体积小 1794-OA8I 功能强大 罗克韦尔模块

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物理实体可以包含多种不同国外常见品牌的DCS系统物理实体，用于DCS系统及行业系统工艺映射适配。DCS数字孪生体构建的测试床将DCS实物测试床（物理实体）通过数字孪生技术复制出一个数字孪生体。

数据采集与控制实体、核心实体（数字孪生）以及用户实体之间的数据流和信息流传递，需要信息交换、数据保证、安全保障等跨域功能实体的支持。通过工业协议，可以实现数字孪生之间交换信息。安全保障负责数字孪生系统安保相关的认证、授权、保密和完整性。数据保证与安全保障确保数字孪生系统数据的准确性和完整性。

(二) DCS数字孪生体技术架构设计

DCS数字孪生体技术架构包含基础层（IaaS）、数据层（PaaS）、应用层（SaaS）。其中数据层包括感知层、传输层和平台层，DCS数字孪生体技术架构的设计如图2所示。

接下来将对DCS数字孪生体技术架构中的基础层、感知层、传输层、平台层和应用层进行介绍。

图2 DCS数字孪生体技术架构的设计

基础层：以化工、食药、冶金、核电、城市等底层基础物理设施为依托，实现真实空间与虚拟空间之间的双向数据互通、指令控制、虚实联动。

感知层：以高精度、高灵敏的PLC、DCS、采集板卡、智能仪表、物联网传输设备、ZigBee、控制输出板卡等传感器系统是实现DCS数字孪生系统的基础和万物互联感知的入口，通过采用这些系统实现虚拟工业行业场景中对物理场景的全息复制和动态调整。

传输层：异构通信技术，数字孪生系统面临多系统、大连接、海量数据的双向传输需求，要利用宽带（4G、5G、GPRS、NB-IoT）、窄带（RS-485、M-Bus、HPLC、Lora、RF、Ethernet）等新型异构网络技术实现高速率、高容量和低时延接入，确保物理电网海量传感器的接入要求和虚拟电网控制指令的传达要求。

平台层：数字孪生模型构建与自我优化依赖全域全量的电网数据，借助于数据中台的数据存储、检索和大数据分析能力，实现超大规模全量多源数据的安全存储、高效读取，为数字孪生平台优化决策提供精细的数据要素。

应用层：基于数字孪生技术对电力系统主要设备、厂站与环境精细三维全景仿真，实现与采集数据的实时交互，在安全验证、数据联动、故障模拟和诊断、智能监测与预警、智能控制输出等各个应用场景中，动态融合展示设备与关键传感数据。应用从超级可视化到实时诊断、智能预测、应急预案等多场景中。

(三) DCS数字孪生体功能设计

根据项目需求，构建数字孪生体是本项目的核心关键件，DCS数字孪生体可以提供仿真研究服务，DCS数字孪生体仿真服务将根据DCS实物模拟一个仿真模型，可以复制DCS资产的运行情况，也可以通过基本物理原理分析来预测DCS的运行情况。

采用Emulab软件进行仿真，根据用户提交的NS配置脚本，为用户构建一个具备真实网络组件的模拟实验网络，用户可以直接对实验网络中的每个节点安装操作系统、系统软件和应用软件，从而进行各种网络模拟实验。基于Emulab的模拟技术综合了软件与实物仿真技术，可以实现各层网络协议、多种网络服务以及应用程序的模拟，仿真度高。与此类似的网络模拟实验床还有DETERLab、PlanetLab等。之所以要采用Emulab、DETERLab这类模拟实验床来建立DCS系统的网络拓扑，是因为要研究DCS系统通信网络的安全性和适应性，就必须掌握与所有计算机网络故障有关的功能、行为和状态，其中很多是未知的，传统的NS-2、OMNeT++等网络仿真软件难以满足这样的要求。而以Emulab、DETERLab等为代表的一些网络实验模拟平台，以其特有的软件系统和基于真实网络设备的特点，已逐渐成为目前的主要技术手段。

仿真模型结合数字孪生体建模管理，利用物联感知技术、采集技术对DCS的模型进行3D建模，通过CAD等建模软件，3D孪生体可以根据实物的模型尺寸进行虚拟化的3D模型还原和绘制，为数据的运行和状态显示提供虚拟的孪生操作实体集合。然后基于DCS的工控通信协议，建立仿真协议通信接口和运行模型，完成通信网络的建立。

DCS数字孪生体还为应用模块（孪生共智）提供交互接口，使用人机接口或API接口操作，包括人、人机接口、应用软件和其他相关数字孪生体。DCS数字孪生体也为DCS安全检测功能提供数字孪生系统支持设计验证、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。DCS数字孪生体应用模块可以控制DCS数字孪生体，并使用与实际物理资产相同的控制软件和人机界面去开发其人机界面。接下来，工程师可以通过使用这个与物理设备相同的控制接口，虚拟地测试数字孪生体在不同场景下的表现或操作条件，以查看物理设备的性能。

此外， DCS数字孪生体会仿真建模实物的DCS,同时实现DCS的工控协议仿真和通信协议建模，并且实现黑盒还原的DCS运行机制算法库模型。DCS数字孪生体将DCS实物控制器和典型行业工艺流程分别建模，建立DCS数字孪生体测试床，并根据相互之间的关系进行更别的合成，用于构建工控仿真场景中的控制单元，同时控制器还将成为测试系统中的测试靶标。DCS数字孪生体还将实现与行业实物工艺流程和行业仿真工艺流程片段数字孪生体组合使用，实现虚实结合的增强模拟测试床灵活组网和构建，借助测试管理平台构建行业测试床，用户可以通过Web随时随地接入测试。

DCS数据孪生系统的功能应用架构如图3所示。

图3  DCS数据孪生系统的功能应用架构

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