流程制造中的数字孪生解决方案

什么是流程制造中的数字孪生？

在之前的一篇博客文章中，我们解释了当代行业语言或流行语可能会造成混淆。其中一个可能导致混淆的常见流程行业流行词就是 “制造数字化转型” 和“数字孪生”的概念。客户在询问，供应商在推广。但究竟什么是数字孪生呢？我们决定从维基百科的定义开始：

“数字孪生是针对已建成车辆或系统的集成多物理、多尺度、概率性仿真，它利用最佳可用物理模型、传感器更新、机队历史等信息，模拟其对应飞行实体的全生命周期。”

“数字孪生是实物资产的实时数字复制品。”

根据定义，数字孪生可以是从 HMI 图形屏幕显示实物资产实时数据 ，到基于第一原理的仿真模型允许对实物资产进行实时“假设”场景分析的任何东西。

第一个例子无处不在，实现快速且成本效益高。然而，第二个例子高度专业化，需要投入大量精力来实现。

鉴于数字孪生具有如此广泛的适用范围，我们如何定义数字孪生解决方案呢？答案就在问题之中。面向流程制造的数字孪生可以有多种形式，具体解决方案取决于要解决的问题及其期望成果。

与其将数字孪生视为万能解决方案，不如问自己一个问题：“我的数字孪生需求是什么？”这是一个典型的不让技术定义问题，而是让问题定义技术的例子。

数字孪生如何助力流程制造商

在当前许多场景中，目标是为工厂操作员和专业领域专家提供有关资产的所有可用数字信息，以供故障排除和运营优化之用。

具体而言，这涉及几个步骤。首先，如果您的工厂目前没有在 适当的数据历史记录系统中收集并存储来自所有关键传感器的数据，那么有效存储这些数据是第一步。

对于已经完成这一步的工厂来说，下一步机会是根据流程正确地对数据进行情境化。情境化数据意味着按照资产对数据进行组织，以及用有意义的方式轻松地对数据进行过滤和聚合。

接下来要考虑的是额外的“数字数据”。对于制造业和公用事业来说，这可能意味着离线收集的数据，如 LIMS 数据或实验室/质量数据。这种离线数据提供了关于资产产出的重要信息，对于优化至关重要。此外，可能还有其他数字内容，如 SOP 和培训材料。将这些数字资产与实物资产关联的能力非常有益。

流程工业中的数字孪生实例

我们曾合作过的一家造纸行业客户充分利用了集中化的专业领域专家对其单元操作进行管理。

将木片转化为成品需经过多个复杂且各具特点的工序。而每个地点都配备所有这些工序的专家并不现实。蒸发过程就是一个很好的例子，该过程能耗高，在许多地方甚至是生产瓶颈。

为了确保成功，客户为每个蒸发器创建了必要信息的模型。在这个案例中，信息内容包括常规的历史数据和实验室级别的数据，并按资产结构进行组织。同时，模型还包含了一组适用于每个现场并由专业领域专家及现场使用的通用内容：

1. 高性能工艺图形
2. 详细趋势概览
3. 操作范围
4. 自动通知

特别是 高性能工艺图形具有极高价值。它精确地代表了每个现场，使用过程流程图、操作员显示和 P&ID 构建而成。这种详细表示使得远程专业领域专家能够有效地与现场运营和维护团队沟通。

在许多情况下，这个图形包含了通常在 10-12 个 DCS 屏幕上显示的信息，并通过 4K 显示器进行最佳查看。正确的数据分析工具与对“数字孪生”的访问相结合，使得远程监控得以成功。公司能够利用现有的基础设施，而无需花费高昂的成本进行改造和更换，这对其各种系统(历史数据库和实验室/质量方面的多个供应商)来说至关重要。

在一个具体示例中，他们在后端出现了冷凝液污染。由于有一个综合全面的单一趋势图显示，操作员发现了前端发生的变化，而污染发生在后端。操作员找到了与问题相关的一些线索，但不明白原因何在。这个问题在操作员培训课程中被提出。借助综合全面的单一图形显示，很容易说明为什么操作员在前端观察到的变化会成为在后端出现问题。一旦操作员了解了这种交互关系，他们立即知道如何解决问题，这需要关闭资产。这对课堂里的每个人都是一次很好的培训练习，需要结合人和“数字孪生”才能快速解决问题。

利用数字孪生传递传统知识与工艺

另一个我们越来越常被问及的领域是借助数字工具捕捉员工内在知识。这可能源于一波退休潮导致的所谓“人才流失”，或是出于高效调动员工在不同地点间工作的需求，以及其他迫切原因。将您最有经验的操作员或专业领域专家的知识有效传递给工厂内每一个人，无疑能带来巨大价值。这可能表现为新员工培训速度加快，或是减少对正在度假的专家热线咨询的打扰。至少，您将拥有一个更快乐的员工队伍；在理想情况下，您的工厂在一支快乐的员工队伍的运作下，效率会大大提高。无论哪种情况，都是双赢！

举例来说，我们最近有一位客户推出了一项名为“5 Why”的举措。他们发现，尽管其工艺中某个问题始终能得到解决，但关于解决方案的知识却常常丢失。第一次遇到问题的操作员本能地知道如何解决问题，但其他人对此一无所知。因此，当问题再次出现时，无法及时解决。为解决这个问题， PARCview 现已具备一项功能，允许工厂内的任何人创建标签关联，并链接外部资源(如 SOP、培训资料、内联网页面等)，然后轻松访问这些关系。其结果是为工艺带来了鲜活的知识。

总之，交付数字孪生是一个极具吸引力的概念。用户已经利用这一能力长达二十年之久。解决问题并非新鲜事，但较低的成本和持续的创新使得工厂越来越容易利用数字孪生，以更高的效率运行获得更高盈利能力。

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