流程工业的数字孪生

流程工业，是指对液体或气体工业原料的储存、运输和加工的过程。这类工业过程中的常见部件包括用于储存和加工原材料的罐状容器、连接容器的管道以及控制容器之间材料移动的阀门和泵。值得注意的是，流程工业的原材料，如石油，其具有流体的性质，形状是不固定的，这便是流程工业和制造工业的主要区别。在制造工业中，需要进行固体原料的取放等操作。然而，由于没有固体原料，这类操作在流程工业中不会出现。流程工业通过管道来控制原材料的加工。控制流程工业执行的关键组件是测量器，控制器，设定点和执行器。本文将重点介绍其基本概念，如流程设备、物理流程的模型、仪器和控制系统。

对液态水的处理是最简单的流程工业项目。图1显示了一个用于加热、加压和循环水的实验室设备。它是由Jukka Peltola 在阿尔托大学时为了研究流程工业并进行教育而开发的。本章将以该设备为模板，为读者介绍在流程工业过程中遇到的各种关键概念和技术。这将是之后理解流程工业的数字孪生的知识基础。

该水处理过程,包括三个开放的水箱、一个加热元件、一个压力容器、两个泵以及用于水箱之间循环的阀门。

       

图1 阿尔托大学用于加热、加压和循环水的实验室设备

图2显示了图1中工艺管道和仪表图的示例结构（Piping1&Instrumentatión1Diagram,P&D），设备采用不同颜色的矩形进行标记，以便进行区分。通过比较这两张图，可以看出管道和仪表图只包括部分管道，即构成主循环的管道。在执行启动、关闭、清洁和维护时，还需要一些额外的管道，但这些管道在图2中没有展示出来。管道和仪表图是建立流程工业数字孪生的重要组成部分，它引出了一个重要问题：流程中的哪些管道应该被建模？其答案取决于数字孪生的用途。这也说明了在进行数字孪生项目开发之前确定项目需求的重要性。图2中管道和仪表图中的元素如下。

（1）容器。包括常压罐TK100、TK200和TK200。这些容器附有盖子，但不是水密的，要小心溢出，因此不能将水箱加压到1bar 以上。TK100 包含一个由电力驱动的加热元件E100。

       

图2  流程的工艺和仪表图

（2）压力容器TK300。其罐顶有一个出口喷嘴。正常操作时，水箱充满水后由进口管道中的泵P200进行加压。阻力由出口管道中的控制阀V1041提供。

（3）阀门。图2中有3种类型的阀门符号。

（4）手动控制阀门V105，用于液体排出。

（5）自动控制阀。如V102，可以接收控制系统的模拟信号并进行调整。

（6）自动二元阀。如V203，只能接收控制系统的二元（开/关）信号来完全打开或关闭。

管道内的泵P1001从TK1001到TK200，以及泵P200从TK200到TK300，这些泵都能通过控制系统的模拟信号进行控制。

图2中的传感器，其名称代码都有意义。温度、压力、液位和流量传感器分别用首字母T、P、L和F表示。若第二个字母是I或S，分别代表示数或开关。例如，LI表示确定水箱的容量示数传感器，用水箱顶部的模拟超声波传感器测量到表面的距离来实现。本系统中与液位有关的开关传感器均为二进制传感器，当表面水平低于或高于预定的阈值时，它们就会启动。后缀_H 表示高液位阈值传感器，_L表示低液位阈值传感器。

基于图2，可以定义在正常操作下构成流程自动化的控制逻辑。若控制回路中的控制器采用二进制执行器，如二进制阀门或加热元件，它就是离散的；若采用模拟执行器，如泵或比例阀，它就是连续的。在这两种情况下，控制回路的目的是保持传感器的测量值接近操作者的设定值。测量值和设定值之间的差值，称为误差。将误差作为控制器的输入，继而使控制器计算出对执行器的控制信号表1规定了控制回路的一些指令。例如，TK100的液位是通过打开和关闭TK400 和 TK100 之间管线上的二元阀来控制的。若回路的名称包含字母C，则该设备的控制是基于测量器的（即图2中的 LIC100）。值得注意的是，有两个控制回路参与控制 TK200 的液面高度。LIC200的输出并没有传达给执行器，而是作为流量控制回路FIC200的设定点，控制进入 TK200的流量。这种现象被称为级联控制，当内环控制一个比外环更快的变化量（这里指的是管道中的流量）时，可以采用这种控制方式。

表1 控制回路指令表

       

若涉及批量生产，则产品由成批的离散产品组成。例如，在造纸过程中，纸浆被连续加工成一卷卷的纸。在食品和饮料生产过程中，最终产品被包装成离散的单元，如罐子、纸箱、瓶子或瓶子。工厂在进行此类产品的生产时，有时只有在收到客户订单时才开始生产，有时采用按库存生产的方式，这就涉及生产决策。生产设施的调度涉及复杂的决策，需要考虑供应链和业务等各个方面。为了实现这一点，批处理需要在控制回路之中创建多个排序序列。调度功能根据供应链的状态以及现有和预期的客户订单来选择序列。ISA S88标准定义了用于指定序列排序的程序功能图（Procedure Function Chart,PFC）。

在介绍控制回路，了解了物理流程的主要功能后，可以开始讨论物理流程的建模了。从根本上来讲建模方法有两种：稳态和动态。前者不考虑时间因素，因此不对控制回路进行建模。而后者考虑时间因素。对于研究者来说，基于瞬态的反应研究更有意义，如控制回路设定点的变化、二元执行器的运行或流程部件的各种故障。

稳态建模有利于改造和设计新工厂，减少运营成本、能源消耗、二氧化碳排放、淡水消耗和环境污染。如何才可以被认为是稳态的数字孪生？这是一个开放的问题。Sierla的团队以图1中的过程作为案例研究，提出了一种数字孪生的路线图，在该路线图中，涉及一种基于历史测量数据来控制数字孪生同步的技术。

由于数字孪生涉及与物理流程的实时连接，所以这种情况下的建模方法是动态的。在本案例流程中，这个任务被简化了，因为管道和容器中的唯一物质是液态水。水的压力和温度在所有容器和管道中都很重要。管道中的流量和容器中的表面水位是系统感兴趣的数据。为了捕捉这些数值是如何随时间变化，以及它们是如何被执行器影响的，需要用热液解算器建立一个模拟模型。容器的尺寸、管道的内径和管道的路由是建立热液模型的基本信息，但这些信息是无法从管道或仪表图中获得的。特别是管道内的压力损失，它是模型的关键参数。为了计算它们，需要管道起点与终点的喷嘴高度、管道内径、管道中弯管（称为弯头）的数量和角度以及管道在两个管道分支的交界处（称为三通）的详细信息。Mart 的团队对压力损失的计算进行了详细解释，并将其应用于图1的流程。

除了基于物理学的流程建模方法外，还可以应用黑箱方法和机器学习模型来确定流程工业或其子流程的投入产出关系。由于数字孪生这一术语具有一定的营销价值，部分这样的工业产品被打上了数字孪生的标签。然而，只有当流程在与黑盒模型收集数据时处于相同的条件下运行时，数字孪生才是有效的。这与使用数字孪生来确保流程的理想运行目标相悖，特别是在系统出现异常的情况下。因此，本书坚持使用 NASA 对数字孪生的原始定义，使用尽可能合适的物理模型。

建立一个准确的流程工业的数字孪生需要获取管道和仪表图在设计时的源工程信息。由于老工厂大部分已经经营了几十年，源工程信息很难获取，较新的工厂将是应用数字孪生应用的重点。获得所需的工程设计的源信息有几种方法，取决于工厂的可用信息。

最新版本的三维工艺 CAD（计算机辅助设计）工具能够以开放，标准和机器可读的格式导出管道信息，特别是用于三维等值线的管道组件文件（Piping Component File,PCF）。得到了三维工艺 CAD 工具供应商的支持，Sierla 的团队为图1中的工艺开发了一个能够解析这种文件的应用程序。该工具能够提取弯头、三通和喷嘴的高度，从而获得用于计算这些管道的压力损失的所需信息。不幸的是，在撰写本章时，管道组件文件只能由最新版本的 CAD工具导出，因此只能用于新建成或最近投入使用的工厂。

一个已经运行多年的老工厂可能没有任何三维CAD模型，或者它的格式较古老，无法从中获取机器可读的文件，如管道组件文件。为这样的工厂构建一个高保真的数字孪生十分费力，需要较高的成本。Mart的团队测量了图1中工艺部件的尺寸，并反向设计了三维 CAD 模型。

对老工厂来说，通过激光扫描技术构建工业设施的数字模型是一种可行的方法。这种方法的挑战在于如何从扫描的原始点云数据中自动提取设备的组件。但是，工厂设计时的 CAD模型描述的是工厂在建设初期的状态，而点云捕捉的是工厂的现况。对一个多年来进行过数次改造的老工厂来说，两者可能存在很大差别。从开发数字孪生的目的来讲，更倾向于获取工厂当前的数据。因为工厂的数字孪生应该与当前流程，而非其他任何历史上的流程进行实时同步。