TOP 10 工业4.0技术：数字孪生 - 自动化虚拟调试
生产系统包括工厂或设施中的所有生产线和单元，调试这些机器系统通常发生在安装时或者升级套件时。调试机器、单元或者生产线，需要验证机器的方方面面能否协同工作以产生期望的结果。传统上，这种验证需要等待整个系统实施完成后才能开始。不管是在设备制造商的工厂还是在客户的工厂中，需要实现机械硬件、可编程逻辑控制器（PLC）、驱动硬件和人机交互界面HMI等集成测试是否满足设计要求，当这些零部件作为单体通过测试验证后，才能认为调试结束。传统上，生产系统的调试大都是通过实物测试，测试生产系统在启动、关闭、大批量生产等不同假想工况下的运行，工程师通过测试发现运行中的问题，从而开发和解决新的解决方案。这种方法看起来很有效，但在物理（实物）调试过程中发现并解决问题，人力、物力和时间成本非常高。在调试过程中花费的额外时间会导致机器交付延期，而且系统后期如果需要更改，会受到很大的限制，因为留给工程师的设计空间很小。考虑到这些问题，现今很多公司都正在应用新的测试解决方案，早发现问题，早解决，从而节约成本，虚拟调试应运而生。
越来越多的公司抛弃传统的在制造和安装后才测试物理机器的工作流程，而是采用使用数字孪生进行虚拟调试，通过数字样机模拟和预测最终生产系统的行为。实物调试时，任何设备包括可PLCs、HMIs等的延迟，都严重限制了工程师测试和调试生产系统的时间。而虚拟调试最大的优势就是，不用等到所有人员和硬件都就绪后才能开始。虚拟调试还有一种方式，软件在环，它可以在项目最初期的阶段就开始。由于所有设备部件都存在于软件模型中，工程师可以开始在数字领域就进行调试，然后通过之后实物调试的结果来验证数字孪生调试的结果。虚拟调试的另一个好处是能够探索更多的设计选项。借助数字孪生，工程师可以尝试不同的PLCs，HMIs或者其他设备，发现性能如何变化。而物理调试很少甚至没有时间让工程师探索其他可选方案。此外，工程师还可以单独验证单个硬件零部件的性能和行为。例如，工程师能够将一个实物PLC或HMI设备连接到数字仿真。测试时使用物理PLC或HMI设备作为控制输入，实时运行仿真。这种方式称之为“硬件在环”。
调试生产系统不容易，工作复杂，时间很紧凑。每个人都洗完最大程度地减少设备和工厂的停运时间，通过虚拟调试而不是等待物理硬件是正确的一步。但是在虚拟调试的策略上，有的公司使用一维仿真过程模型，有些使用带有动画的三维详细设计，当然还有的公司会结合使用这两种方法。虽然在本质上有点抽象，但一维仿真是虚拟调试的最好选择。使用时需要考虑以下优缺点。探索系统的备选方案：在设计的早期特别有用，这个阶段没有详细的几何设计文件。工程师可以探索各种可能的设计迭代，快速验证结果是否满足项目的要求。由于一维模型搭建方便，计算时间短，所以可以探索更多的解决方案，从而推动项目进入下一级设计。
验证PLC控制逻辑：使用1D仿真验证PLCs的控制逻辑非常有效。在PLC硬件交付之前，工程师可以使用一维模拟调试代码。这缩短了生产系统的实施和调试时间。
验证PLC硬件：仿真同样可以在没有生产系统实物的条件下验证PLC硬件，PLC控制逻辑可以直接连接到生产系统的虚拟模型。工程师使用这种硬件在环的方式调试PLC硬件，从而在物理硬件全部就绪前就开始验证系统功能，从而缩短实施时间。
无法进行空间检查：一维仿真的一个限制是，它不适合空间检查。由于缺少三维模型几何体，无法进行碰撞检测和干涉检查。
3D生产系统模型提供了非常不同的交付成果，需要非常不同的技能。使用时需要考虑以下优缺点。重用性好：越来越多的公司在机械工程模型投入到新的使用前执行基于仿真的工程。使用已有的3D模型，所有者和运营者可以在安装前调试生产系统。
配合三维扫描来探索方案：3D扫描技术可捕获整个设施的三维视图。工程师可以将生产系统的3D模型放置到生成的3D扫描环境中，从而为仿真提供更真实的环境。
验证空间操作：确保工厂内有足够的空间给每个单元和机器系统，允许工程师在实物调试前解决问题。
工人工效学的验证：工程师可以将人体模型嵌入到3D仿真中，所有者和运营者可以避免在安装后进行修改。
不能验证PLCs：3D仿真不能提供验证PLC控制逻辑或硬件，这仍属于1D仿真的范围。
1D仿真和3D仿真分别为虚拟调试提供了不同价值。1D仿真在在PLC程序和硬件设计中具有重要价值，但受限于缺少3D模型不能空间验证。而3D建模不能提供PLC测试所需的复杂选项，但空间和人体工效学更加有效。结合使用两种方法，可以弥补相互之间的不足，从而缩短了产品交付时间，并使生产停机时间降至最低。使用联合使用1D和3D仿真可以为制造商带来很多好处，为虚拟调试提供更快、更准确的模拟，确保产品的质量和功能。图：MapleSim在自动化仿真应用中的定位
MapleSim数字孪生用于自动化虚拟调试的解决方案及工作流
MapleSim中创建的数字孪生可用于虚拟调试，实现基于仿真的电机选型、PLC代码测试、离线和在线仿真等，消除设备设计中的猜测。① 导入3D CAD快速创建机械模型，MapleSim CAD Toolbox支持快速3D CAD模型，支持各种常用CAD软件，包括Inventor®, NX®, SOLIDWORKS®, CATIA® V5, Solid Edge®, 3D ACIS® Modeler, Pro/Engineer® / PTC® Creo Parametric™, Parasolid®, AutoCAD® 3D, 以及 I-deas®等。
② 在单一的建模环境中集成机械模型和其他学科模型，液压、控制、热、流体、电池、电气、气动、信号、电磁等，例如，加入执行机构和运动轨迹，从而建立系统级模型。
③ 利用MapleSim中的分析工具完成系统特性分析和优化，例如机器故障（电机、传感器等）模拟注入、动态负载分析、电机选型、尺寸优化、参数扫描和优化、最大CPM等，通过图形和动画显示系统动态行为。
④ 与自动化公司的产品连接，例如B&R, Rockwell, Beckhoff，Allen Bradly等，通过虚拟调试进行控制代码测试。
