新一代DCS的三维操作画面设计和应用探讨

王旭,李磊,黎生林,王国庆

(1. 中国石化工程建设有限公司,北京 100101;2. 北京达美盛软件股份有限公司,北京 100193;3. 浙江中控技术股份有限公司,浙江 杭州 310053)

现代化大型石油化工工厂,特别是千万吨级炼油和百万吨级乙烯工厂的DCS操作画面往往高达数千幅,由于现代企业越来越精简的人员需求和越来越高的运行平稳率要求,单纯依靠传统DCS操作画面操作需要丰富的经验并付出巨大的工作量。另一方面,工程建设数字化交付往往被看作是一项工作,并没有作为数字资产来挖掘其内在价值,有效支持工厂的操作运维。

目前,石油化工工厂建设运行通常模式是: 设计图纸指导施工最终建立实体工厂,设计资料指导组态最终建立生产运行的动态虚拟工厂,而生产运行的动态虚拟工厂与实体工厂的联系仅为人员的沟通,尤其是内操人员与外操人员的沟通。显然,在移动互联网、大数据、云计算、物联网、5G通信等新一代信息技术高速发展的今天,该运维模式过于简单传统化。企业现代智能工厂建设围绕“整合数据资源、深化系统应用”的工作主线,以信息化建设为重点,贴近和服务生产,促进“两化”深度融合,持续推进数字工厂、数字企业建设,稳步推进工厂数字化孪生系统和工业控制系统试点实施。鉴于此,提高工厂的数字化和智能化水平,建立更直观智能的人机操作界面,最终提高装置的操作、运维效率是必要的。

1 目 标

有效利用工程建设数字化交付资产,实现DCS与数字工厂的集成。工程建设在交付实物工厂的同时,提供以集成数据库为基础的虚拟工厂;利用虚拟与现实结合的数字孪生工厂,将虚拟三维工厂、二维DCS操作画面和实体工厂相结合,实现内操和外操的紧密结合和互动,快速便捷获取数字工厂设计信息,提升工厂操作、运维与巡检的安全性和智能化。最终创造一个新型的人机界面,实现过程监控结合数字工厂提供一站式操作、运维服务。

2 整体架构

虚拟工厂大数据平台分为过程控制系统数据库(包括过程检测数据、报警信息、操作画面等)、三维模型数据库、设备信息数据库(工程数字化移交数据,包括工厂信息和制造厂信息),以设备编号为关键字通过关联数据库建立数据链接。实现分散控制系统(DCS)与虚拟工厂的深度融合,二、三维联动。

为实现工业控制系统与数字化平台无缝集成,采用数字化专用网络、平台专有轻量化的三维渲染处理技术,配置防火墙硬件设备等保证生产运行数据的稳定和安全,保证系统整体架构的安全,包括网络数据传递、信息存储等。系统整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构示意

3 典型网络架构及软硬件配置

数字化集成应用在本文中作为DCS的高级应用,部署在网络的操作管理层,为了确保DCS控制网的安全性和稳定性,服务器与操作员站单独建立专用网络,通过严格的网络安全策略配置保证数据传输安全,数字化集成应用和DCS控制网分开。大数据平台整体网络架构如图2所示。

图2 大数据平台整体网络架构示意

如图2所示,操作监控层与数据服务层之间的网络线为数字化集成应用网络,并增加了三维云渲染服务器、设备管理服务器、高级应用服务器,新增的服务器和指定数字化集成应用的操作员站处于同一个局域网(LAN)内。根据装置规模和操作员班组设置,以局域网为单元设置各自的数字化集成应用服务器是合理的,以尽可能提高软硬件配置效率并节省投资。

硬件配置及功能说明如下:

1)三维云渲染服务器。主要负责模型的轻量化云渲染,并根据操作员站发出的请求,定位相应的设备位置,根据设备所需展示的实时数据、报警数据传递给高级应用服务器,设备数据传递给设备管理服务器,接收返回的数据并发送给操作员站进行显示。

2)设备管理服务器。主要负责移交平台的数据存储,保存设备的静态数据,并根据三维云渲染服务器的请求,将需要展示的数据发送至三维画面。

3)高级应用服务器。为不影响DCS数据库的安全,防止三维工厂的数据请求影响DCS数据服务的操作,设置该服务器进行实时数据转发服务,相当于DCS数据服务的克隆。

4)网络负荷。集成方案的二维、三维数据均采用专用网络传输,不占用控制网络带宽;操作员站仅负责三维图像的显示工作。

5)CPU负荷。现有操作员站均采用多核CPU,在该方案中,将操作员站其中一到二核指定给三维工厂浏览,其余留给DCS,保证计算机的CPU负荷不超过总的50%,确保CPU资源安全。

6)数据传递。通过高级应用服务器及高级应用数据库转存及发送实时数据,避免对系统运行产生影响。

7)信息安全。为了保证装置中DCS与数字化集成应用的网络相对独立,在图2的网络架构中,双方网络独立组网,且采用独立虚拟局域网(VLAN),网络之间通过安全策略配置保证数据传输安全。

4 数据流转

数据流转过程如下:

1)操作员站通过二维定位到三维画面,向三维云渲染服务器发送一条请求。

2)三维云渲染服务器在收到请求后,定位到相应的设备位置,并根据设备位置计算出需要请求实时数据的设备。该请求为了提高性能,只请求了三维中当前画面范围内设备的实时数据,而不是每次都请求全厂数据。

3)三维云渲染服务器将实时数据的请求发送给高级应用服务器,高级应用服务器功能与工厂DCS数据服务器一致,使用该服务器的目的在于防止三维工厂的数据请求影响DCS数据服务器的操作。

4)高级应用服务器返回查询到的工厂控制系统数据给三维云渲染服务器,经处理后与三维工厂画面一起推送给操作员站。

5 功能实现步骤

三维数字化集成应用作为DCS的高级应用,实施的前提是工程设计的静态虚拟工厂和二维DCS操作画面已完成,内操人员和外操人员可以分别在DCS操作画面和实体工厂进行运维操作。实现步骤如下:

1)数据准备。包括: 装置的三维模型和设备数据字典、装置的PBS结构数据、装置的智能P&ID图、数字化交付内容,仪表数据清单内容。

2)软硬件准备及部署。包括: 数字化集成应用专用网络搭建,渲染服务器、设备管理服务器、高级应用服务器、数字化集成应用客户端部署,网络安全策略配置。

3)三维模型处理。具体内容如下:

a)在装置的三维模型基础上,根据实体工厂的真实面貌补充,包括对装置总图地坪、地形模型修改、美化,与现场保持较高一致性。

b)对装置内围栏、道路、行车线、人行道、停止线、马路牙、路灯、绿化、大门美化渲染,与现场保持较高一致性。

c)对管道、管架、桥架、给排水等专业美化渲染和配色,保持和现场较高一致性。

d)对建筑、结构进行外观贴图渲染,与现场保持较高一致性。

e)添加厂区内重要设备(大型塔、压缩机、反应器等)的设备位号、名称,该类设备颜色和材质按照现场要求贴图渲染。

f)对路面标识牌等贴图美化,与现场保持较高一致性。

g)对所有已建模消防设备,例如: 干粉灭火装置、泡沫发生器及附件等贴图美化。

h)以周边500 m环境和卫星影像图片作为GIS贴图,图片要和模型贴合紧密。

4)DCS组态完善。在二维DCS流程图中对动静设备、仪表进行三维跳转的组态;在数字化工厂对三维部分进行组态,调整模型定位最佳视角,包括报警数据二、三维联动组态;动态数据标牌展示组态;三维反跳二维DCS流程图组态等。

5)系统调试。二维操作画面与三维虚拟工厂之间的切换调试,实时数据与静态数据关联调试。

6)系统维护。

6 实现功能展示

通过工业控制系统与三维场景的结合,在工业控制系统操作画面中,操作人员可通过点击画面中的设备或通过键盘输入设备位号的方式,以预设的视角和距离在虚拟三维工厂中对所选择的设备实体进行定位显示。与此同时,设备的动态数据在工业控制系统与三维场景中实时刷新;视角中预设范围内所有设备的过程检测数据以数据面板形式3D悬停显示;选中模型中的设备,可以查看详细操作面板,面板内容包括生产数据与设备的静态数据等。

6.1 实时数据集成

通过集成设备管理数据,以唯一设备位号关系,模型与DCS建立“一对一”关系。将设备模型与DCS进行数据关联和互通,实现点击设备模型便捷查看设备基本信息、运行数据以及报警信息等实时动态数据内容。对生产实时数据进行集成与组态,接入现场数据校验和三维映射内容,系统实时呈现生产数据、工程管理数据、生产实时监控数据、生产运行数据,实现生产数据二三维监控、生产预警。为了更好地使用系统功能,就必须保证数据的完整性、准确性、刷新率。将集成原系统中的所有数据,并保持每个数据与原数据一致,实时数据刷新频率也将与原系统的刷新频率保持一致,以保证数据的实时刷新,为业务人员在生产决策时提供及时、准确的数据支撑。

6.2 静态数据管理

每一个工厂对象(设备、阀门、管线等)都有对应的位号,从工程信息中提取位号后建立以位号为中心的数据管理方式,用于管理位号所关联的模型、属性。同时在后续应用阶段,可补充拓展对象的基础属性。原始三维模型导入系统后,自动带有工程设计阶段的相关属性信息,但在后续运维过程中,这些基础数据可随着设备的使用逐步增加,例如采购信息、安装调试信息等。从设备的设计、制造、采购、安装、运行等阶段中,会产生各式各样与设备相关的数据,设备的属性贯穿着设备的整个生命周期,在不同阶段产生的设备属性可直接在平台上补充,逐步积累设备的数据资产。用户可以对每个对象设置并增加资产类型及相应的属性集,包括设计信息、调试信息、运维信息等,自动将对象属性集与所选对象关联起来,最后在三维场景中进行展示。

1)二、三维相互跳转。通过右键点击二维画面上的设备,系统自动定位至三维画面上关联的设备,可查看设备的运行状态、过程数据浮窗显示,属性信息及关联信息、P&ID图纸等。

2)输入位号跳转至三维。直接输入位号,定位至三维画面上关联的设备,可查看设备的运行状态、属性信息及关联信息。在操作画面中,操作人员可通过点击画面中的设备或通过键盘输入设备位号的方式,以预设的视角和距离在虚拟三维工厂中对所选择的设备实体进行定位并显示。

3)报警列表跳转至三维。通过点击报警列表操作,定位至出现报警的设备,工业控制系统记录的报警数据,可直接定位三维场景中产生报警的设备。

4)双屏显示。对于双屏操作站,可实现下屏操作,上屏显示,上屏操作,下屏显示。

5)漫游巡检。在操作员站的三维场景中,可使用鼠标和键盘相配合的方式实现三维场景漫游,通过虚拟人物,模拟外操人员在现场中的巡检过程。在漫游过程中,可通过3D浮窗的方式实时显示且只显示一定范围内(该范围可以根据不同情况进行设置)的设备对象包含的各种测点信息,并借助三维平台集成的各类运行参数和历史记录等进行问题分析,进一步提升内操和外操之间的信息联动,方便内操指导、外操现场操作。

6)智能P&ID联动。该系统可活化工厂的流程图,形成智能P&ID,实现热点化应用使其智能性更加强大。同时,它还可以与模型数据进行联动,实现二维数据与三维数据的一体化联动应用,增加了数据浏览方式的多样性,弥补了DCS流程画面在工艺细节方面的不足。

7)上下游快速定位。通过数字化交付,基于三维模型、智能P&ID实现多维度的数据关联。在三维场景中,可快速定位查看当前设备连接的上下游仪器仪表、阀门等,进而提升运维工作效率。

7 应用机遇及挑战

数字孪生技术应用是一个新兴且高速发展的产业,不管是对于企业还是供应商,都具有很高的挑战性,而国内的三维渲染技术也正在兴起,对于智能制造的国产化是机遇,如何基于自身产业特点和发展机遇,更好地助力企业数字化转型,是业界当前需要思考的问题。

数字孪生技术具有可推演性、保真性和闭环性。而该技术中重要的一环就是数字化交付(高保真模型和数据治理),通过增强现实、仿真分析和虚拟现实等功能,结合数字化交付结果与物理实体运行的实时反馈信息,实现对物理实体的运行状态进行监控,依据采集的物理实体运行数据完善虚拟体的仿真分析算法,从而对物理实体的后续运行和改进提供更加精确的决策。将工厂DCS,MES等能实现价值链运转的数据进行整合,三维可视化数字工厂平台可完美将数字化交付后的3D模型和信息技术有机结合,并与VR/AR/MR深度融合,实现身临其境增强现实的数字化工厂。为从产品设计、生产规划、生产过程、生产实施直至服务的各个环节打造一致的、无缝的数据平台,形成基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像。

8 结束语

针对石油化工行业工艺流程长、操作画面多、操作负荷高、人机交互性差的问题,在工程实践中充分利用数字化交付资产,在传统生产运行的动态工厂二维操作画面的基础上,开发虚拟三维工厂操作画面,融合了数字化交付、三维模型、实体工厂、P&ID图纸和仪表数据等资料信息。结合运行阶段DCS以及建设的三维数字化工厂,将工业控制系统与三维虚拟工厂进行集成组态,打通二、三维数据间传输通道,实现DCS过程数据向虚拟工厂的传递。通过DCS流程画面和DCS报警画面在三维模型中的一键定位、DCS查看工艺信息和实时监测信息、三维模型,了解现场地理空间信息及设备设施建设期(设计、采购、施工)、运营期信息(检维修、运维信息、运行状态等信息)等功能,实现在中心控制室对厂区的精准管控,协助内操指导外操人员现场处理异常情况。能够大幅提升各装置的操控运维直观性,确保内操人员更方便快捷地查询,更有效地与外操人员沟通;有效减轻了操作人员的劳动强度,进而提高了装置的平稳性和安全性。