成戟

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

1 引言

近年來，在信息技術(shù)領(lǐng)域，新一代技術(shù)（人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及5G 通信等）實(shí)現(xiàn)了集群突破。這些突破正在為以“智能制造”為主要特征的新一代“工業(yè)革命”完成量變階段的蓄能[1]。而為了進(jìn)一步加速達(dá)到“智能制造”的最終質(zhì)變，世界各國皆出臺(tái)了面向未來的先進(jìn)制造發(fā)展戰(zhàn)略，如美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和德國工業(yè)4.0。與此對(duì)應(yīng)，我國也先后出臺(tái)了“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)＋”等制造業(yè)國家發(fā)展實(shí)施戰(zhàn)略。

同樣，對(duì)于石化行業(yè)而言，實(shí)現(xiàn)“智能制造”的一個(gè)重要途徑就是利用好以數(shù)據(jù)為中心的新一代信息技術(shù)，讓數(shù)據(jù)創(chuàng)造價(jià)值。但是，石化行業(yè)是典型的重資產(chǎn)行業(yè)，工廠的設(shè)備種類多，數(shù)量大；工廠的生命周期長，階段多；工藝復(fù)雜，優(yōu)化難，容錯(cuò)率低。這就導(dǎo)致石化行業(yè)工廠在其全生命周期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生海量的不斷變化的數(shù)據(jù)，并且來源及其類型紛繁復(fù)雜。多、雜、變的工廠原始數(shù)據(jù)難以被人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)所直接利用，從而難以創(chuàng)造更進(jìn)一步的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)“智能制造”的愿景。

國內(nèi)在開展石化行業(yè)智能制造時(shí)，已試圖引入數(shù)字孿生概念理論來解決數(shù)據(jù)融合、迭代、處理等問題。工廠的數(shù)字孿生（Digital Twin）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體工廠的虛擬映射模型，其核心在于數(shù)據(jù)收集、聚合、分析及提供決策性等功能。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)并集成多學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字孿生可促進(jìn)連接物理世界和信息世界的交互與共融，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)[1-3]。數(shù)字孿生是促進(jìn)新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，實(shí)現(xiàn)“智能制造”的載體和工具。

對(duì)于生命周期較長的化工行業(yè)工廠，從設(shè)計(jì)、建造到運(yùn)維的深度信息融合是實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)字孿生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工廠設(shè)計(jì)是構(gòu)建智能化工廠的第一個(gè)階段，設(shè)計(jì)階段所產(chǎn)生的各維度的智能化數(shù)據(jù)能夠?yàn)楹罄m(xù)工廠智能建造、智能運(yùn)維等環(huán)節(jié)提供重要支持。但是，當(dāng)前設(shè)計(jì)與建造和運(yùn)維往往存在脫節(jié)，造成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可用性低。此外，設(shè)計(jì)階段需要多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，這會(huì)普遍造成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)多源且分散。這種脫節(jié)與分散導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)與最終實(shí)體工廠的虛實(shí)映射、循環(huán)迭代和一體化開發(fā)無法實(shí)現(xiàn)。具體來說，當(dāng)前化工行業(yè)采用的主流設(shè)計(jì)手段和方法無法完全滿足構(gòu)建工廠數(shù)字孿生的要求，主要存在以下問題：

1.1 缺少單一平臺(tái)上進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)的體系

雖然數(shù)字化設(shè)計(jì)的理念和工具已經(jīng)被廣泛接受和應(yīng)用，但是工廠設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，目前國內(nèi)還未能完全建立起依靠單一平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)的體系。例如PDS、PDMS、SmartPlant 3D 和AutoPlant等應(yīng)用廣泛的三維軟件需要和各專業(yè)應(yīng)用軟件之間的利用數(shù)據(jù)接口進(jìn)行協(xié)同。而這些協(xié)同接口往往需要二次開發(fā)，也會(huì)根據(jù)不同項(xiàng)目需求反復(fù)修改，對(duì)設(shè)計(jì)方技術(shù)要求高，實(shí)施成本大，因此現(xiàn)階段國內(nèi)大部分項(xiàng)目中設(shè)計(jì)階段的多專業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)同是缺失的。但是在“智能制造”、“數(shù)字化工廠”等需求的引領(lǐng)下，業(yè)主往往需要設(shè)計(jì)院提供數(shù)字化整體移交的方案。設(shè)計(jì)院為了滿足數(shù)字化移交的要求，需要將設(shè)計(jì)階段各專業(yè)的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行整合。由于缺乏設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)協(xié)同，整合時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)不少專業(yè)間數(shù)據(jù)不一致情況，進(jìn)而需要修改設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保證一致。這個(gè)過程會(huì)造成無謂的時(shí)間和資源消耗。

1.2 工廠的建設(shè)和運(yùn)行期間產(chǎn)生的大量變更難以更新

工廠的建設(shè)和運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生大量的變更，目前這些變更難以動(dòng)態(tài)反饋到工廠設(shè)計(jì)成果中。雖然理論上現(xiàn)有的數(shù)字化設(shè)計(jì)工具可以覆蓋工廠建造和運(yùn)維期間的變更管理，但實(shí)際上作為工廠建設(shè)和運(yùn)維期間的主體——業(yè)主，很少擁有設(shè)計(jì)軟件，對(duì)其也不熟悉。如果工廠設(shè)計(jì)成果無法及時(shí)更新大量變更數(shù)據(jù)，造成工廠運(yùn)維期間，使用了不一致乃至錯(cuò)誤的工程數(shù)據(jù)，會(huì)給工廠的安全高效生產(chǎn)帶來不小的隱患。因此，工廠的變更數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋回設(shè)計(jì)階段的能力急需提高。

1.3 工廠的設(shè)計(jì)建模方法和流程有待完善

傳統(tǒng)的各專業(yè)工廠設(shè)計(jì)管理工具雖然能夠記錄、共享、管理各自專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙、模型和文檔，但建立的是靜態(tài)、分散的工廠設(shè)計(jì)模型。分散的設(shè)計(jì)模型也導(dǎo)致現(xiàn)有各專業(yè)間的協(xié)同工作流程較為復(fù)雜和低效。

數(shù)字孿生理論的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)完全一體化提供了有效參考，因?yàn)閿?shù)字孿生的核心是保證虛擬工廠和真實(shí)工廠之間的同步一致。如何利用數(shù)字孿生理論的特征（如：多專業(yè)協(xié)同、高變更反饋、虛擬調(diào)試等），使得工廠設(shè)計(jì)能夠有效支持工廠建設(shè)、運(yùn)維、技改，建立精確反映工廠的信息模型是本文要解決的核心問題。

總之，本文在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工廠設(shè)計(jì)框架?；谒岢龅目蚣埽瑥慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、可視化展示平臺(tái)、可追溯的動(dòng)態(tài)更新體系等角度，探索了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工廠一體化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)和使用流程。

2 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工廠設(shè)計(jì)參考框架

數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工廠一體化設(shè)計(jì)框架的目的是讓數(shù)據(jù)創(chuàng)造更多的價(jià)值，因此框架的建立需要考慮如何利用數(shù)字孿生為工廠的全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)帶來價(jià)值，據(jù)此并根據(jù)被廣泛接受的數(shù)字孿生特征，本文所提出的一體化設(shè)計(jì)框架應(yīng)具備如下特征：

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型：一體化的設(shè)計(jì)框架應(yīng)依托于一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型之上，這個(gè)數(shù)據(jù)模型就是工廠數(shù)字孿生的載體，可以貫徹于工廠的整個(gè)全生命周期，滿足所有工廠涉及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

虛實(shí)對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系：工廠中每一個(gè)物理實(shí)體和功能實(shí)體可以以數(shù)據(jù)對(duì)象的方式在數(shù)據(jù)模型中得到全方位的精確映射。數(shù)據(jù)對(duì)象需要盡可能地精確表達(dá)工廠實(shí)體對(duì)象的特性、行為、狀態(tài)。

時(shí)域上可動(dòng)態(tài)更新、可追溯：數(shù)據(jù)模型應(yīng)能準(zhǔn)確地反映物理工廠在特定時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)，并且可以在任何時(shí)間點(diǎn)創(chuàng)建、更新、查看工廠數(shù)據(jù)模型。

面向多專業(yè)的單一設(shè)計(jì)平臺(tái)：基于同一工廠數(shù)據(jù)模型建立單一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)提供多學(xué)科設(shè)計(jì)工具，包括工藝、儀表、電氣、自動(dòng)化、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等。

可視化和易交互：基于軟件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)工廠的一維（數(shù)據(jù)表，文檔）、二維（圖紙）、三維（模型）以及狀態(tài)等特征的高度可視化。應(yīng)可被用戶通過計(jì)算機(jī)圖形、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)的方式所感知，設(shè)計(jì)者可以使用平臺(tái)對(duì)于數(shù)據(jù)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真、集成互聯(lián)、運(yùn)行干預(yù)、狀態(tài)調(diào)整、反饋優(yōu)化等操作。

對(duì)第三方數(shù)據(jù)源集成性好：對(duì)于沒有使用本設(shè)計(jì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)，應(yīng)具備強(qiáng)大的兼容性，可轉(zhuǎn)換第三方數(shù)據(jù)并融入統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型。

基于以上特征，本文以化工行業(yè)工廠為對(duì)象，提出一種由數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的一體化設(shè)計(jì)參考架構(gòu)（如圖1），建模參考系統(tǒng)架構(gòu)由統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、可視化展示平臺(tái)、可追溯的動(dòng)態(tài)更新體系4部分組成。其中：統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，須滿足在全生命周期內(nèi)實(shí)體工廠和虛擬工廠相互映射所產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)類型的存儲(chǔ)，同時(shí)要滿足設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)于數(shù)據(jù)操作的需求以及第三方數(shù)據(jù)源接口的需求；多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)提供一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)、儀表設(shè)計(jì)、自控設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵技術(shù)是保證在一個(gè)軟件環(huán)境中達(dá)到實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)的目的；可視化平臺(tái)用于將渲染處理后的一維、二維、三維、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在統(tǒng)一環(huán)境中展示，形式包括：VRAR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、三維可視化、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和圖表展示，其關(guān)鍵技術(shù)是提供基于Web 的展示平臺(tái)，便于隨時(shí)隨地訪問；可追溯的動(dòng)態(tài)更新體系可以保證在任意時(shí)間點(diǎn)向統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫更新數(shù)據(jù)，此外可以追溯查看歷史上數(shù)據(jù)變化情況。

圖1 一體化設(shè)計(jì)參考架構(gòu)Fig.1 Integrated design reference architecture

3 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工廠設(shè)計(jì)框架的工作流程

在數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工廠一體化設(shè)計(jì)框架之上進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要按照一定的步驟開展。如圖2 所示，主要可分為三個(gè)步驟，分別為：一體化框架初始化、各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真與虛擬試車。

圖2 工作流程步驟Fig.2 Workflow steps

3.1 一體化框架初始化

使用一體化框架進(jìn)行工程設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)單位必須先進(jìn)行一體化框架初始化，初始化質(zhì)量直接影響到后續(xù)設(shè)計(jì)工作的設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率，是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的重中之重。初始化主要包含以下四個(gè)方面。

3.1.1 基礎(chǔ)對(duì)象定制

基礎(chǔ)對(duì)象是對(duì)于一類實(shí)體工廠元素的數(shù)字映射實(shí)現(xiàn)，是統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中表達(dá)工廠數(shù)字孿生的基本單元。定制基礎(chǔ)對(duì)象時(shí)，應(yīng)為每個(gè)基礎(chǔ)對(duì)象分專業(yè)定制“二維”、“三維”圖例用于各專業(yè)圖紙模型的表達(dá)，主要分為工藝、電氣、設(shè)備、儀表等類型的圖例。比如工廠自控系統(tǒng)的某個(gè)卡件在機(jī)架配置圖中表現(xiàn)為簡單的長條形狀；在卡件供電及網(wǎng)絡(luò)接線圖中表現(xiàn)為卡件外部電源接線端子和網(wǎng)絡(luò)連接的情況；在卡件詳細(xì)接線圖中表現(xiàn)為每個(gè)端子的詳細(xì)情況；在機(jī)柜的3D 模型圖中表現(xiàn)為具體真實(shí)尺寸的長方體。此外每個(gè)基礎(chǔ)對(duì)象有唯一的屬性卡片，里面包含該對(duì)象所有的屬性參數(shù)。成熟的一體化框架里面包括常用的各專業(yè)基礎(chǔ)對(duì)象庫，比如符合ISO，DIN，ASME 等國際的工藝、電氣對(duì)象庫等

3.1.2 對(duì)象層級(jí)結(jié)構(gòu)定義

傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)各專業(yè)會(huì)使用不同的設(shè)計(jì)工具，以人工或者接口的方式進(jìn)行協(xié)同?；跀?shù)字孿生的一體化設(shè)計(jì)則以工廠孿生對(duì)象為基本設(shè)計(jì)元素，并對(duì)這些對(duì)象按照實(shí)際的物理和功能需求進(jìn)行層級(jí)結(jié)構(gòu)分類。通過這些工廠對(duì)象及其層級(jí)結(jié)構(gòu)，各專業(yè)間可以開展無縫且高效的協(xié)同。比如在某項(xiàng)目中，可以分成面向工藝和面向位置的兩個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)維護(hù)孿生對(duì)象和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。工藝結(jié)構(gòu)以工廠作為第一層級(jí)，工廠內(nèi)某個(gè)生產(chǎn)單元作為第二層級(jí)，該生產(chǎn)單元的子單元作為第三層級(jí)，各工藝相關(guān)的管道、閥門、泵等對(duì)象分布在第四層級(jí)。位置結(jié)構(gòu)以工廠具體建筑物作為第一層級(jí)，則該建筑不同樓層作為第二層級(jí)，同一樓層的不同房間作為第三層級(jí)，同一房間的不同電氣柜、網(wǎng)絡(luò)柜、機(jī)柜作為第四層級(jí)……以此類推。不同專業(yè)的孿生對(duì)象和設(shè)計(jì)文檔可按其特性放置在不同的層級(jí)結(jié)構(gòu)下面。比如在某項(xiàng)目里，P&ID 圖、設(shè)備、管道等圖紙資料放在工藝結(jié)構(gòu)的子單元層級(jí)下面；機(jī)柜的所有設(shè)計(jì)圖放在位置結(jié)構(gòu)的機(jī)柜層級(jí)的下面；控制回路圖和聯(lián)鎖邏輯圖放在工藝結(jié)構(gòu)子單元層級(jí)下面的EI&C 文件夾里。各專業(yè)的設(shè)計(jì)都可以在相同數(shù)據(jù)庫中所定義的層級(jí)結(jié)構(gòu)中完成，從而保證各專業(yè)間的實(shí)時(shí)協(xié)同。

3.1.3 文檔模板定制

設(shè)計(jì)文檔是設(shè)計(jì)成果的最終載體，不同專業(yè)有其相對(duì)固定的文檔格式和表達(dá)方式，如流程圖、布置圖、數(shù)據(jù)表、列表、說明書等。同時(shí)，這些格式文檔應(yīng)與工廠數(shù)字孿生形成動(dòng)態(tài)綁定，作為數(shù)字孿生的輸出載體。因此，成熟的一體化設(shè)計(jì)框架應(yīng)包含各專業(yè)在不同設(shè)計(jì)階段時(shí)所需要的符合國際標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 61355）的全套文檔模板庫。此外，在設(shè)計(jì)框架初始化期間，還要定制不同的文檔模板，以滿足該項(xiàng)目的個(gè)性化需求。為了確保文檔與工廠數(shù)字孿生的同步，文檔模板應(yīng)是動(dòng)態(tài)交互式的。所謂動(dòng)態(tài)交互式文檔，即文檔模板上顯示的圖和數(shù)是孿生對(duì)象本身，可以直接編輯修改，修改后的內(nèi)容可直接更新至數(shù)據(jù)庫。此外，文檔模板還可通過程序腳本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪圖制表，比如端子接線圖、電纜列表、材料表和設(shè)備表等，均可自動(dòng)生成圖表，從而大幅減少了工作量和可能的錯(cuò)漏問題，保證了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.1.4 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)規(guī)則的定制

在一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)開展設(shè)計(jì)時(shí)，需要借助數(shù)據(jù)流來協(xié)調(diào)各專業(yè)間的工作，使專業(yè)間的數(shù)據(jù)在同一平臺(tái)上流轉(zhuǎn)，確保數(shù)據(jù)的一致性。因此，在初始化階段，需要定義各專業(yè)間數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)規(guī)則，并以自動(dòng)工作流形式實(shí)現(xiàn)，使相關(guān)人員自動(dòng)收到校對(duì)、審核、修改等通知。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)填寫和數(shù)據(jù)校對(duì)的流程，將各專業(yè)串行的工作方式改變成為并行的工作方式，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了項(xiàng)目工期，提升設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和可復(fù)用性，從而極大地提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，最終保證了工廠數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的一致性。

3.2 協(xié)同設(shè)計(jì)

3.2.1 工藝專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)

在工藝設(shè)計(jì)方面，通過將流程模擬軟件的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)中，自動(dòng)生成PFD 和物料平衡計(jì)算，并以此為基礎(chǔ)繼續(xù)深入地進(jìn)行工藝計(jì)算和單元計(jì)算。將PFD 擴(kuò)展成為智能的P&ID，從中可自動(dòng)地抽取設(shè)備一覽表、管道一覽表、閥門一覽表、特殊管件一覽表、界區(qū)條件表、儀表一覽表；各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)表則自動(dòng)掛載在設(shè)備名下；各種圖表被有機(jī)地聯(lián)系在一起，通過導(dǎo)航可輕松查詢到任何的相關(guān)信息。

此外，平臺(tái)提供與電氣和儀表專業(yè)的最佳連接，以便快捷輕松地同步數(shù)據(jù)。工藝專業(yè)的數(shù)據(jù)還與管道設(shè)計(jì)、軸測(cè)圖和 3D 設(shè)計(jì)、維護(hù)和維修模塊相連，這樣可以在所有方向上實(shí)現(xiàn)一致性。工藝專業(yè)是所有專業(yè)和部門的數(shù)據(jù)中心，能夠?yàn)楣S工程師、安裝人員和運(yùn)營商開展工作提供高效支持，最終降低錯(cuò)誤發(fā)生率，提高生產(chǎn)力，并縮短項(xiàng)目交付時(shí)間。

3.2.2 配管專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)

在工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，可進(jìn)一步利用一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行2D 與3D 的協(xié)同設(shè)計(jì)，包括工藝專業(yè)P&ID 和管道專業(yè)3D 模型共享統(tǒng)一的管道等級(jí)庫和管道元件庫，3D 模型和P&ID 進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，P&ID圖中的數(shù)據(jù)資料也被3D 模型調(diào)用，真正地實(shí)現(xiàn)了2D 圖紙與3D 模型數(shù)據(jù)的一致性，極大地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

3.2.3 電氣儀表專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)

在工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，還可進(jìn)一步開展儀表自動(dòng)化和電氣的協(xié)同設(shè)計(jì)。與工藝設(shè)計(jì)的設(shè)備數(shù)據(jù)表類似，各種儀表規(guī)格書掛載在儀表名下，各種電氣設(shè)備數(shù)據(jù)表也掛載在電氣設(shè)備的名下。儀表專業(yè)生成智能的回路圖、邏輯圖、安裝圖，并自動(dòng)抽取出電纜表和材料表等儀表文件；電氣專業(yè)則生成智能的原理圖和系統(tǒng)圖，并自動(dòng)抽取出電氣設(shè)備表、電氣負(fù)載表、電纜表和材料表等電氣文件，并進(jìn)行盤柜設(shè)計(jì)。并且這些電路圖上有智能符號(hào)以及與其他部分之間的最優(yōu)連接。由于數(shù)據(jù)一致性高，并且大幅減少了項(xiàng)目前置時(shí)間，因此減少了成本，同時(shí)提高了工程質(zhì)量。

3.2.4 自控專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)與集成

利用工藝專業(yè)在繪制P&ID 圖時(shí)建立儀表對(duì)象，自控專業(yè)可在儀表對(duì)象下面建立相應(yīng)儀表信號(hào)對(duì)象，將儀表信號(hào)對(duì)象關(guān)聯(lián)到儀表專業(yè)的控制回路圖中，并關(guān)聯(lián)到使用平臺(tái)的邏輯模塊繪制連鎖邏輯圖。平臺(tái)應(yīng)內(nèi)置邏輯模塊所用到的各種符合IEC 61131—3 標(biāo)準(zhǔn)的邏輯塊和計(jì)算塊對(duì)象，這些邏輯塊和計(jì)算塊對(duì)象應(yīng)與DCS 組態(tài)軟件（如SIMATIC PCS7）中組態(tài)編程時(shí)使用的功能模塊保持一致。此外，自控專業(yè)還可以通過平臺(tái)進(jìn)行DCS 硬件組態(tài)設(shè)計(jì)。最終，通過特定接口將邏輯圖等軟硬件組態(tài)導(dǎo)入DCS 系統(tǒng)中，經(jīng)過編譯后，就是可以用于運(yùn)行和控制的程序，大幅減少了組態(tài)編程的工作量。

完成上述自控專業(yè)在一體化平臺(tái)上的協(xié)同設(shè)計(jì)后，P&ID 圖的儀表信號(hào)對(duì)象與機(jī)柜圖紙中的卡件輸入輸出通道和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際儀表信號(hào)控制點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)與DCS 系統(tǒng)中的儀表信號(hào)對(duì)象一一對(duì)應(yīng)。一個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)DCS 完全一樣的數(shù)字化虛擬控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生建立完成，包括SIS，SCADA 或GDS 都是同樣的設(shè)計(jì)流程，可以清楚地看到和實(shí)際控制系統(tǒng)完全一致的現(xiàn)場(chǎng)儀表選型和接線、控制系統(tǒng)硬件配置情況、控制邏輯及控制回路等。

3.3 仿真與虛擬調(diào)試

設(shè)計(jì)完成后，平臺(tái)可通過仿真與虛擬調(diào)試系統(tǒng)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)成果，并通過反饋迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真的過程就是仿真平臺(tái)與DCS 系統(tǒng)間耦合和信號(hào)循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)過程，而自控設(shè)計(jì)完成后的數(shù)字孿生可通過一體化平臺(tái)將組態(tài)數(shù)據(jù)傳入仿真平臺(tái)與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行仿真與虛擬調(diào)試。

虛擬調(diào)試系統(tǒng)可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行不同層級(jí)的測(cè)試，滿足自動(dòng)化領(lǐng)域的各種實(shí)時(shí)仿真要求。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試前的虛擬調(diào)試可減少今后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間；通過定制開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員的培訓(xùn)。虛擬調(diào)試系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次的仿真，分別是：信號(hào)層、設(shè)備層、工藝層。信號(hào)層級(jí)仿真了來自現(xiàn)場(chǎng)的各種輸入輸出信號(hào)；設(shè)備層級(jí)仿真了現(xiàn)場(chǎng)的控制器、閥門、電機(jī)等電氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了從HMI—控制器—I/O 卡件—執(zhí)行器/傳感器的閉環(huán)，可以進(jìn)行設(shè)備層面的回路測(cè)試，完成聯(lián)鎖邏輯和順控邏輯的測(cè)試。無需借助硬件，提前排查組態(tài)程序中的問題，加快現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作；在工藝層級(jí)，仿真了工藝裝置，如：加熱爐、聯(lián)合塔等，在設(shè)備層的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了從HMI—控制器—I/O 卡件—執(zhí)行器/傳感器—工藝過程的閉環(huán)。

通過虛擬調(diào)試，發(fā)現(xiàn)工藝或自控設(shè)計(jì)中的一些問題，并使用一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)迭代修改，從而在開車前形成設(shè)計(jì)閉環(huán)，可以使調(diào)試時(shí)間更短，增加工廠的安全性和提高工廠的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生的出現(xiàn)和發(fā)展為實(shí)現(xiàn)更好的工廠一體化設(shè)計(jì)提供了嶄新的思路，本文將數(shù)字孿生理念及其相關(guān)技術(shù)引入了石化行業(yè)工廠的設(shè)計(jì)過程中，提出了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工廠一體化設(shè)計(jì)框架及其關(guān)鍵技術(shù)。利用該框架可以實(shí)現(xiàn)基于單一平臺(tái)的工藝、電氣、儀表、自控等專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)、并行工程、虛擬調(diào)試，并保證虛擬工廠與實(shí)體工廠信息的一致，實(shí)現(xiàn)全生命周期實(shí)時(shí)同步的工廠數(shù)字孿生，使得工廠數(shù)據(jù)更好地被人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)所直接利用，讓數(shù)據(jù)創(chuàng)造價(jià)值。