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引言 工业4.0的发展，需要技术的持续进步和机械设备不同应用的推动。在自动化工业领域，机械设备之间连接实现了数据在不同级别上的访问与共享，这也是新发展模式的关键指标之一。然而，新机械设备还在为新功能设计和准备过程当中，大量的现存的老旧设备和系统受到限制却难以支撑现有的生产。这个问题是由机器的寿命和新技术的进步共同决定的，一种解决方式是终止老旧机器的生命周期并购买一台新设备来取代它；另一种解决方式是通过翻新改造来延长机器的寿命。后者是一种高性价比且快速的解决方案，同时也是一种迈向可持续性工业的机遇，在工业4.0的大背景下对制造业未来发展意义斐然。  在设备翻新的过程中，有缺陷或陈旧的零件会被新的零件取代，用新的控制器和人机界面设备来改装机器，主控程序版本也会更新以及添加可能的新功能需求。但是，在这些调整中要求机器在一段时间内停产，包括在恢复生产之前的一些准备、翻新、调试、初步验证和最终验证。需要注意的是，在某些特定情况下，由于用户的生产需要，这个调整时间可能会被限制在几周甚至几天内，这主要是由设备的复杂度所决定的。 对专门从事设备的改装和翻新的公司来说，主要的挑战不是受限于机器结构的复杂性和时间的约束，而是技术文档的状况。例如，当负责改装设备的公司不是当初生产该设备的公司的时候，过期的技术文档或是在最坏的情况下缺失技术文档将会进入一个逆向工程阶段（从现有的生产系统中反推原来的设计逻辑），从而导致生产效率降低，生产成本大幅度的提高。 另外，现代工业进程和制造业设备都在引进更多的新技术而且复杂程度也一直在增加。企业需要低成本、快速交付的高质量自动化解决方案。因此，寄云科技研究院分析认为，测试和验证阶段是对原始设备供应商和系统集成商是格外关键的一个环节。其中，自动化系统的测试通常在现场调试期间进行的。这一阶段出现的各种状况或将会与之前制定的生产计划发生冲突，更甚者可能会对设备造成不必要的额外损失。 数字孪生尖端技术详解：虚拟调试 Virtual Commissioning(VC)即虚拟调试的概念是基于对虚拟模型来实现系统的认证和验证，而不是在真实的自动化系统中。 一套虚拟调试系统是在现实系统开发之后，甚至在现实系统调试之前建立的【如图1所示】。VC的显著优势就是减少运行时间和降低成本，还可以提供一个灵活的平台用于测试和验证而不用担心其对实际系统运行的影响。 与此同时，尽管有以上诸多优势，但并未能在自动化领域内广泛使用的主要原因是选择正确的技术和开发可用的模型需要大量的精力和系统知识。  图1 工业自动化解决方案流程 目前，市场上有各种各样的工具和技术用于VC，也有很多企业针对自动化系统中的不同类型功能采用不同的仿真模拟方法，其目的就是通过创建的仿真模型提供近似的现实系统功能。这些仿真模型通常可以通过对现实系统进行简化近似或假设来获取系统响应和分析结果输出，而这些响应和输出与现实系统的产出应该基本相同。 虚拟系统和现实系统两者之间本质的区别在于仿真模型主要是需要控制软件来运作，而现实系统所需的PLC或机器程序无法适用于虚拟系统。也正是这一差异使得模拟仿真更加适用于VC，并在整个系统的全生命周期内起到关键作用。 ■ 设计阶段：仿真模拟可以用来支持设计决策并且也有助于销售过程和与客户的初步讨论； ■ 开发和验证阶段：使用仿真技术可以帮助培训专家用户和系统操作员，提高系统的稳定性和可靠性，或者允许在不影响实际生产的情况下实现系统的升级或整改； ■ 优化阶段：仿真也可以用于工业系统的优化以实现高效的系统操作和性能。 构造仿真模型所花费的精力受系统的复杂性决定，但通过在自动化系统生命周期的几个阶段使用仿真将更容易支付这些成本，这使得在复杂度较低的系统上采用仿真技术将会更有价值。 回过头来谈谈数字孪生，从仿真技术来看，在建模和模拟领域中数字孪生是个新概念。寄云科技研究院认为，以前模拟工具的使用仅限于设计阶段，但今天不同类型的模拟工具被用于测试、验证或优化阶段。在自动化工业中，我们将数字孪生定义为一个多系统和多尺度的仿真模型，以反映相应的物理孪生，允许将模拟扩展到系统的所有生命周期阶段。 国外的虚拟调试技术比较成熟， 已经研发了多款虚拟调试软件，如德国西门子的Tecnomatrix、瑞典的Simumatik3D、芬兰的Visual Components以及英国的Demo3D等。图2（a）展示的是西门子的Tecnomatrix软件可以在虚拟环境中调试自动化控制逻辑和PLC代码，然后将其下载到真实设备，通过虚拟方式仿真来验证自动化设备，可以保证设备达到预期效果，大幅缩短生产线现场安装调试周期；图2（b）展示的是瑞典的Simumatik3D软件在虚拟环境中将传送带、信号灯以及自动门分别建模并模拟两个自动门在给定相应信号灯下的开启情况；图2（c）展示的是芬兰的Visual Components软件在虚拟环境中模拟车辆装配的场景，可以通过模拟手段对新装配工艺进行验证；图2（d）展示的是英国的Demo3D软件在虚拟环境下模拟机械臂把货物放在传送带的过程。  图2 国外虚拟调试软件列举 此类仿真软件不仅集成图形引擎，也集成了刚体物理引擎，这使得在传感器和执行器级别上创建设备几何、运动学和逻辑模型，也可组合起来创建一个完整、虚拟的自动化系统，从而打造不同场景下的数字孪生应用。 数字孪生仿真技术应用 针对之前提及的设备改造所带来的问题，可以使用仿真工具创建一个旧机器的数字孪生来支持设备改造项目。采用数字孪生仿真技术能够增加设备改造项目的灵活性、降低风险值以及确保结果的高质量。下面，以瑞典舍伍德大学利用数字孪生模型来支持改造一个实际项目的工业应用研究场景——基于自动化工业生产铸造砂芯芯机的实际工业改造项目为例。 该项目的机器设备是在90年代初期组装的，项目包括全面重建电子示波器，更换过时的气压阀、液压和电器设备，重新布线、安装以及最终调试和验证，还有改造西门子的PLC和人机接口设备等。 整个翻新过程所需的时间包括拆除旧部件、安装新部件和调试，总计不超过四周时间，即停产时间不能超过四周。瑞典工业与能源公司在瑞典舍伍德大学生产和自动化工程学院的合作下共同开展此项目，项目过程中舍伍德大学帮助下构建了数字孪生用以支持该项目。 该项目遵循一种方法试图在其不同的项目阶段充分利用数字孪生的优势，如图3所示，给出了一种项目改造的方法。其中，标红步骤为采用仿真技术。  图3 项目改造过程 ■ 第一阶段：由于进行设备翻新的企业不是原始的设备供应商，以及缺乏和存在过时的技术文件，数字孪生的构建支持这种逆向工程阶段； ■ 第二阶段：数字孪生在控制逻辑开发阶段中进行认证使得测试新的PLC和人机界面设备更加容易； ■ 第三阶段：随后数字孪生实现了虚拟调试和验证，在物理改造开始前，将仿真结果与真实结果进行对比，以获取客户的信任； ■ 第四阶段：以上三个阶段是不需要关停设备的，一旦数字孪生模型验证成功，就可以对现有设备进行改造升级，也就是说最后一个阶段才有时间限制，这使得上述三个阶段在实施过程中会更加灵活。 数字孪生建模：砂芯芯机改造 需要改造的岩芯制造机是一种为铸造厂生产的砂岩芯机器。砂岩芯的生产过程一共需要四个步骤：
砂岩芯机器主要是由电气、气动、液压元器件组成，包括几个线性和旋转运动、输送机和固定装置用来处理沙箱、砂芯和所有必要的机电部件。为了控制机器内的放气和通风的过程，机器内部还安装一些传感器和阀门。 整个项目从分析所有不同的机器运动，研究老旧的PLC电机逻辑和创建一个机器的工序描述开始。还需要研究机械和电气的相关图纸，以了解机器的结构以及不同的部件如何一起工作。这一过程对于理解机器的功能并能够开始构建机器数字孪生是非常必要的。 具有不同功能的机器的不同部件都要被识别出来，并被单独记录下来。在列出了所有的传感器和执行器后，这些传感器被添加到仿真模型中，这里采用Simumatik3D仿真软件进行建模，如图4所示为各个主要元器件的建模效果图。  图4 采用Simumatik3D创建的数字孪生模型 该机器的改造用的是新一代西门子1500CPU和HMI面板取代了旧的西门子S5PLC和HMI设备。重新设计的系统采用了更分布式的架构。机器中的所有传感器和执行器，有大约200个数字输入和输出(IO)信号和7个模拟信号，使用分布式IO设备重新连接。新的机器的本地网络是基于工业ProfiNet现场总线，该总线连接PLC与几个IO模块和HMI。控制逻辑和HMI接口采用西门子TIAPortal平台开发的。一旦创建了基本控制工程，硬件配置和变量声明也同样被创建，那么数字孪生模型的传感器和执行器就被分配到PLC中各自的变量。此时可以将控制软件下载到控制器上并对数字孪生模型进行测试。 仿真测试环境以两种不同的方式设置，以测试使用真实硬件和使用虚拟控制器之间的功能和差异如图5所示。西门子提供了一个被称为PLCSim高级的虚拟PLC解决方案用来模拟一个真正的PLC控制器，该软件可以在普通PC中运行，并执行同源的PLC逻辑。由于真实的和虚拟PLC都能够支持OPC-UA（开放平台通信统一架构）的使用，因此这两种配置都得到了Simumatik3D中创建的仿真模型的支持。当运行完整的软件设置时，一个额外的计算机屏幕被用作人机界面。当在设置中使用真实的控制硬件时，它减少了计算机中的处理负载，可以在仿真期间提供了更好的性能，而使用完全基于软件的设置可以是一种更具成本效益和灵活的方法。  （a）真实硬件控制设置 （b）完全软件设置 图5 两种不同测试环境 在开发阶段，数字孪生模型被用于支持控制和HMI程序的开发，允许测试和调试它。所有的虚拟IO信号都使用电气图纸和IO列表对数字孪生模型进行了测试，因此可变寻址作为集成工作的一部分得到了验证。虚拟IO验证按照与实际IO验证相同的步骤进行。PLC中的输出信号被迫验证执行器的运动，并监测输入信号，以检查不同传感器的状态变化。对仿真模型进行了调整，并补充不同的特性和设备。机器中的工艺相关部件最终在数字孪生模型中进行了实施和测试。最后，还有一些在数字孪生模型中再导入一些3D模型，以提供更贴近现实的体验，最终效果如图6所示。  图6 岩芯制造机的整个仿真模型 数字孪生模型的最终认证是在实际机器操作人员和技术人员的支持下进行的。所有可能的运动都进行了测试，并与从真实机器上记录的视频和技术文档进行了比较，机器操作员可以提供重要反馈来调整模型，最终得到一个准确的数字孪生模型。 此外，在开发阶段使用数字孪生，能够允许与客户及其技术人员和运营商进行讨论，由于这些讨论，对控制程序和HMI进行了小的修改和调整达成一致。而且这类讨论通常在实际调试之后或期间进行，在这种情况下，这为项目提供了重要的定性利益。一旦控制逻辑的开发和初步测试最终确定，就可以对机器进行了认证和验证。这包括首先手动移动和HMI特性的认证，自动顺序执行和故障情况的测试，其次再对系统需求的验证。多亏使用了数字孪生模型，在VC期间检测到了许多问题，在PLC程序和HMI中的错误因此得到修复，例如： （1）不同运动之间的联锁信号出现错误； （2）不同机器工序之间的同步问题； （3）执行器输出信号的激活和反激活编程错误 在VC之后，数字孪生提供了与客户一起执行虚拟工厂验收测试的可能性。针对仿真模型使用的工厂验收测试协议与稍后在实际工厂验收测试中使用的协议相同的。在虚拟工厂验收测试过程中检测到的一些问题可以立即得到纠正和验证，而其他问题可以在第二轮测试中进行修改。在这个阶段，由于老旧机器仍在生产中，虚拟置信水平和开发进展均高度优于实际调试前的常规翻新项目。 在最后阶段即机器的物理改造期间，新部件的拆卸和安装持续了两周多。一旦安装了包括新的PLC和HMI在内的新电气柜，真正的调试就从硬件配置开始，然后进行IO测试。当逻辑程序下载到PLC时，机器就按照预期的速度工作，这表明使用数字孪生导致调试时间显著减少，缩短了60%。如前所述，最终的验证是按照第三阶段使用的相同的工厂验收测试方案进行的。该机器在所需的时间范围内恢复生产，如果不遵循本文中描述的方法，这将是不可能实现的。 小结 复杂装备往往都有非常多的工艺控制参数，这些参数的设置往往需要结合现场的特点和要求进行反复调试，才能满足生产的需要。我们发现，在实际运行中由于样本库以及数据质量的原因，数据分析结果往往会存在偏差或误报警，如何在短时间形成有效的实时监控，减少数据误差和提升人工规则设定不准的能力至关重要。针对此点，国内杰出的仿真厂商安世亚太和工业互联网平台厂商寄云科技共同研究数字孪生在仿真和生产过程的应用，通过将仿真模型与真实采集的运行数据结合，构建多个基于仿真模型的虚拟传感器，在实际运行过程中实现实时数据和仿真模型的互动分析，提高实时采集数据判断精度和规则配置的有效性，完成数字孪生不同应用场景数据信息的打通。通过破除设备、设计、制造、维护等产品生命周期隔离，打通构成数字孪生的闭环，以实现更全面的状态监测、性能评估和预测性维护的能力。  图7 寄云科技与安世亚太合作方案架构 可以肯定的是随着仿真技术的迅猛发展，数字孪生在工业领域的应用价值越发体现。与物理实体相比，数字孪生的试错成本大幅度降低。人们在现实场景中完成调试和改善的成本是巨大的，而通过数字孪生技术则可以利用模型驱动，提前虚拟试错，减少昂贵的物理实体的移动和消耗，降低实际生产中机器关停调试时间，为工业企业生产经营提供智能决策辅助，真正实现降本增效。 【参考文献：Mikel AyaniM. GanebäckAmos H.C. Ng, Digital Twin: Applying emulation for machine reconditioning, January 2018Procedia CIRP 72:243-248. |
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