基于炼化车间的数字孪生系统设计与应用

基于炼化车间的数字孪生系统设计与应

用

摘要：本文将数字孪生技术与炼化装置生产车间的实际需求相结合，以三维可视化场景为载体，实现关键设备在线监测、台账文档管理、二三维联动、风险源监控、生产数据实时监测分析等功能，打通数字和实体的边界，实现实时联通与功能应用，为生产操作和设备管理等业务提供了有效的管理和指导。

关键字：数字孪生，三维模型，生产管理

一、概述

大力发展数字化技术，是我国十四五规划的重要方向之一。生产车间是炼化企业的基础单位，结合车间的生产特点和业务实际，本文设计开发出一套具有数字化、智能化特点的数字孪生系统，可以提高车间的技术应用水平。通过建立物理车间的多维、多级、多业务的精准模型，联结车间的生产数据、状态数据、台账、图纸等数据内容，实现对车间生产过程和设备状态的实时监控、有效评估分析。基于三维模型的有形展示和快速更新，更能为车间提供包括供应链优化、生产流程优化、故障诊断与预测评估、知识策略库等方面的功能内容[1]。

数字孪生这一概念，可以理解为在数字世界对物理世界进行模型重建，并能够实现物理世界信息的实时同步。这一概念比较新颖，2002年美国密歇根大学的Michael Grieves教授在他的课程中首个提出[2]。2010年，美国NASA在航天器的研究课题中，首次公开发表数字孪生相关论文[3]。7年后，国内首篇关于数字孪生车间的论文发表，随后在技术研究与应用方面快速发展。

二、数字孪生技术

2.1 技术体系

数字孪生可以理解在虚实连通的基础上，可以拓展实现生动的模拟展示和数据分析，更高阶的功能则可以为物理世界的生产生活实现智能策略指导。数字孪生的核心，是根据相关图纸或现场扫描，建立精准精确的数字模型。一个好的数字孪生系统，应该做到对模型的定期更新，对新增物理资料的及时数字化，通过数字世界的模拟运算指导物理生产生活，大幅度降低实验成本，高效管理数据、积累策略。近十几年，我国的科技发展较快，与西方发达国家的差距不断缩小。依托包括5G网络在内良好的科技和基础建设，我们在数字孪生技术研究方面部分处于领先地位[4]。通过建立通讯采集数据，集成已有平台数据，获得全面的数据感知能力。通过图纸建模、扫描建模获得高精度的装置三维模型。将数据、位置等信息与三维模型建立起联系，获得三维场景下的可视化数据。进一步的，通过模拟、诊断和预测等功能，实现物理和数字世界中的实体和过程的统一。数字孪生可以实现信息高效使用、资源优化配置、形成知识策略及优化迭代，以及故障诊断及应对策略等功能[5]，是目前实现智能制造落地的关键技术手段，逻辑与应用见图1。

图1.数字孪生的逻辑与应用

2.2 需求调研

针对动设备状态监测，需要集成设备的超温、振动、运行累积时长等信息，对高危泵等关键设备的故障状态、关键参数指标异常能够及时预警并在三维场景作出标识。

针对静设备状态监测，需要集成腐蚀测厚监测，将腐蚀数据与三维场景对应设备单元和位置关联显示出来。

针对仪表状态监测，需要集成仪表的实时状态和诊断数据，并在三维场景下

作出标识。

针对检维修作业，需要做好流程管理，对过程记录提供便利的系统录入和资

料管理功能，集成物资信息。在三维场景下对设备的维修状态、维修进度和人力

物资等管理信息提供综合管理和展示功能。

针对文档台账管理，需要对各类台账、图纸、记录、文件等资料信息进行科

学分类，提供分级的、便利的增删查改功能。

针对有毒有害物质的监测，主要是尘毒监测、预警，需要在三维模型平台上

实现监测到异常情况时，预警信号能够在三维场景下给出明显的警示并在三维场

景作出标识。

针对管廊管廊，需要在三维场景下做好柱子编号、展示内部介质、管廊尺寸

信息、介质来源去处、管廊剖面图等。重点是基于对管廊泄露点的管理，所有重

点阀门都要求在三维模型上能够展示，一旦发生泄露可以立刻查看到最近的阀门

位置进行应急处置。

针对界区外相关公用工程、地下管网、含油污水等等信息，需要做好流程和

层级管理，在三维场景下作出标识。

2.3 业务分析

炼化车间需求主要可以分为基础管理、生产管理、设备管理和安全管理等内容，应保证以下特点：

1)先进性原则：分析国内外行业内最佳实践和产品解决方案，运用前沿技术，从整体上体现先进性；

2)实用性原则：整体技术以解决炼化行业生产、设备、安全等管理领域实际

问题为原则；

3)可操作性原则：软件平台拥有良好的用户交互界面、操作简单、易于培训；

4)可靠性原则：平台设计及硬件部署充分考虑系统运行的安全和可靠性；

5)标准化原则：平台各项技术遵循国际标准、国家标准、行业和相关规范；

6)可扩展性原则：平台支持硬件、应用软件多个层面的扩展性，能够快速实现业务参数配置，业务功能组态，从而实现快速开发/重组以使得系统可以支持未来不断变化的业务特征。

三、系统设计

3.1 功能架构

本文所及数字孪生系统基于炼化车间整体功能设计，架构包括数据中心、服务层、应用层、展示层以及双向集成服务、工程级三维模型管理等内容，如图2所示。

图2.系统功能架构图

3.2 体系架构

体系架构包含应用架构与物理部署方案两方面。鉴于数字孪生的技术特点以及系统业务管理模式、系统运维模式等情况，采用的应用架构为：决策与公司经营管理层建立一套统一的数字孪生智能应用平台可以浏览所有装置，各车间在三维模型管理、模型集成数据以及应用功能各有不同与侧重。数字孪生物理部署方案采用集中部署方式，见图3所示，该方案在公司机房中统一部署渲染服务器、

应用服务器以及数据库服务器，各个部门终端用户通过企业局域网访问数字孪生

模型与数据信息。

图3. 三维数字炼厂体系架构图

四、应用效果

4.1 三维模型

对车间装置的三维建模，采用设计图纸3D转化为辅助。由于大部分原始图

纸无法数字化，主要依靠对装置的工程扫描来建立模型。形成的三维模型数据结

构包含了三维模型数据集以及三维模型对应的属性数据集等复杂多维度的数据集。对资产的空间数据、尺寸数据、坐标数据、资产的逻辑关系、包含关系、拓扑关

系以及色标、图形识别等的多维数据集进行了三维组态。三维模型对应的属性数

据集是包含三维模型对象化的资产的主数据、设备编码以及覆盖各业务领域专业

需要的各类数据的多维数据集；三维模型对应的属性数据集数据来源既包括设计、采购、安装等静态数据，也包括集成其他IT系统所获取的各类业务数据（动静

态数据）。三维模型数据集是以物理工厂资产的空间分布可视化展现；其对应的

属性数据集是以三维模型为核心聚集，数据贯穿于工厂设计、采购、安装、运行、故障、维护、经营等全生命周期的各业务流程。三维模型数据结构设计包括三维

模型建模规范、智能化以及资产目录树设计等过程。

4.2 基础管理