GSK Hamilton 的数字孪生之旅
操作员培训仿真：奠定基础
“佐剂”一词源自拉丁语，意为“帮助”。佐剂是一类药物成分，与疫苗或其他药物共同使用时，可以增强免疫反应强度。 佐剂能够降低疫苗所需剂量、减少注射次数，甚至提高疫苗本身的稳定性。
而这样具有重要价值的药物，其生产基地却坐落在美国蒙大拿州西部风景秀丽的比特鲁特山谷中——这里正是 GlaxoSmithKline 的 Hamilton 工厂所在地，距离热门电视剧《黄石》中的 Chief Joseph Ranch 牧场仅咫尺之遥。
在这里，自动化工程负责人 Levi Merkel 与团队成员共同努力，确保此类佐剂化合物能够安全、高效地生产和分离。 他曾在 2023 年艾默生 Exchange Immerse 大会上分享经验，介绍了该团队如何在 2023 年 1 月新生产单元启动期间同步部署数字孪生技术。
该生产单元同时配置了 DeltaV 自动化系统和安全仪表系统 (SIS)，并配备了一系列“智能”和“非智能”撬装设备。其中，智能撬装设备配备了由第三方提供的自动化控制器，而非智能撬装设备则完全由该单元的 DeltaV 系统进行控制。
Merkel 介绍：“系统中有 1,200 个 DeltaV I/O 点，另外智能撬装设备还有 400 个 I/O 点。” 由于该工艺使用有毒溶剂乙腈，因此 SIS 系统提供了至关重要的安全保护。
Hamilton 园区这一生产单元的独特之处在于，它采用了基于艾默生 Mimic 软件的操作员培训仿真系统。 Merkel 表示：“生产单元中操作员接触到的所有内容，都在仿真系统中进行了复制——无论是外观、操作体验还是运行效果，都与实际系统完全一致。”
生产系统由 DeltaV 控制台、冗余 PK 控制器以及智能和哑撬装设备组成，而 OTS 则由 DeltaV 控制台、单工 PK 控制器、Mimic 软件以及用于模拟第三方自动化 PLC 的单独软件组成。
从数字模型到数字孪生：三阶段发展路线
Merkel 还特别解释了当前部署的 Mimic 系统。虽然最终目标是实现数字孪生，但目前该系统更准确地说是一种支持提升工艺理解能力的数字模型。 Merkel 解释：“这是保真度最低、成本最低的方案。”他指出，目前生产单元的数据并不会自动反馈至模型中。
他设想，随着持续投入，公司可以从数字模型进一步发展到“数字影子”阶段，通过物理对象向数字对象自动传输数据，更好地支持决策；最终实现真正的数字孪生，通过物理世界与数字世界之间的闭环数据传输，提供高保真度的模型。不过，数字孪生虽然具有最高保真度，但成本也最高，Merkel 说道。
由于该生产单元属于首次建设的同类项目，因此采用低保真度模型已经足够。一方面，工艺理解程度尚不足以支持更高额的前期投资；另一方面，该工艺主要围绕色谱分离过程展开，并不涉及更敏感的反应动力学过程。
扩展仿真系统应用价值
Mimic 系统最初设计有两个主要目的。 第一，为人员培训提供一个离线环境； 第二，为生产单元部署前测试过程控制代码提供平台。
然而实际情况是，团队一直忙于支持生产运行，因此大部分操作员培训最终仍在实际生产单元中完成。 但仿真系统并没有被闲置，而是在调试、确认和测试自动化变更对生产单元性能影响方面发挥了重要作用。
例如，团队利用仿真系统验证柱填充撬装设备的在线清洗配方，使标准操作规程 (SOP) 的开发提前完成。 此外，它还提供了一个平台，用于在不影响生产的前提下，对解决方案进行故障排查和测试。
下一步：实现闭环
在生产单元现场验收测试和调试活动期间，仿真系统帮助节省了约 270 小时。相比之下，若直接在生产单元上进行相关工作，预计需要约 400 小时，而通过仿真系统仅需 130 小时。
此外，大约 50 个问题至少部分通过仿真系统得到解决，从而大幅避免对生产单元造成重大影响。 Merkel 表示：“自启动之前开始，生产单元上的时间一直非常宝贵。”
同时，通过仿真系统获得的知识积累预计节省了约 14.4 万美元原材料成本，以及约 55.2 万美元废弃物处理成本。尽管实际用于操作员培训的时间少于最初计划，但该项目带来的收益已经超过了仿真系统本身的投入成本。
未来，无论是短期还是长期，Merkel 及其团队都制定了更大的发展计划，包括：正式推进最初规划的操作员培训体系；将生产单元的 SIS 系统纳入模型范围；提升模型保真度；最终实现生产单元与仿真系统之间的同步闭环，打造完整功能的数字孪生系统。
