基于數字李生技術的罐車罐體檢驗控制系統設計與實現

中圖分類號：U469 收稿日期：2025-02-10 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.014

Design and Implementation of a Tank Car Body Inspection Control System Based on Digital Twin Technology

Xu Xu Sun Ai Huang Qiang Zhou Yuntao Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute，Nanjing 21oo19，China

Abstract：Toadresstheissuesoflowefiiency，poorreal-timeperformance，andumeroussafetyhzardsintraditionaltankcar bodyinspectionsystems，thispaperproposesadesignforanutomaticontrolsystembasedondigitaltwintechnologyByestablsing atwo-waymappingbetweenphysicalentiesandvirtualmodels，thesystemensuresdata-drivendecision-makingthroughoutthelifecycleoftheintellgenttankcarodyinspectionsystem.Thisaproachenablesreal-timemonitoring，simulation，andanalysisofdata， whichhelpsimprovecontrolsystemesign，celerateprogramdebugging，erifykeystemindicators，andoptimiessteoration.

Keywords：Tank car;Tank body inspection;Digital twin;Control system;Optimized operatio

1前言

危險化學品的儲存、運輸與管理在化工產業中占據著重要地位，罐車是危險化學品運輸的主要工具，在危險品道路運輸中得以廣泛應用。危險化學品運輸具有高度危險性，罐車中的危險化學品可能在運輸過程中發生泄漏、燃燒、爆炸等安全事故，使人身財產安全受到巨大損失，還會對周邊環境造成嚴重污染。為降低罐車安全事故的發生概率，需要對罐車罐體進行定期檢驗，保證危險化學品的運輸安全1]。

傳統的罐車罐體檢驗，普遍存在裝備不夠齊全、技術不夠成熟、自動化程度低、過于依賴人力、工作效率不高、檢驗質量參差不齊的問題，為此，借助信息化和智能化技術，設計符合危化品罐車罐體檢驗需求的智慧檢驗工廠顯得尤為迫切[2]。

數字孿生（DigitalTwin）以數字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環境中的屬性、行為、規則等[3]。由于數字孿生具備虛實融合與實時交互、迭代運行與優化，以及全要素／全流程／全業務數據驅動等特點，目前已被應用到產品生命周期各個階段，包括產品設計、制造、服務與運維[4]。

該技術通過物理空間實體模型與虛擬空間多維模型的相互映射，實現過程主要包括平臺搭建、模型建立、模型在線辨識及優化、數字孿生體應用等方面，在智慧工廠的設計階段，通過數字模型仿真技術，可以驗證和優化設計參數，同時，在該階段可通過數字孿生系統對罐車罐體檢驗人員進行培訓，并模擬事故發生情況，幫助檢驗人員熟悉操作過程、演練事故處置程序。在建造階段，通過設備仿真和接口抽象技術，可以幫助工程師進行程序調試，減少調試時間，加快建設進度。在系統運行階段，數字系統實時監測罐車罐體檢驗過程，預測檢驗結果，提前進入下一步驟，提高效率。

從罐車罐體檢驗智慧工廠的設計、建設、應用等層面出發，本文將著重介紹數字孿生技術在罐車罐體檢驗智慧工廠中的應用。

2控制系統設計及關鍵技術

2.1總體架構

基于數字孿生的罐車罐體檢驗智慧工廠控制系統，自下而上由物理層、數據層、模型層、應用層組成，如圖1所示。

物理層：包含壓縮空氣儲氣罐、氮氣儲氣罐、罐車本體、溫度傳感器、壓力傳感器、氧含量傳感器、抽真空泵、切斷閥等。

數據層：主要是基于分布式控制系統的模擬量和開關量數據采集，部分設備采用基于5G/工業物聯網技術的實時數據傳輸。

模型層：在分布式系統中央處理器中進行建模，將模型機與控制集成，可以最大程度復用數據，提高數據實時性和模型精確度。

應用層：通過人機界面對模型系統操作，監視模型運行狀態和物理運行工控，并對仿真子系統進行各種模擬操作。

圖1基于數字孿生技術的罐車罐體檢驗智慧工廠控制系統架構

2.2工作流程

在控制器中，一方面根據罐車罐體檢驗工藝流程，實現罐車自動檢驗過程。另一方面，孿生模型根據實際參數，進行同步模擬計算。系統將物理系統的反饋值與模型計算的結果進行實時比較，得出物理系統與數字系統之間的差異，該差異可作為操作人員判斷檢驗結果、預判故障狀態的參考，也可用于系統自動修正模型參數。

控制器預置多種類型罐車罐體檢驗參數，包括壓縮空氣充裝壓力、壓力維持時長等，對于不同類型的罐車，也內置一組模型參數，作為初始模型。當檢驗工作開始時，由操作人員在人機交互設備中選擇罐車類型，并啟動自動檢驗程序。自動檢驗程序按照圖2所示的流程進行，其步驟主要包括壓縮空氣充裝、氣密性檢驗、壓縮空氣排放、抽真空、氮氣充裝、含氧量測定、氮氣排放等，該過程無需人工干預。在自動檢驗程序執行過程中，孿生系統同步工作，根據實測參數實時計算待檢罐體罐內壓力、含氧量、剩余時間等各個參數，并將計算值與實測值進行比較，提示操作人員是否存在故障可能。

孿生系統在控制器中獨立運行，在人機界面中提供用戶操作接口，操作人員根據需要在運行過程中模擬氣密性故障、含氧量波動大、充裝壓力過大、排氣壓力過低等非正常情況，由此檢驗這些故障情況發生時控制系統的保護性動作是否完備。

圖2罐車罐體檢驗流程

2.3罐車仿真建模

該孿生系統中，物理模型主要包括儲氣罐、罐車、壓力傳感器、溫度傳感器、含氧量傳感器、切斷閥等，其中最重要的是罐車模型的建立，以更加貼近檢驗過程中氣密性試驗的真實過程，并模擬計算出檢驗時間。

罐車整體可以作為圓柱形容器考慮，由熱力學第一定律知熱量與流速、壓力、質量的關系：

δq=du+pdv

式中， .δq 為熱量， .J;Δp 為壓力， Pa;v 為質量體積， L;u 為流速， m/s 。

參考范德瓦爾方程，由 u=u（T，v） 可得流速與溫度，質量體積的關系：

式中， T 為熱力學溫度， K;C_v 為質量定容熱容， J;a 為常數。

考慮到充氣過程為絕熱過程，參考相關文獻[5]。

進一步推導得到壓力與時間的關系為：

式中， P₀ 為容器內的初始絕對壓力， kPa;P₁ 為氣源的絕對壓力， kPa;V 為充氣容積， L;d 為對應管道內徑， mm;T 為氣源絕對溫度， K;t 為時間。

從而模擬計算出氣密性試驗過程所需要的時間，再與實際檢驗中的氣密性試驗時間進行對比，經過大量的數據積累，為進一步優化模擬參數提供依據。

2.4模型參數在線優化

在2.3節推導了罐車壓力與充氣時間的關系表達式，但由于采用理想狀態進行了簡化，以及罐車參數、溫度值等存在誤差，實際壓力與充氣時間關系可能存在誤差，因此在實際建模時，將部分參數采用變量表示，通過運行中不斷修正參數，從而實現模型的優化。

使部分參數變量化，式（3）變形為：

式中， m，n，b 為可變參數，默認值為0，通過三組以上數據運行后，程序以均方差最小為目標，在線計算并修正m，n，b 的值。

2.5孿生系統同步計算

孿生系統的計算模塊包括在線計算壓力值、模擬氣密性故障、模擬含氧量波動、模擬壓力過低工況等。

在線計算壓力值主要用于實際采樣值與計算值比較，以便及時發現氣體充裝過程中是否存在漏氣等情況；通過應用層孿生監控系統中設置故障隨機值，可模擬氣密性故障、模擬含氧量波動及模擬壓力過低工況，以檢測參數波動和故障發生時，自動控制系統能否及時準確檢測并進行安全處置。

2.6基于ZC21余控制器的罐車模型

根據2.3節的模型和2.4節的修正計算，在ZC21冗余控制器中，使用ST（StructText）語言編寫模型代碼，如圖3所示。

圖3罐車模型示例代碼

模型編寫完成后，編程成功能塊的方式，在孿生系統中調用，調用過程如圖4所示。

圖4模型庫調用過程

3孿生技術罐車罐體檢驗控制系統設計中的應用

3.1程序設計和調試

傳統的工廠建造過程中，往往需要物理設備和硬件其備條件后，才能進行自動控制程序的調試，這種方式受限于工程建設進度，且調試時需要頻繁操作實際物理設備，影響調試速度[6]。為了降低調試難度，縮短項目工期，本項目在前期采用模塊化設計和仿真調試的方法，如圖5所示。程序設計時盡可能模塊化，每個模塊對應構建虛擬模型，同時對系統中的關鍵設備建立數學模型，在工程尚未實施時，采用虛擬設備進行實際工況模擬，使控制算法作用在虛擬設置上，從而驗證控制邏輯，在物理設備具備條件后，只需要進行設備接口的單獨調試，調試完成后將控制算法的輸入輸出切換到實際物理接口，即可完成程序調試。

圖5使用孿生設備調試程序

此外，通過虛擬仿真的方法，在輸入輸出過程中可以任意疊加外部干擾，從而驗證程序健壯性。

3.2人員培訓和事故模擬

在系統正式投運前，為了使操作人員熟悉操作過程，采用孿生系統進行工況模擬，操作人員在模擬設備上進行操作。通過修改模型參數，可以加快虛擬設備的運行速度，減少每次模擬操作的時間，達到多次訓練的目的。

此外，使用該系統還可以模擬隨機故障，以此檢驗故障發生時自動程序的安全導向，以及操作人員的處置程序。

3.3實際運用效果

通過實際運用，基于數字孿生技術的罐車罐體檢驗控制系統顯著提高了檢驗效率和實時性，降低了安全隱患。該系統實現了對罐車罐體檢驗過程的全面監控和仿真分析，有助于及時發現并處理潛在故障，為確保罐車罐體檢驗過程的安全提供了技術保障。

4結語

本文介紹了基于數字孿生技術的罐車罐體檢驗智慧控制系統架構，設計了數字模型與自控程序并存的智慧檢驗控制系統方案，以罐車本體為對象進行了數學模型研究，并通過ZC21R智能控制器實現了該模型算法，分析了該數字李生系統在罐車罐體檢驗智能工廠建設過程中的實際應用，為確保罐車罐體檢驗過程安全提供技術保障。后續將進一步加強模型研究，以實際數據為基礎完善物理模型建立，推動數字孿生技術在罐車罐體檢驗中的應用。

未來，隨著技術的不斷發展，數字孿生技術在罐車罐體檢驗行業中的應用將會更加廣泛和深人。通過不斷優化和完善數字孿生模型，將進一步提高罐車罐體檢驗的準確性和效率，為危險化學品的安全運輸提供更加有力的技術支撐。

參考文獻：

[1]徐海亮，張偉平，肖吉敏，等.探討危險化學品常壓罐車罐體檢驗中的問題及檢驗方法[J].中國石油和化工標準與質量，2022，42（16）：48-50.

[2]黃強，王雯雯，孫艾，等.危化品罐車智慧檢驗工廠方案設計[J].中國特種設備安全，2024，40（3）：84-87.

[3]Tao F，ZhangM，Nee A.Digital twin driven smart manufacturing[M].Amsterdam，theNetherlands：Elsevier，2019.

[4]陶飛，劉蔚然，張萌，等.數字孿生五維模型及十大領域應用[J].計算機集成制造系統，2019，25（1）：1-18.

[5]黃雪琴，范偉軍，郭斌，等.定容積多通道充氣系統的仿真與設計[J].中國測試，2017，43（2）：82-86+92.

[6]孫艾，黃強，周云濤.常壓液體危險貨物罐車治理實踐的思考[J].專用汽車，2024（1）：43-45.

作者簡介：

徐徐，女，1990年生，工程師，鍋爐、壓力容器檢驗師，研究方向為承壓類特種設備檢驗安全與節能。