通讯模块 1794-OA8 罗克韦尔 超大库存

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DCS数字孪生体的需求分析

集散控制系统DCS是一个集结构、电气、控制、热力、信息等多学科于一体的分布式控制系统，该系统用来实现不同工况下工艺的生产、过程控制、专设保护设施驱动，系统状态控制指令等功能。在工艺设备的运行过程中，来自现场的传感器会向DCS传输大量现场物理量信息，通过逻辑运算得出相应逻辑指令，同时机柜自身也会产生非常多的状态信息和测试信息，这些信息长期没有得到很好的关联。在DCS产品数字化过程中，传统的设计理念和方法容易产生“信息孤岛”和“信息重复”的问题，DCS产生的动态信息流无法被实时调度以及协同处理。

通过借鉴数字孪生技术的优势，重点研究集散控制系统DCS在不同行业中对数字孪生技术的应用及开发，利用虚拟的DCS孪生环境，可以完成DCS设计验证、故障模拟、数据联动、智能预警、智能控制等功能应用控制和操作。基于实体DCS系统构建DCS数字孪生体的过程可分为如下三步。

1）搭建物理实体DCS系统环境，DCS系统（包括控制器、采集模块、通信模块和相关控制应用软件等）可以选用不同的品牌。

2）构建DCS孪生体，可以仿真建模实物DCS，构建DCS系统数字孪生体，DCS孪生体需具备以下功能：

DCS数字孪生体操作和管理模块；

DCS数字孪生体仿真和服务模块；

DCS数字孪生体资源接入和交互模块；

DCS数字孪生体资源组件。

3）建立DCS数字孪生体测试床，借助应用展示接口为用户提供实体交互能力、感知能力，通过DCS数字孪生体构建出的测试床将通过数字孪生技术复制出一个数字孪生体。

DCS数字孪生体的设计方案

(一) DCS数字孪生体总体架构设计

DCS数字孪生系统通过与物理世界不间断地交互和反馈闭环信息、融合数据，能够模拟对象在物理世界中的行为，检测物理世界的变化，反映物理世界的运行状况、评估物理世界的状态，诊断发生的问题、预测未来趋势，甚至优化和改变物理世界。在数字孪生体中引入安全监测、测试验证等工具，可以支持DCS安全检测功能，通过数字孪生系统完成设计验证、故障模拟、数据联动、智能预警、智能控制等功能应用控制和操作。

结合项目DCS数字孪生体的需求基础架构和能力特点，DCS数字孪生体系架构，可以参考面向制造业的数字孪生体系架构标准ISO/DIS 23247，该标准虽然是面向制造业的数字孪生体系架构，但考虑到ISO标准的性和性，相关架构能够从很大程度上反映DCS数字孪生体的关键要素和核心内涵。DCS数字孪生体的框架如图1所示。

图1 DCS数字孪生体的框架

DCS数字孪生系统包含以下三层。

一是数据采集与控制实体，主要包括数据采集子实体（物联感知）与设备控制子实体（对象控制）。数据采集子实体通过监测和传感设备面向物理对象收集信息，实现物理对象与数字孪生体之间的信息同步，具备数据采集、数据预处理以及数据标识等核心功能。设备控制子实体控制和驱动物理对象，具备指令控制、驱动执行、控制标识等核心功能。

二是核心实体，核心实体负责将物理对象映射为数字孪生体，从而进行维护，包括DCS操作和管理、DCS仿真应用和服务、DCS资源接入和交互三个子实体。DCS操作和管理子实体支持对物理对象的数字化建模、描述、展现、同步，以及对整个核心实体的操作和管理、DCS仿真应用和服务子实体支持系统仿真、数据分析和报告等功能，而DCS资源接入和交互子实体向上层的用户实体层提供对核心实体功能的访问。作为核心实体的重要组成部分，数字孪生组件是构建工控业务场景的重要基础，组件可以构成组建资源池，借助DCS操作和管理模块，用户可以构建行业工艺业务基础环境。

三是用户实体，面向利用数字孪生体实现制造应用的用户，包括人员、设备、应用（MES/SCADA）等，实现高效的人机交互。

除上述三层外，DCS数字孪生体系的架构中还包括跨系统的各类实体，用于实现不同层之间的数据转换，提供数据准确性、完整性和安全性保障。

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