體積小 1794-OA8I 功能強大 羅克韋爾模塊

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物理實體可以包含多種不同國外常見品牌的DCS系統物理實體，用于DCS系統及行業系統工藝映射適配。DCS數字孿生體構建的測試床將DCS實物測試床（物理實體）通過數字孿生技術復制出一個數字孿生體。

數據采集與控制實體、核心實體（數字孿生）以及用戶實體之間的數據流和信息流傳遞，需要信息交換、數據保證、安全保障等跨域功能實體的支持。通過工業協議，可以實現數字孿生之間交換信息。安全保障負責數字孿生系統安保相關的認證、授權、保密和完整性。數據保證與安全保障確保數字孿生系統數據的準確性和完整性。

(二) DCS數字孿生體技術架構設計

DCS數字孿生體技術架構包含基礎層（IaaS）、數據層（PaaS）、應用層（SaaS）。其中數據層包括感知層、傳輸層和平臺層，DCS數字孿生體技術架構的設計如圖2所示。

接下來將對DCS數字孿生體技術架構中的基礎層、感知層、傳輸層、平臺層和應用層進行介紹。

圖2 DCS數字孿生體技術架構的設計

基礎層：以化工、食藥、冶金、核電、城市等底層基礎物理設施為依托，實現真實空間與虛擬空間之間的雙向數據互通、指令控制、虛實聯動。

感知層：以高精度、高靈敏的PLC、DCS、采集板卡、智能儀表、物聯網傳輸設備、ZigBee、控制輸出板卡等傳感器系統是實現DCS數字孿生系統的基礎和萬物互聯感知的入口，通過采用這些系統實現虛擬工業行業場景中對物理場景的全息復制和動態調整。

傳輸層：異構通信技術，數字孿生系統面臨多系統、大連接、海量數據的雙向傳輸需求，要利用寬帶（4G、5G、GPRS、NB-IoT）、窄帶（RS-485、M-Bus、HPLC、Lora、RF、Ethernet）等新型異構網絡技術實現高速率、高容量和低時延接入，確保物理電網海量傳感器的接入要求和虛擬電網控制指令的傳達要求。

平臺層：數字孿生模型構建與自我優化依賴全域全量的電網數據，借助于數據中臺的數據存儲、檢索和大數據分析能力，實現超大規模全量多源數據的安全存儲、高效讀取，為數字孿生平臺優化決策提供精細的數據要素。

應用層：基于數字孿生技術對電力系統主要設備、廠站與環境精細三維全景仿真，實現與采集數據的實時交互，在安全驗證、數據聯動、故障模擬和診斷、智能監測與預警、智能控制輸出等各個應用場景中，動態融合展示設備與關鍵傳感數據。應用從超級可視化到實時診斷、智能預測、應急預案等多場景中。

(三) DCS數字孿生體功能設計

根據項目需求，構建數字孿生體是本項目的核心關鍵件，DCS數字孿生體可以提供仿真研究服務，DCS數字孿生體仿真服務將根據DCS實物模擬一個仿真模型，可以復制DCS資產的運行情況，也可以通過基本物理原理分析來預測DCS的運行情況。

采用Emulab軟件進行仿真，根據用戶提交的NS配置腳本，為用戶構建一個具備真實網絡組件的模擬實驗網絡，用戶可以直接對實驗網絡中的每個節點安裝操作系統、系統軟件和應用軟件，從而進行各種網絡模擬實驗。基于Emulab的模擬技術綜合了軟件與實物仿真技術，可以實現各層網絡協議、多種網絡服務以及應用程序的模擬，仿真度高。與此類似的網絡模擬實驗床還有DETERLab、PlanetLab等。之所以要采用Emulab、DETERLab這類模擬實驗床來建立DCS系統的網絡拓撲，是因為要研究DCS系統通信網絡的安全性和適應性，就必須掌握與所有計算機網絡故障有關的功能、行為和狀態，其中很多是未知的，傳統的NS-2、OMNeT++等網絡仿真軟件難以滿足這樣的要求。而以Emulab、DETERLab等為代表的一些網絡實驗模擬平臺，以其特有的軟件系統和基于真實網絡設備的特點，已逐漸成為目前的主要技術手段。

仿真模型結合數字孿生體建模管理，利用物聯感知技術、采集技術對DCS的模型進行3D建模，通過CAD等建模軟件，3D孿生體可以根據實物的模型尺寸進行虛擬化的3D模型還原和繪制，為數據的運行和狀態顯示提供虛擬的孿生操作實體集合。然后基于DCS的工控通信協議，建立仿真協議通信接口和運行模型，完成通信網絡的建立。

DCS數字孿生體還為應用模塊（孿生共智）提供交互接口，使用人機接口或API接口操作，包括人、人機接口、應用軟件和其他相關數字孿生體。DCS數字孿生體也為DCS安全檢測功能提供數字孿生系統支持設計驗證、故障模擬、數據聯動、智能預警、智能控制等功能應用控制和操作。DCS數字孿生體應用模塊可以控制DCS數字孿生體，并使用與實際物理資產相同的控制軟件和人機界面去開發其人機界面。接下來，工程師可以通過使用這個與物理設備相同的控制接口，虛擬地測試數字孿生體在不同場景下的表現或操作條件，以查看物理設備的性能。

此外， DCS數字孿生體會仿真建模實物的DCS,同時實現DCS的工控協議仿真和通信協議建模，并且實現黑盒還原的DCS運行機制算法庫模型。DCS數字孿生體將DCS實物控制器和典型行業工藝流程分別建模，建立DCS數字孿生體測試床，并根據相互之間的關系進行更別的合成，用于構建工控仿真場景中的控制單元，同時控制器還將成為測試系統中的測試靶標。DCS數字孿生體還將實現與行業實物工藝流程和行業仿真工藝流程片段數字孿生體組合使用，實現虛實結合的增強模擬測試床靈活組網和構建，借助測試管理平臺構建行業測試床，用戶可以通過Web隨時隨地接入測試。

DCS數據孿生系統的功能應用架構如圖3所示。

圖3  DCS數據孿生系統的功能應用架構

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