燃料乙醇生产线数字孪生系统构建

发布时间:2022-09-22

编辑人:灵图互动

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1. 燃料乙醇生产线发展现状

燃料乙醇生产线具有信息化与智能化不足、管理难度大、生产成本较高、安全隐患监测困难等特点,难以实现生产线全要素信息的感知、获取与进一步优化。这是阻碍燃料乙醇生产线向智能化发展所面临的最大难题。

在此背景下,要实现燃料乙醇生产线的全过程监测、管控及优化,促进燃料乙醇生产线智能化进程,提高核心技术竞争力,亟需通过与互联网、数字孪生、边缘计算、云计算等新一代信息技术融合应用,对生产线资源进行整合,优化生产过程,达到提高产能、降低燃料乙醇生产成本的目的。

2. 燃料乙醇生产线数字孪生解决方案

燃料乙醇生产线数字孪生系统通过融合数字孪生技术,可实现对燃料乙醇生产过程中的全时段信息进行采集、感知与集成优化,进而支撑燃料乙醇生产过程中的设备状态监控、实时信息处理、工艺参数自适应调整等典型应用场景。最终实现了燃料乙醇生产线全过程的监测、管控与优化。

燃料乙醇生产线数字孪生解决方案

3. 燃料乙醇生产线数字孪生系统框架

燃料乙醇生产线数字孪生系统主要包含物理空间、工业互联网平台、虚拟空间和关键应用场景4个层次。

3.1 物理空间

物理空间是数字孪生虚拟空间的映射基础,也是生产任务智能执行的载体,主要提供燃料乙醇生产线生产所需的物料运输、生产设备与操作人员等全部生产要素与生产要素数据。

物理空间通过对生产资源的共存、协同与自我认知,实现生产任务的智能执行,为工业互联网平台中孪生数据的融合连接与交互的实现、虚拟空间的模型的构建以及关键应用场景的应用服务的提供载体。

3.2 工业互联网平台

工业互联网平台包含3层,分别为工业物联网(industry internet ofthings IIoT)层、云基础服务层、云计算平台(platform as a service PaaS)层。

工业互联网平台通过IIoT层 IaaS层与PaaS层共3层的分工协作,实现了物理空间的多源异构数据的融合传输、数据的安全与高效处理与虚拟空间数字孪生模型的部署承载,为物理空间数据的传输与虚拟空间的模型的部署提供了重要的技术支撑。借助工业互联网平台在该框架中承上启下的作用,为数字孪生技术的应用提供了良好的实时性与兼容性,提高了数字孪生应用的有效性。

3.3 虚拟空间

虚拟空间是各类数据驱动的生产任务仿真分析、任务执行状态预测和优化的载体,并集成跨空间的交互接口,用于数据指令的上传下达。

虚拟空间采用大数据挖掘等技术,通过动态挖掘、关联和分析设备的生产、驱动、扰动等实时数据。分析实时数据对孪生模型的影响,实现数据与模型的自动关联和调整。结合多尺度模型的统计计算方法和仿真优化机制,通过多模态数据接口,完成控制指令上传下达,实现实体空间与虚拟空间的同步映射和闭环控制。同时,基于物理空间设备构建的高保真仿真模型,同步模拟生产线的全部加工过程,及时对生产任务中的各种显隐性扰动实施调整与优化。

3.4 关键应用场景

关键应用场景围绕燃料乙醇生产线感知、控制、优化、诊断和决策等过程,构建面向数字孪生生产线智能管控服务,形成生产线生产过程建模、生产过程监测、工艺参数优化、设备异常状态监测等数字孪生解决方案,提高燃料乙醇生产线可视化水平及智能运维水平。

在生产准备过程中,对生产线关键设备建模,并对其进行物理、运动、行为机理建模分析。基于数字孪生模型与生产计划的仿真、评估、优化数据,在关键应用场景层对工艺参数进行修正与优化。

在生产过程中,数字孪生模型与孪生数据的驱动下,实现对生产线运行状态实时感知监测。物理空间将生产中的生产状态数据与虚拟空间的生产任务仿真、验证与优化的数据不断反馈到关键应用场景层中,并实时优化工艺参数以满足实际生产需求。

此外,针对运行过程中设备故障、订单插单等生产扰动进行异常状态监测,基于孪生数据对扰动进行感知、报警、分析与优化达到优化生产线的资源配置和提高其鲁棒性与生产效率的目的。

4. 燃料乙醇生产线数字孪生系统构建

燃料乙醇生产线数字孪生系统,要实现对分散生产线实时数据的感知、优化、控制、诊断和决策,首先要建立高保真虚拟孪生模型,使得虚实空间同步映射与数据同步传输。燃料乙醇生产线数字孪生系统构建主要包括生产线物联配置、数据多向传输与融合、数字孪生建模。

4.1 生产线物联配置

生产线物联配置是虚拟空间数字孪生建模的数据来源,通过物联设备智能配置,实现多源异构实时数据的感知与融合,并与物理空间与虚拟空间进行实时数据交互。

燃料乙醇生产线数字孪生系统构建

4.2 燃料乙醇生产线虚实数据传输与融合

燃料乙醇生产线数字孪生系统通过物理空间部署不同通讯接口和通讯协议,将涉及生产全要素产生的多源异构数据经统一的传输协议转换和统一后的数据进行封装,与虚拟空间的数字孪生数据交互,实现虚实多源数据的传输与融合。

4.3 数字孪生建模

数字孪生虚拟空间的高保真孪生模型是物理空间实体设备的生产状态的同步映射,为生产线仿直分析及运行状态监测、控制和优化提供了技术支撑。

4.3.1 设备层数字孪生模型

设备层数字孪生建模中,针对燃料乙醇生产线的关键设备构建数字孪生体模型,通过设备层数字孪生模型的建立,实现设备层关键设备状态的实时状态感知与关键性能指标的预测,提高燃料乙醇生产线智能化水平,并为燃料乙醇生产线工序层与产线层数字孪生模型建立提供技术支撑。

4.3.2 工序层数字孪生模型

在工序层数字孪生建模中,针对生产过程的液化、发酵、蒸馏、精馏等关键工序、建立关键工序单元的工序和设备产能、设备负荷、生产时间等生产仿真模型。再导入实时生产数据,实现异构模型的融合与可视化展示,虚拟模型与物理实体的虚实同步。

燃料乙醇生产线数字孪生系统工序数字孪生建模

4.3.3 产线层数字孪生模型

在产线层的数字孪生建模中。通过数据接口进行数据模型集成,规划设计面向生产线的产品模型、工艺模型、资源模型和布局模型,并依据仿真算法和编程语言,建立产线层数字孪生模型,实现对生产线总体性能(产值、效益、加工能力等)的精确仿真;同时,采用图形化技术,建立多空间尺度下的可视化仿真模型,通过图形、图表、动画等形式,实现对多学科、多物理量、多空间尺度下仿真对象状态的可视化呈现。


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