio

1前言

危險(xiǎn)化學(xué)品的儲(chǔ)存、運(yùn)輸與管理在化工產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著重要地位，罐車是危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，在危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸中得以廣泛應(yīng)用。危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸具有高度危險(xiǎn)性，罐車中的危險(xiǎn)化學(xué)品可能在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生泄漏、燃燒、爆炸等安全事故，使人身財(cái)產(chǎn)安全受到巨大損失，還會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染。為降低罐車安全事故的發(fā)生概率，需要對(duì)罐車罐體進(jìn)行定期檢驗(yàn)，保證危險(xiǎn)化學(xué)品的運(yùn)輸安全1]。

傳統(tǒng)的罐車罐體檢驗(yàn)，普遍存在裝備不夠齊全、技術(shù)不夠成熟、自動(dòng)化程度低、過(guò)于依賴人力、工作效率不高、檢驗(yàn)質(zhì)量參差不齊的問(wèn)題，為此，借助信息化和智能化技術(shù)，設(shè)計(jì)符合危化品罐車罐體檢驗(yàn)需求的智慧檢驗(yàn)工廠顯得尤為迫切[2]。

數(shù)字孿生（DigitalTwin）以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型來(lái)仿真和刻畫(huà)物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等[3]。由于數(shù)字孿生具備虛實(shí)融合與實(shí)時(shí)交互、迭代運(yùn)行與優(yōu)化，以及全要素／全流程／全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，目前已被應(yīng)用到產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)與運(yùn)維[4]。

該技術(shù)通過(guò)物理空間實(shí)體模型與虛擬空間多維模型的相互映射，實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括平臺(tái)搭建、模型建立、模型在線辨識(shí)及優(yōu)化、數(shù)字孿生體應(yīng)用等方面，在智慧工廠的設(shè)計(jì)階段，通過(guò)數(shù)字模型仿真技術(shù)，可以驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)，在該階段可通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)罐車罐體檢驗(yàn)人員進(jìn)行培訓(xùn)，并模擬事故發(fā)生情況，幫助檢驗(yàn)人員熟悉操作過(guò)程、演練事故處置程序。在建造階段，通過(guò)設(shè)備仿真和接口抽象技術(shù)，可以幫助工程師進(jìn)行程序調(diào)試，減少調(diào)試時(shí)間，加快建設(shè)進(jìn)度。在系統(tǒng)運(yùn)行階段，數(shù)字系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐車罐體檢驗(yàn)過(guò)程，預(yù)測(cè)檢驗(yàn)結(jié)果，提前進(jìn)入下一步驟，提高效率。

從罐車罐體檢驗(yàn)智慧工廠的設(shè)計(jì)、建設(shè)、應(yīng)用等層面出發(fā)，本文將著重介紹數(shù)字孿生技術(shù)在罐車罐體檢驗(yàn)智慧工廠中的應(yīng)用。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1總體架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的罐車罐體檢驗(yàn)智慧工廠控制系統(tǒng)，自下而上由物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層組成，如圖1所示。

物理層：包含壓縮空氣儲(chǔ)氣罐、氮?dú)鈨?chǔ)氣罐、罐車本體、溫度傳感器、壓力傳感器、氧含量傳感器、抽真空泵、切斷閥等。

數(shù)據(jù)層：主要是基于分布式控制系統(tǒng)的模擬量和開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集，部分設(shè)備采用基于5G/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

模型層：在分布式系統(tǒng)中央處理器中進(jìn)行建模，將模型機(jī)與控制集成，可以最大程度復(fù)用數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和模型精確度。

應(yīng)用層：通過(guò)人機(jī)界面對(duì)模型系統(tǒng)操作，監(jiān)視模型運(yùn)行狀態(tài)和物理運(yùn)行工控，并對(duì)仿真子系統(tǒng)進(jìn)行各種模擬操作。

圖1基于數(shù)字孿生技術(shù)的罐車罐體檢驗(yàn)智慧工廠控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.2工作流程

在控制器中，一方面根據(jù)罐車罐體檢驗(yàn)工藝流程，實(shí)現(xiàn)罐車自動(dòng)檢驗(yàn)過(guò)程。另一方面，孿生模型根據(jù)實(shí)際參數(shù)，進(jìn)行同步模擬計(jì)算。系統(tǒng)將物理系統(tǒng)的反饋值與模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，得出物理系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)之間的差異，該差異可作為操作人員判斷檢驗(yàn)結(jié)果、預(yù)判故障狀態(tài)的參考，也可用于系統(tǒng)自動(dòng)修正模型參數(shù)。

控制器預(yù)置多種類型罐車罐體檢驗(yàn)參數(shù)，包括壓縮空氣充裝壓力、壓力維持時(shí)長(zhǎng)等，對(duì)于不同類型的罐車，也內(nèi)置一組模型參數(shù)，作為初始模型。當(dāng)檢驗(yàn)工作開(kāi)始時(shí)，由操作人員在人機(jī)交互設(shè)備中選擇罐車類型，并啟動(dòng)自動(dòng)檢驗(yàn)程序。自動(dòng)檢驗(yàn)程序按照?qǐng)D2所示的流程進(jìn)行，其步驟主要包括壓縮空氣充裝、氣密性檢驗(yàn)、壓縮空氣排放、抽真空、氮?dú)獬溲b、含氧量測(cè)定、氮?dú)馀欧诺龋撨^(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。在自動(dòng)檢驗(yàn)程序執(zhí)行過(guò)程中，孿生系統(tǒng)同步工作，根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算待檢罐體罐內(nèi)壓力、含氧量、剩余時(shí)間等各個(gè)參數(shù)，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，提示操作人員是否存在故障可能。

孿生系統(tǒng)在控制器中獨(dú)立運(yùn)行，在人機(jī)界面中提供用戶操作接口，操作人員根據(jù)需要在運(yùn)行過(guò)程中模擬氣密性故障、含氧量波動(dòng)大、充裝壓力過(guò)大、排氣壓力過(guò)低等非正常情況，由此檢驗(yàn)這些故障情況發(fā)生時(shí)控制系統(tǒng)的保護(hù)性動(dòng)作是否完備。

圖2罐車罐體檢驗(yàn)流程

2.3罐車仿真建模

該孿生系統(tǒng)中，物理模型主要包括儲(chǔ)氣罐、罐車、壓力傳感器、溫度傳感器、含氧量傳感器、切斷閥等，其中最重要的是罐車模型的建立，以更加貼近檢驗(yàn)過(guò)程中氣密性試驗(yàn)的真實(shí)過(guò)程，并模擬計(jì)算出檢驗(yàn)時(shí)間。

罐車整體可以作為圓柱形容器考慮，由熱力學(xué)第一定律知熱量與流速、壓力、質(zhì)量的關(guān)系：

δq=du+pdv

式中， .δq 為熱量， .J;Δp 為壓力， Pa;v 為質(zhì)量體積， L;u 為流速， m/s 。

參考范德瓦爾方程，由 u=u（T，v） 可得流速與溫度，質(zhì)量體積的關(guān)系：

式中， T 為熱力學(xué)溫度， K;C_v 為質(zhì)量定容熱容， J;a 為常數(shù)。

考慮到充氣過(guò)程為絕熱過(guò)程，參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]。

進(jìn)一步推導(dǎo)得到壓力與時(shí)間的關(guān)系為：

式中， P₀ 為容器內(nèi)的初始絕對(duì)壓力， kPa;P₁ 為氣源的絕對(duì)壓力， kPa;V 為充氣容積， L;d 為對(duì)應(yīng)管道內(nèi)徑， mm;T 為氣源絕對(duì)溫度， K;t 為時(shí)間。

從而模擬計(jì)算出氣密性試驗(yàn)過(guò)程所需要的時(shí)間，再與實(shí)際檢驗(yàn)中的氣密性試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)積累，為進(jìn)一步優(yōu)化模擬參數(shù)提供依據(jù)。

2.4模型參數(shù)在線優(yōu)化

在2.3節(jié)推導(dǎo)了罐車壓力與充氣時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式，但由于采用理想狀態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以及罐車參數(shù)、溫度值等存在誤差，實(shí)際壓力與充氣時(shí)間關(guān)系可能存在誤差，因此在實(shí)際建模時(shí)，將部分參數(shù)采用變量表示，通過(guò)運(yùn)行中不斷修正參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化。

使部分參數(shù)變量化，式（3）變形為：

式中， m，n，b 為可變參數(shù)，默認(rèn)值為0，通過(guò)三組以上數(shù)據(jù)運(yùn)行后，程序以均方差最小為目標(biāo)，在線計(jì)算并修正m，n，b 的值。

2.5孿生系統(tǒng)同步計(jì)算

孿生系統(tǒng)的計(jì)算模塊包括在線計(jì)算壓力值、模擬氣密性故障、模擬含氧量波動(dòng)、模擬壓力過(guò)低工況等。

在線計(jì)算壓力值主要用于實(shí)際采樣值與計(jì)算值比較，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣體充裝過(guò)程中是否存在漏氣等情況；通過(guò)應(yīng)用層孿生監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置故障隨機(jī)值，可模擬氣密性故障、模擬含氧量波動(dòng)及模擬壓力過(guò)低工況，以檢測(cè)參數(shù)波動(dòng)和故障發(fā)生時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能否及時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)并進(jìn)行安全處置。

2.6基于ZC21余控制器的罐車模型

根據(jù)2.3節(jié)的模型和2.4節(jié)的修正計(jì)算，在ZC21冗余控制器中，使用ST（StructText）語(yǔ)言編寫(xiě)模型代碼，如圖3所示。

圖3罐車模型示例代碼

模型編寫(xiě)完成后，編程成功能塊的方式，在孿生系統(tǒng)中調(diào)用，調(diào)用過(guò)程如圖4所示。

圖4模型庫(kù)調(diào)用過(guò)程

3孿生技術(shù)罐車罐體檢驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1程序設(shè)計(jì)和調(diào)試

傳統(tǒng)的工廠建造過(guò)程中，往往需要物理設(shè)備和硬件其備條件后，才能進(jìn)行自動(dòng)控制程序的調(diào)試，這種方式受限于工程建設(shè)進(jìn)度，且調(diào)試時(shí)需要頻繁操作實(shí)際物理設(shè)備，影響調(diào)試速度[6]。為了降低調(diào)試難度，縮短項(xiàng)目工期，本項(xiàng)目在前期采用模塊化設(shè)計(jì)和仿真調(diào)試的方法，如圖5所示。程序設(shè)計(jì)時(shí)盡可能模塊化，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)構(gòu)建虛擬模型，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備建立數(shù)學(xué)模型，在工程尚未實(shí)施時(shí)，采用虛擬設(shè)備進(jìn)行實(shí)際工況模擬，使控制算法作用在虛擬設(shè)置上，從而驗(yàn)證控制邏輯，在物理設(shè)備具備條件后，只需要進(jìn)行設(shè)備接口的單獨(dú)調(diào)試，調(diào)試完成后將控制算法的輸入輸出切換到實(shí)際物理接口，即可完成程序調(diào)試。

圖5使用孿生設(shè)備調(diào)試程序

此外，通過(guò)虛擬仿真的方法，在輸入輸出過(guò)程中可以任意疊加外部干擾，從而驗(yàn)證程序健壯性。

3.2人員培訓(xùn)和事故模擬

在系統(tǒng)正式投運(yùn)前，為了使操作人員熟悉操作過(guò)程，采用孿生系統(tǒng)進(jìn)行工況模擬，操作人員在模擬設(shè)備上進(jìn)行操作。通過(guò)修改模型參數(shù)，可以加快虛擬設(shè)備的運(yùn)行速度，減少每次模擬操作的時(shí)間，達(dá)到多次訓(xùn)練的目的。

此外，使用該系統(tǒng)還可以模擬隨機(jī)故障，以此檢驗(yàn)故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)程序的安全導(dǎo)向，以及操作人員的處置程序。

3.3實(shí)際運(yùn)用效果

通過(guò)實(shí)際運(yùn)用，基于數(shù)字孿生技術(shù)的罐車罐體檢驗(yàn)控制系統(tǒng)顯著提高了檢驗(yàn)效率和實(shí)時(shí)性，降低了安全隱患。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)罐車罐體檢驗(yàn)過(guò)程的全面監(jiān)控和仿真分析，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在故障，為確保罐車罐體檢驗(yàn)過(guò)程的安全提供了技術(shù)保障。

4結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于數(shù)字孿生技術(shù)的罐車罐體檢驗(yàn)智慧控制系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了數(shù)字模型與自控程序并存的智慧檢驗(yàn)控制系統(tǒng)方案，以罐車本體為對(duì)象進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型研究，并通過(guò)ZC21R智能控制器實(shí)現(xiàn)了該模型算法，分析了該數(shù)字李生系統(tǒng)在罐車罐體檢驗(yàn)智能工廠建設(shè)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用，為確保罐車罐體檢驗(yàn)過(guò)程安全提供技術(shù)保障。后續(xù)將進(jìn)一步加強(qiáng)模型研究，以實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)完善物理模型建立，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在罐車罐體檢驗(yàn)中的應(yīng)用。

未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在罐車罐體檢驗(yàn)行業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深人。通過(guò)不斷優(yōu)化和完善數(shù)字孿生模型，將進(jìn)一步提高罐車罐體檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性和效率，為危險(xiǎn)化學(xué)品的安全運(yùn)輸提供更加有力的技術(shù)支撐。

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作者簡(jiǎn)介：

徐徐，女，1990年生，工程師，鍋爐、壓力容器檢驗(yàn)師，研究方向?yàn)槌袎侯愄胤N設(shè)備檢驗(yàn)安全與節(jié)能。