低风险虚拟调测的数字孪生

有了数字双胞胎和系统级建模工具，虚拟调试正在成为工业4.0工具箱中更加强大的技术。

想象一个制造系统，乍一看，可能像任何其他现代系统一样运作。虽然看起来很普通，但这个系统中的自动化机器经历的停机时间比您预期的要少得多。这是因为每台机器都是在一个虚拟的、实时的模型下运行的，该模型对应于真实机器内部的所有动态和组件。每当机器可能出现故障时，虚拟模型都会提前两步，要么对控制器进行微调，要么在故障导致停机之前通知维护人员。

这种现代化、高效的机器设计方法正迅速成为降低成本和确保产品智能化的关键技术。这个过程背后的技术使用什么工业4.0称为数字双胞胎，并通过使用现代系统级建模工具，它们正成为虚拟调试过程的重要组成部分。

对于那些刚开始接触的人来说，数字双胞胎是对应的物理产品的动态虚拟代表。这些模型的用途和保真度各不相同，但它们在诊断、设计更改和重要的新流程中充当了与产品的强大连接虚拟调试．公司正在各行各业使用数字双胞胎，使他们能够以以前不可能的方式优化他们的产品。

最初，数字双胞胎通常是在实体产品投入使用后创造出来的。利用来自产品传感器的大量数据，可以创建预测模型，以帮助诊断和改进。通过使用像MapleSim这样的系统级建模工具，模型驱动的数字双胞胎的创建可以在设计过程中开始。有意义的数字双胞胎可以在物理产品最终确定之前创建，允许一个强大的测试平台更早地验证产品性能。

工业4.0引入的一项关键技术是虚拟调试过程。该技术解决了工程师在产品设计的系统集成阶段所面临的最常见的问题。通常，产品设计的调试阶段是最不确定和最昂贵的阶段之一。当把所有硬件和可编程逻辑控制器(PLC)放在一起时，通常会有各种各样的缺陷和设计问题需要解决。公司经常被迫在紧迫的期限内解决这些问题，以免耽误项目，危及声誉和底线。

在虚拟调试期间，工程师可以将他们的CAD设计直接导入到像MapleSim这样的工具中，并创建一个高保真的系统动力学模型。这种模型使工程师能够在昂贵的调试阶段之前就能快速洞察系统集成问题。他们可以导入他们的电机参数，定义他们的产品的运动轮廓，并可以很容易地访问模拟后的全套结果。

现在，工程师准备进入虚拟调试的关键过程。他们可以将他们的MapleSim模型导出到行业标准的功能模型接口(FMI)，并将其连接到用于虚拟集成测试的标准自动化工具。在相同的环境中使用数字孪生模型和PLC设计，现在可以在需要物理调试之前对集成问题进行测试。PLC系统在物理产品的高保真功能模型上进行测试，使工程师对其自动化设计在物理部署后的表现有更清晰的预期。在虚拟调试阶段捕获的每一个问题都将成为一个在物理调试期间可能突然出现的意外问题。尽早发现一些问题能够为公司节省大量时间和金钱，因为在虚拟平台上修复问题比修改物理产品要容易得多。

模型驱动的数字双胞胎的力量并不仅限于虚拟调试。通过将高保真模型与物理产品配对，在整个设计过程中都有好处——甚至在调试过程本身之后。采用模型驱动的数字双胞胎实践的公司正在他们的机器的整个操作中使用这些模型。他们使用它们进行实时诊断，因为在线数字双胞胎可以提供扭矩、惯性等信息。这有助于确保更少的停机时间，因为问题可以及早发现并更快地修复。许多公司还体验到使用数字双胞胎的成本节约，因为高保真模型可以给他们提供很多信息，而以前他们需要从昂贵的物理传感器获取这些信息。

模型驱动的数字孪生技术的日益普及正在迅速巩固其作为工业4.0的必要技术的地位。虽然数字双胞胎在设计过程的许多阶段都提供了令人难以置信的洞察力，但他们仍然会遇到犹豫。采用数字双驱动设计技术，如虚拟调试，需要改变工程师的设计过程。通常情况下，人们会觉得数字双胞胎的承诺好得令人难以置信，未来的道路也不明朗。

为了克服这些障碍，许多公司与他们的数字孪生工具供应商合作进行了一个试点项目。使用像MapleSim这样的工具，公司将与供应商合作创建数字双胞胎，确保它与他们的自动化软件连接，并在每个步骤提供培训。这个过程可以帮助公司看到单个项目的成功，并赋予他们内部技能，以自己的节奏将数字双胞胎构建到其他产品中。

随着创新周期的加快，数字双胞胎在各个行业越来越受欢迎，以降低风险，更快地将新产品推向市场。随着工业4.0和先进建模工具的发展，模型驱动的数字双胞胎正在确保其作为现代设计过程的重要组成部分的地位。

本文是Altair伙伴联盟成员Maplesoft的客座贡献，由Chad Schmitke，产品开发高级总监和Graham Jackson，工程专家。