王旭,李磊,黎生林,王國慶

(1. 中國石化工程建設(shè)有限公司,北京 100101;2. 北京達美盛軟件股份有限公司,北京 100193;3. 浙江中控技術(shù)股份有限公司,浙江 杭州 310053)

現(xiàn)代化大型石油化工工廠,特別是千萬噸級煉油和百萬噸級乙烯工廠的DCS操作畫面往往高達數(shù)千幅,由于現(xiàn)代企業(yè)越來越精簡的人員需求和越來越高的運行平穩(wěn)率要求,單純依靠傳統(tǒng)DCS操作畫面操作需要豐富的經(jīng)驗并付出巨大的工作量。另一方面,工程建設(shè)數(shù)字化交付往往被看作是一項工作,并沒有作為數(shù)字資產(chǎn)來挖掘其內(nèi)在價值,有效支持工廠的操作運維。

目前,石油化工工廠建設(shè)運行通常模式是: 設(shè)計圖紙指導(dǎo)施工最終建立實體工廠,設(shè)計資料指導(dǎo)組態(tài)最終建立生產(chǎn)運行的動態(tài)虛擬工廠,而生產(chǎn)運行的動態(tài)虛擬工廠與實體工廠的聯(lián)系僅為人員的溝通,尤其是內(nèi)操人員與外操人員的溝通。顯然,在移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等新一代信息技術(shù)高速發(fā)展的今天,該運維模式過于簡單傳統(tǒng)化。企業(yè)現(xiàn)代智能工廠建設(shè)圍繞“整合數(shù)據(jù)資源、深化系統(tǒng)應(yīng)用”的工作主線,以信息化建設(shè)為重點,貼近和服務(wù)生產(chǎn),促進“兩化”深度融合,持續(xù)推進數(shù)字工廠、數(shù)字企業(yè)建設(shè),穩(wěn)步推進工廠數(shù)字化孿生系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)試點實施。鑒于此,提高工廠的數(shù)字化和智能化水平,建立更直觀智能的人機操作界面,最終提高裝置的操作、運維效率是必要的。

1 目 標

有效利用工程建設(shè)數(shù)字化交付資產(chǎn),實現(xiàn)DCS與數(shù)字工廠的集成。工程建設(shè)在交付實物工廠的同時,提供以集成數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的虛擬工廠;利用虛擬與現(xiàn)實結(jié)合的數(shù)字孿生工廠,將虛擬三維工廠、二維DCS操作畫面和實體工廠相結(jié)合,實現(xiàn)內(nèi)操和外操的緊密結(jié)合和互動,快速便捷獲取數(shù)字工廠設(shè)計信息,提升工廠操作、運維與巡檢的安全性和智能化。最終創(chuàng)造一個新型的人機界面,實現(xiàn)過程監(jiān)控結(jié)合數(shù)字工廠提供一站式操作、運維服務(wù)。

2 整體架構(gòu)

虛擬工廠大數(shù)據(jù)平臺分為過程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(包括過程檢測數(shù)據(jù)、報警信息、操作畫面等)、三維模型數(shù)據(jù)庫、設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(工程數(shù)字化移交數(shù)據(jù),包括工廠信息和制造廠信息),以設(shè)備編號為關(guān)鍵字通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)鏈接。實現(xiàn)分散控制系統(tǒng)(DCS)與虛擬工廠的深度融合,二、三維聯(lián)動。

為實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)與數(shù)字化平臺無縫集成,采用數(shù)字化專用網(wǎng)絡(luò)、平臺專有輕量化的三維渲染處理技術(shù),配置防火墻硬件設(shè)備等保證生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和安全,保證系統(tǒng)整體架構(gòu)的安全,包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞、信息存儲等。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意

3 典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及軟硬件配置

數(shù)字化集成應(yīng)用在本文中作為DCS的高級應(yīng)用,部署在網(wǎng)絡(luò)的操作管理層,為了確保DCS控制網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性,服務(wù)器與操作員站單獨建立專用網(wǎng)絡(luò),通過嚴格的網(wǎng)絡(luò)安全策略配置保證數(shù)據(jù)傳輸安全,數(shù)字化集成應(yīng)用和DCS控制網(wǎng)分開。大數(shù)據(jù)平臺整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)平臺整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

如圖2所示,操作監(jiān)控層與數(shù)據(jù)服務(wù)層之間的網(wǎng)絡(luò)線為數(shù)字化集成應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),并增加了三維云渲染服務(wù)器、設(shè)備管理服務(wù)器、高級應(yīng)用服務(wù)器,新增的服務(wù)器和指定數(shù)字化集成應(yīng)用的操作員站處于同一個局域網(wǎng)(LAN)內(nèi)。根據(jù)裝置規(guī)模和操作員班組設(shè)置,以局域網(wǎng)為單元設(shè)置各自的數(shù)字化集成應(yīng)用服務(wù)器是合理的,以盡可能提高軟硬件配置效率并節(jié)省投資。

硬件配置及功能說明如下:

1)三維云渲染服務(wù)器。主要負責模型的輕量化云渲染,并根據(jù)操作員站發(fā)出的請求,定位相應(yīng)的設(shè)備位置,根據(jù)設(shè)備所需展示的實時數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)傳遞給高級應(yīng)用服務(wù)器,設(shè)備數(shù)據(jù)傳遞給設(shè)備管理服務(wù)器,接收返回的數(shù)據(jù)并發(fā)送給操作員站進行顯示。

2)設(shè)備管理服務(wù)器。主要負責移交平臺的數(shù)據(jù)存儲,保存設(shè)備的靜態(tài)數(shù)據(jù),并根據(jù)三維云渲染服務(wù)器的請求,將需要展示的數(shù)據(jù)發(fā)送至三維畫面。

3)高級應(yīng)用服務(wù)器。為不影響DCS數(shù)據(jù)庫的安全,防止三維工廠的數(shù)據(jù)請求影響DCS數(shù)據(jù)服務(wù)的操作,設(shè)置該服務(wù)器進行實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù),相當于DCS數(shù)據(jù)服務(wù)的克隆。

4)網(wǎng)絡(luò)負荷。集成方案的二維、三維數(shù)據(jù)均采用專用網(wǎng)絡(luò)傳輸,不占用控制網(wǎng)絡(luò)帶寬;操作員站僅負責三維圖像的顯示工作。

5)CPU負荷。現(xiàn)有操作員站均采用多核CPU,在該方案中,將操作員站其中一到二核指定給三維工廠瀏覽,其余留給DCS,保證計算機的CPU負荷不超過總的50%,確保CPU資源安全。

6)數(shù)據(jù)傳遞。通過高級應(yīng)用服務(wù)器及高級應(yīng)用數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)存及發(fā)送實時數(shù)據(jù),避免對系統(tǒng)運行產(chǎn)生影響。

7)信息安全。為了保證裝置中DCS與數(shù)字化集成應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)相對獨立,在圖2的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,雙方網(wǎng)絡(luò)獨立組網(wǎng),且采用獨立虛擬局域網(wǎng)(VLAN),網(wǎng)絡(luò)之間通過安全策略配置保證數(shù)據(jù)傳輸安全。

4 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程如下:

1)操作員站通過二維定位到三維畫面,向三維云渲染服務(wù)器發(fā)送一條請求。

2)三維云渲染服務(wù)器在收到請求后,定位到相應(yīng)的設(shè)備位置,并根據(jù)設(shè)備位置計算出需要請求實時數(shù)據(jù)的設(shè)備。該請求為了提高性能,只請求了三維中當前畫面范圍內(nèi)設(shè)備的實時數(shù)據(jù),而不是每次都請求全廠數(shù)據(jù)。

3)三維云渲染服務(wù)器將實時數(shù)據(jù)的請求發(fā)送給高級應(yīng)用服務(wù)器,高級應(yīng)用服務(wù)器功能與工廠DCS數(shù)據(jù)服務(wù)器一致,使用該服務(wù)器的目的在于防止三維工廠的數(shù)據(jù)請求影響DCS數(shù)據(jù)服務(wù)器的操作。

4)高級應(yīng)用服務(wù)器返回查詢到的工廠控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)給三維云渲染服務(wù)器,經(jīng)處理后與三維工廠畫面一起推送給操作員站。

5 功能實現(xiàn)步驟

三維數(shù)字化集成應(yīng)用作為DCS的高級應(yīng)用,實施的前提是工程設(shè)計的靜態(tài)虛擬工廠和二維DCS操作畫面已完成,內(nèi)操人員和外操人員可以分別在DCS操作畫面和實體工廠進行運維操作。實現(xiàn)步驟如下:

1)數(shù)據(jù)準備。包括: 裝置的三維模型和設(shè)備數(shù)據(jù)字典、裝置的PBS結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、裝置的智能P&ID圖、數(shù)字化交付內(nèi)容,儀表數(shù)據(jù)清單內(nèi)容。

2)軟硬件準備及部署。包括: 數(shù)字化集成應(yīng)用專用網(wǎng)絡(luò)搭建,渲染服務(wù)器、設(shè)備管理服務(wù)器、高級應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)字化集成應(yīng)用客戶端部署,網(wǎng)絡(luò)安全策略配置。

3)三維模型處理。具體內(nèi)容如下:

a)在裝置的三維模型基礎(chǔ)上,根據(jù)實體工廠的真實面貌補充,包括對裝置總圖地坪、地形模型修改、美化,與現(xiàn)場保持較高一致性。

b)對裝置內(nèi)圍欄、道路、行車線、人行道、停止線、馬路牙、路燈、綠化、大門美化渲染,與現(xiàn)場保持較高一致性。

c)對管道、管架、橋架、給排水等專業(yè)美化渲染和配色,保持和現(xiàn)場較高一致性。

d)對建筑、結(jié)構(gòu)進行外觀貼圖渲染,與現(xiàn)場保持較高一致性。

e)添加廠區(qū)內(nèi)重要設(shè)備(大型塔、壓縮機、反應(yīng)器等)的設(shè)備位號、名稱,該類設(shè)備顏色和材質(zhì)按照現(xiàn)場要求貼圖渲染。

f)對路面標識牌等貼圖美化,與現(xiàn)場保持較高一致性。

g)對所有已建模消防設(shè)備,例如: 干粉滅火裝置、泡沫發(fā)生器及附件等貼圖美化。

h)以周邊500 m環(huán)境和衛(wèi)星影像圖片作為GIS貼圖,圖片要和模型貼合緊密。

4)DCS組態(tài)完善。在二維DCS流程圖中對動靜設(shè)備、儀表進行三維跳轉(zhuǎn)的組態(tài);在數(shù)字化工廠對三維部分進行組態(tài),調(diào)整模型定位最佳視角,包括報警數(shù)據(jù)二、三維聯(lián)動組態(tài);動態(tài)數(shù)據(jù)標牌展示組態(tài);三維反跳二維DCS流程圖組態(tài)等。

5)系統(tǒng)調(diào)試。二維操作畫面與三維虛擬工廠之間的切換調(diào)試,實時數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)調(diào)試。

6)系統(tǒng)維護。

6 實現(xiàn)功能展示

通過工業(yè)控制系統(tǒng)與三維場景的結(jié)合,在工業(yè)控制系統(tǒng)操作畫面中,操作人員可通過點擊畫面中的設(shè)備或通過鍵盤輸入設(shè)備位號的方式,以預(yù)設(shè)的視角和距離在虛擬三維工廠中對所選擇的設(shè)備實體進行定位顯示。與此同時,設(shè)備的動態(tài)數(shù)據(jù)在工業(yè)控制系統(tǒng)與三維場景中實時刷新;視角中預(yù)設(shè)范圍內(nèi)所有設(shè)備的過程檢測數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)面板形式3D懸停顯示;選中模型中的設(shè)備,可以查看詳細操作面板,面板內(nèi)容包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)備的靜態(tài)數(shù)據(jù)等。

6.1 實時數(shù)據(jù)集成

通過集成設(shè)備管理數(shù)據(jù),以唯一設(shè)備位號關(guān)系,模型與DCS建立“一對一”關(guān)系。將設(shè)備模型與DCS進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和互通,實現(xiàn)點擊設(shè)備模型便捷查看設(shè)備基本信息、運行數(shù)據(jù)以及報警信息等實時動態(tài)數(shù)據(jù)內(nèi)容。對生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)進行集成與組態(tài),接入現(xiàn)場數(shù)據(jù)校驗和三維映射內(nèi)容,系統(tǒng)實時呈現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工程管理數(shù)據(jù)、生產(chǎn)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運行數(shù)據(jù),實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)二三維監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警。為了更好地使用系統(tǒng)功能,就必須保證數(shù)據(jù)的完整性、準確性、刷新率。將集成原系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù),并保持每個數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)一致,實時數(shù)據(jù)刷新頻率也將與原系統(tǒng)的刷新頻率保持一致,以保證數(shù)據(jù)的實時刷新,為業(yè)務(wù)人員在生產(chǎn)決策時提供及時、準確的數(shù)據(jù)支撐。

6.2 靜態(tài)數(shù)據(jù)管理

每一個工廠對象(設(shè)備、閥門、管線等)都有對應(yīng)的位號,從工程信息中提取位號后建立以位號為中心的數(shù)據(jù)管理方式,用于管理位號所關(guān)聯(lián)的模型、屬性。同時在后續(xù)應(yīng)用階段,可補充拓展對象的基礎(chǔ)屬性。原始三維模型導(dǎo)入系統(tǒng)后,自動帶有工程設(shè)計階段的相關(guān)屬性信息,但在后續(xù)運維過程中,這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可隨著設(shè)備的使用逐步增加,例如采購信息、安裝調(diào)試信息等。從設(shè)備的設(shè)計、制造、采購、安裝、運行等階段中,會產(chǎn)生各式各樣與設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù),設(shè)備的屬性貫穿著設(shè)備的整個生命周期,在不同階段產(chǎn)生的設(shè)備屬性可直接在平臺上補充,逐步積累設(shè)備的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。用戶可以對每個對象設(shè)置并增加資產(chǎn)類型及相應(yīng)的屬性集,包括設(shè)計信息、調(diào)試信息、運維信息等,自動將對象屬性集與所選對象關(guān)聯(lián)起來,最后在三維場景中進行展示。

1)二、三維相互跳轉(zhuǎn)。通過右鍵點擊二維畫面上的設(shè)備,系統(tǒng)自動定位至三維畫面上關(guān)聯(lián)的設(shè)備,可查看設(shè)備的運行狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)浮窗顯示,屬性信息及關(guān)聯(lián)信息、P&ID圖紙等。

2)輸入位號跳轉(zhuǎn)至三維。直接輸入位號,定位至三維畫面上關(guān)聯(lián)的設(shè)備,可查看設(shè)備的運行狀態(tài)、屬性信息及關(guān)聯(lián)信息。在操作畫面中,操作人員可通過點擊畫面中的設(shè)備或通過鍵盤輸入設(shè)備位號的方式,以預(yù)設(shè)的視角和距離在虛擬三維工廠中對所選擇的設(shè)備實體進行定位并顯示。

3)報警列表跳轉(zhuǎn)至三維。通過點擊報警列表操作,定位至出現(xiàn)報警的設(shè)備,工業(yè)控制系統(tǒng)記錄的報警數(shù)據(jù),可直接定位三維場景中產(chǎn)生報警的設(shè)備。

4)雙屏顯示。對于雙屏操作站,可實現(xiàn)下屏操作,上屏顯示,上屏操作,下屏顯示。

5)漫游巡檢。在操作員站的三維場景中,可使用鼠標和鍵盤相配合的方式實現(xiàn)三維場景漫游,通過虛擬人物,模擬外操人員在現(xiàn)場中的巡檢過程。在漫游過程中,可通過3D浮窗的方式實時顯示且只顯示一定范圍內(nèi)(該范圍可以根據(jù)不同情況進行設(shè)置)的設(shè)備對象包含的各種測點信息,并借助三維平臺集成的各類運行參數(shù)和歷史記錄等進行問題分析,進一步提升內(nèi)操和外操之間的信息聯(lián)動,方便內(nèi)操指導(dǎo)、外操現(xiàn)場操作。

6)智能P&ID聯(lián)動。該系統(tǒng)可活化工廠的流程圖,形成智能P&ID,實現(xiàn)熱點化應(yīng)用使其智能性更加強大。同時,它還可以與模型數(shù)據(jù)進行聯(lián)動,實現(xiàn)二維數(shù)據(jù)與三維數(shù)據(jù)的一體化聯(lián)動應(yīng)用,增加了數(shù)據(jù)瀏覽方式的多樣性,彌補了DCS流程畫面在工藝細節(jié)方面的不足。

7)上下游快速定位。通過數(shù)字化交付,基于三維模型、智能P&ID實現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。在三維場景中,可快速定位查看當前設(shè)備連接的上下游儀器儀表、閥門等,進而提升運維工作效率。

7 應(yīng)用機遇及挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用是一個新興且高速發(fā)展的產(chǎn)業(yè),不管是對于企業(yè)還是供應(yīng)商,都具有很高的挑戰(zhàn)性,而國內(nèi)的三維渲染技術(shù)也正在興起,對于智能制造的國產(chǎn)化是機遇,如何基于自身產(chǎn)業(yè)特點和發(fā)展機遇,更好地助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,是業(yè)界當前需要思考的問題。

數(shù)字孿生技術(shù)具有可推演性、保真性和閉環(huán)性。而該技術(shù)中重要的一環(huán)就是數(shù)字化交付(高保真模型和數(shù)據(jù)治理),通過增強現(xiàn)實、仿真分析和虛擬現(xiàn)實等功能,結(jié)合數(shù)字化交付結(jié)果與物理實體運行的實時反饋信息,實現(xiàn)對物理實體的運行狀態(tài)進行監(jiān)控,依據(jù)采集的物理實體運行數(shù)據(jù)完善虛擬體的仿真分析算法,從而對物理實體的后續(xù)運行和改進提供更加精確的決策。將工廠DCS,MES等能實現(xiàn)價值鏈運轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)進行整合,三維可視化數(shù)字工廠平臺可完美將數(shù)字化交付后的3D模型和信息技術(shù)有機結(jié)合,并與VR/AR/MR深度融合,實現(xiàn)身臨其境增強現(xiàn)實的數(shù)字化工廠。為從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)實施直至服務(wù)的各個環(huán)節(jié)打造一致的、無縫的數(shù)據(jù)平臺,形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術(shù)的現(xiàn)實企業(yè)鏡像。

8 結(jié)束語

針對石油化工行業(yè)工藝流程長、操作畫面多、操作負荷高、人機交互性差的問題,在工程實踐中充分利用數(shù)字化交付資產(chǎn),在傳統(tǒng)生產(chǎn)運行的動態(tài)工廠二維操作畫面的基礎(chǔ)上,開發(fā)虛擬三維工廠操作畫面,融合了數(shù)字化交付、三維模型、實體工廠、P&ID圖紙和儀表數(shù)據(jù)等資料信息。結(jié)合運行階段DCS以及建設(shè)的三維數(shù)字化工廠,將工業(yè)控制系統(tǒng)與三維虛擬工廠進行集成組態(tài),打通二、三維數(shù)據(jù)間傳輸通道,實現(xiàn)DCS過程數(shù)據(jù)向虛擬工廠的傳遞。通過DCS流程畫面和DCS報警畫面在三維模型中的一鍵定位、DCS查看工藝信息和實時監(jiān)測信息、三維模型,了解現(xiàn)場地理空間信息及設(shè)備設(shè)施建設(shè)期(設(shè)計、采購、施工)、運營期信息(檢維修、運維信息、運行狀態(tài)等信息)等功能,實現(xiàn)在中心控制室對廠區(qū)的精準管控,協(xié)助內(nèi)操指導(dǎo)外操人員現(xiàn)場處理異常情況。能夠大幅提升各裝置的操控運維直觀性,確保內(nèi)操人員更方便快捷地查詢,更有效地與外操人員溝通;有效減輕了操作人員的勞動強度,進而提高了裝置的平穩(wěn)性和安全性。