中圖分類號：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

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

傳統(tǒng)的罐車罐體檢驗，普遍存在裝備不夠齊全、技術(shù)不夠成熟、自動化程度低、過于依賴人力、工作效率不高、檢驗質(zhì)量參差不齊的問題，為此，借助信息化和智能化技術(shù)，設(shè)計符合?；饭捃嚬摅w檢驗需求的智慧檢驗工廠顯得尤為迫切[2]。

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

該技術(shù)通過物理空間實體模型與虛擬空間多維模型的相互映射，實現(xiàn)過程主要包括平臺搭建、模型建立、模型在線辨識及優(yōu)化、數(shù)字孿生體應(yīng)用等方面，在智慧工廠的設(shè)計階段，通過數(shù)字模型仿真技術(shù)，可以驗證和優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，同時，在該階段可通過數(shù)字孿生系統(tǒng)對罐車罐體檢驗人員進行培訓(xùn)，并模擬事故發(fā)生情況，幫助檢驗人員熟悉操作過程、演練事故處置程序。在建造階段，通過設(shè)備仿真和接口抽象技術(shù)，可以幫助工程師進行程序調(diào)試，減少調(diào)試時間，加快建設(shè)進度。在系統(tǒng)運行階段，數(shù)字系統(tǒng)實時監(jiān)測罐車罐體檢驗過程，預(yù)測檢驗結(jié)果，提前進入下一步驟，提高效率。

從罐車罐體檢驗智慧工廠的設(shè)計、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)在罐車罐體檢驗智慧工廠中的應(yīng)用。

2控制系統(tǒng)設(shè)計及關(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：包含壓縮空氣儲氣罐、氮氣儲氣罐、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)的實時數(shù)據(jù)傳輸。

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

應(yīng)用層：通過人機界面對模型系統(tǒng)操作，監(jiān)視模型運行狀態(tài)和物理運行工控，并對仿真子系統(tǒng)進行各種模擬操作。

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)罐車罐體檢驗工藝流程，實現(xiàn)罐車自動檢驗過程。另一方面，孿生模型根據(jù)實際參數(shù)，進行同步模擬計算。系統(tǒng)將物理系統(tǒng)的反饋值與模型計算的結(jié)果進行實時比較，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結(jié)果、預(yù)判故障狀態(tài)的參考，也可用于系統(tǒng)自動修正模型參數(shù)。

控制器預(yù)置多種類型罐車罐體檢驗參數(shù)，包括壓縮空氣充裝壓力、壓力維持時長等，對于不同類型的罐車，也內(nèi)置一組模型參數(shù)，作為初始模型。當(dāng)檢驗工作開始時，由操作人員在人機交互設(shè)備中選擇罐車類型，并啟動自動檢驗程序。自動檢驗程序按照圖2所示的流程進行，其步驟主要包括壓縮空氣充裝、氣密性檢驗、壓縮空氣排放、抽真空、氮氣充裝、含氧量測定、氮氣排放等，該過程無需人工干預(yù)。在自動檢驗程序執(zhí)行過程中，孿生系統(tǒng)同步工作，根據(jù)實測參數(shù)實時計算待檢罐體罐內(nèi)壓力、含氧量、剩余時間等各個參數(shù)，并將計算值與實測值進行比較，提示操作人員是否存在故障可能。

孿生系統(tǒng)在控制器中獨立運行，在人機界面中提供用戶操作接口，操作人員根據(jù)需要在運行過程中模擬氣密性故障、含氧量波動大、充裝壓力過大、排氣壓力過低等非正常情況，由此檢驗這些故障情況發(fā)生時控制系統(tǒng)的保護性動作是否完備。

圖2罐車罐體檢驗流程

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，以更加貼近檢驗過程中氣密性試驗的真實過程，并模擬計算出檢驗時間。

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)。

考慮到充氣過程為絕熱過程，參考相關(guān)文獻[5]。

進一步推導(dǎo)得到壓力與時間的關(guān)系為：

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

從而模擬計算出氣密性試驗過程所需要的時間，再與實際檢驗中的氣密性試驗時間進行對比，經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)積累，為進一步優(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間的關(guān)系表達(dá)式，但由于采用理想狀態(tài)進行了簡化，以及罐車參數(shù)、溫度值等存在誤差，實際壓力與充氣時間關(guān)系可能存在誤差，因此在實際建模時，將部分參數(shù)采用變量表示，通過運行中不斷修正參數(shù)，從而實現(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，通過三組以上數(shù)據(jù)運行后，程序以均方差最小為目標(biāo)，在線計算并修正m，n，b 的值。

2.5孿生系統(tǒng)同步計算

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

在線計算壓力值主要用于實際采樣值與計算值比較，以便及時發(fā)現(xiàn)氣體充裝過程中是否存在漏氣等情況；通過應(yīng)用層孿生監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置故障隨機值，可模擬氣密性故障、模擬含氧量波動及模擬壓力過低工況，以檢測參數(shù)波動和故障發(fā)生時，自動控制系統(tǒng)能否及時準(zhǔn)確檢測并進行安全處置。

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)的修正計算，在ZC21冗余控制器中，使用ST（StructText）語言編寫模型代碼，如圖3所示。

圖3罐車模型示例代碼

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

圖4模型庫調(diào)用過程

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

3.1程序設(shè)計和調(diào)試

傳統(tǒng)的工廠建造過程中，往往需要物理設(shè)備和硬件其備條件后，才能進行自動控制程序的調(diào)試，這種方式受限于工程建設(shè)進度，且調(diào)試時需要頻繁操作實際物理設(shè)備，影響調(diào)試速度[6]。為了降低調(diào)試難度，縮短項目工期，本項目在前期采用模塊化設(shè)計和仿真調(diào)試的方法，如圖5所示。程序設(shè)計時盡可能模塊化，每個模塊對應(yīng)構(gòu)建虛擬模型，同時對系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備建立數(shù)學(xué)模型，在工程尚未實施時，采用虛擬設(shè)備進行實際工況模擬，使控制算法作用在虛擬設(shè)置上，從而驗證控制邏輯，在物理設(shè)備具備條件后，只需要進行設(shè)備接口的單獨調(diào)試，調(diào)試完成后將控制算法的輸入輸出切換到實際物理接口，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，通過虛擬仿真的方法，在輸入輸出過程中可以任意疊加外部干擾，從而驗證程序健壯性。

3.2人員培訓(xùn)和事故模擬

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

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

3.3實際運用效果

通過實際運用，基于數(shù)字孿生技術(shù)的罐車罐體檢驗控制系統(tǒng)顯著提高了檢驗效率和實時性，降低了安全隱患。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對罐車罐體檢驗過程的全面監(jiān)控和仿真分析，有助于及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在故障，為確保罐車罐體檢驗過程的安全提供了技術(shù)保障。

4結(jié)語

本文介紹了基于數(shù)字孿生技術(shù)的罐車罐體檢驗智慧控制系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計了數(shù)字模型與自控程序并存的智慧檢驗控制系統(tǒng)方案，以罐車本體為對象進行了數(shù)學(xué)模型研究，并通過ZC21R智能控制器實現(xiàn)了該模型算法，分析了該數(shù)字李生系統(tǒng)在罐車罐體檢驗智能工廠建設(shè)過程中的實際應(yīng)用，為確保罐車罐體檢驗過程安全提供技術(shù)保障。后續(xù)將進一步加強模型研究，以實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)完善物理模型建立，推動數(shù)字孿生技術(shù)在罐車罐體檢驗中的應(yīng)用。

未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在罐車罐體檢驗行業(yè)中的應(yīng)用將會更加廣泛和深人。通過不斷優(yōu)化和完善數(shù)字孿生模型，將進一步提高罐車罐體檢驗的準(zhǔn)確性和效率，為危險化學(xué)品的安全運輸提供更加有力的技術(shù)支撐。

參考文獻：

[1]徐海亮，張偉平，肖吉敏，等.探討危險化學(xué)品常壓罐車罐體檢驗中的問題及檢驗方法[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2022，42（16）：48-50.

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[5]黃雪琴，范偉軍，郭斌，等.定容積多通道充氣系統(tǒng)的仿真與設(shè)計[J].中國測試，2017，43（2）：82-86+92.

[6]孫艾，黃強，周云濤.常壓液體危險貨物罐車治理實踐的思考[J].專用汽車，2024（1）：43-45.

作者簡介：

徐徐，女，1990年生，工程師，鍋爐、壓力容器檢驗師，研究方向為承壓類特種設(shè)備檢驗安全與節(jié)能。