工業(yè)數(shù)字孿生-西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備虛擬調(diào)試案例

工業(yè)數(shù)字?jǐn)伾?西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備虛擬調(diào)試案例1案例背景及基本情況新生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施通常是耗時(shí)且高成本的過(guò)程，完成設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝后，在移交生產(chǎn)運(yùn)行之前還需要一個(gè)階段，即調(diào)試階段。如果在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的任何地方出現(xiàn)了錯(cuò)誤而沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，那么每個(gè)開(kāi)發(fā)階段的錯(cuò)誤成本將大大增加，未檢測(cè)到的錯(cuò)誤可能會(huì)在調(diào)試期間造成設(shè)備重大的損壞。數(shù)字?jǐn)伾鷮?duì)實(shí)施過(guò)程的前中后進(jìn)行容錯(cuò)沖銷(xiāo)，將大部分的操作-除了最后安裝之外全部移到虛擬層，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試等工作都是虛擬層進(jìn)行，得到最優(yōu)和最確定的方案后有相當(dāng)?shù)陌盐赵偕暇€(xiàn)使用。隨著工藝要求和控制復(fù)雜度的增加，使得本來(lái)就很棘手的設(shè)備調(diào)試變得更加棘手，脫離了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境，機(jī)械、電氣部件和自動(dòng)化軟件就得不到充分的調(diào)試，設(shè)備設(shè)計(jì)的正確性和有效性等得不到有效的保障。在調(diào)試階段，工程師會(huì)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，修改設(shè)計(jì)，編寫(xiě)和優(yōu)化程序，以及對(duì)操作人員進(jìn)行新設(shè)備、新操作流程培訓(xùn)。工藝設(shè)計(jì)和虛擬調(diào)試，特別適合一些禁止遠(yuǎn)程調(diào)試的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。其實(shí)這些事情很多供應(yīng)商也干過(guò)，只不過(guò)未必是數(shù)字學(xué)生罷了：模擬安裝環(huán)境啊，而且還不是局部模擬，是全局模擬。當(dāng)然有條件的設(shè)備供應(yīng)商可以自己模擬一個(gè)小型環(huán)境，如果成本太高，也可以用數(shù)字李生來(lái)模擬一個(gè)虛擬的調(diào)試和安裝環(huán)境。通過(guò)現(xiàn)實(shí)的運(yùn)行機(jī)理導(dǎo)入數(shù)據(jù)和流程到數(shù)字李生，這里我們?cè)俪耙稽c(diǎn)：數(shù)字李生能不能搞用戶(hù)化和通用化呢，當(dāng)然也可以。這個(gè)階段是難以計(jì)劃，會(huì)延遲生產(chǎn)，也會(huì)造成成本超支，并可能導(dǎo)致延遲發(fā)貨，影響客戶(hù)滿(mǎn)意度。由于數(shù)字?jǐn)伾俏锢碣Y產(chǎn)的準(zhǔn)確表征，可以用于對(duì)新網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備設(shè)計(jì)的虛擬調(diào)試。在虛擬調(diào)試時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，則可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)虛擬的系統(tǒng)模型進(jìn)行更改，虛擬調(diào)試允許重新更改網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、重新編程機(jī)器人或更改變頻驅(qū)動(dòng)器、PLC編程等操作。一旦重新編程，系統(tǒng)會(huì)再次進(jìn)行測(cè)試，如果通過(guò)，則可以進(jìn)行下一階段的物理部署。通過(guò)虛擬調(diào)試實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，縮短從設(shè)計(jì)到物理實(shí)現(xiàn)的時(shí)間；使用虛擬調(diào)試來(lái)提前測(cè)試設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件以發(fā)現(xiàn)機(jī)械干涉，以及提前驗(yàn)證自動(dòng)化PLC編程和上位軟件，這樣可以使現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試速度更快，風(fēng)險(xiǎn)更低。2系統(tǒng)框架網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和仿真驗(yàn)證系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)SINETPLAN實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)PROFINET的規(guī)劃設(shè)計(jì)和仿真，識(shí)別潛在的問(wèn)題并避免發(fā)生。新建、組態(tài)PROFINET網(wǎng)絡(luò)，或?qū)氍F(xiàn)有項(xiàng)目，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載仿真，流量整形保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全可靠，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源和透明化網(wǎng)絡(luò)利用率；也可以對(duì)已安裝PROFINET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線(xiàn)掃描和驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)讓真正網(wǎng)絡(luò)工程師去搞，我不懂。知道它是啥就行，不用什么都通，面面俱到：知道需要什么，輸出什么，標(biāo)準(zhǔn)是什么，流程是什么差不多了，再配合配合嘛。設(shè)備的數(shù)字?jǐn)伾谠O(shè)備開(kāi)發(fā)中應(yīng)用虛擬調(diào)試，首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)設(shè)備的數(shù)字李生即虛擬設(shè)備，虛擬設(shè)備構(gòu)成主要有三部分，即物理和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模型、電氣和行為模型、自動(dòng)化模型。其中：＞物理和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模型主要是機(jī)械組件，比如設(shè)備主體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸送帶、工裝夾具等；＞電氣和行為模型主要是一些活動(dòng)組件例如驅(qū)動(dòng)器、閥門(mén)和外設(shè)行為；＞自動(dòng)化模型是DCS,PLC程序和上位機(jī)軟件。這三種模型都需要數(shù)字學(xué)生仿真。虛擬調(diào)試系統(tǒng)虛擬調(diào)試系統(tǒng)分軟件在環(huán)(SiLSoftwareinLoop)和硬件在環(huán)(HiL:HardwareinLoop),根據(jù)不同的仿真環(huán)境可以選擇軟件在環(huán)或硬件在環(huán)。軟件在環(huán)是把整體設(shè)備完全虛擬化，即由虛擬控制器CPU、虛擬HMI、虛擬信號(hào)及模型算法、虛擬機(jī)械模型組成；軟件在環(huán)就是軟件虛擬化，仿真化，不僅仿真軟件模型，貼張圖說(shuō)這個(gè)就是HMI視圖也可以，還要仿真的軟件的功能。硬件在環(huán)是把設(shè)備主要的硬件放在仿真環(huán)境中，使用真實(shí)HMI、真實(shí)控制器CPU、現(xiàn)場(chǎng)10設(shè)備與虛擬機(jī)械模型組成虛擬設(shè)備模型。硬件在環(huán)是將現(xiàn)實(shí)的硬件設(shè)備和虛擬硬件設(shè)備仿真模型連接起來(lái)，共同組成一個(gè)硬件仿真環(huán)境，無(wú)論是軟件也好，硬件也好，最終都是仿真實(shí)體的模型和機(jī)理，就這兩件事，看清楚了就不覺(jué)得復(fù)雜了。通過(guò)搭建虛擬調(diào)試平臺(tái)，對(duì)包含多物理場(chǎng)以及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動(dòng)化相關(guān)行為進(jìn)行3D建模和仿真，使機(jī)械、電氣和自動(dòng)化設(shè)計(jì)能夠同時(shí)工作，并行協(xié)同設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目：a）對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)PR0FINET進(jìn)行高效規(guī)劃、布局、仿真和驗(yàn)證。b）機(jī)械工程師可以根據(jù)三維形狀和運(yùn)動(dòng)學(xué)創(chuàng)建數(shù)字模型。c）電氣工程師可以選擇并定位傳感器和驅(qū)動(dòng)器等行為模型。d）自動(dòng)化編程人員可以設(shè)計(jì)設(shè)備的控制邏輯和HMI程序，然后與機(jī)械模型、電氣模型連接，實(shí)現(xiàn)基于事件或命令的控制和運(yùn)動(dòng)模型。3案例特點(diǎn)虛擬調(diào)試不同于在物理世界中調(diào)試新網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備，而是通過(guò)在虛擬世界中創(chuàng)建數(shù)字李生，然后模擬新網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備的功能測(cè)試和模型驗(yàn)證，這樣可以實(shí)現(xiàn)：a）規(guī)劃一仿真一測(cè)試b）虛擬環(huán)境中的程序代碼測(cè)試和調(diào)試c）設(shè)備運(yùn)行仿真，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題以及對(duì)解決方案的快速評(píng)估d）機(jī)器人單元操作的仿真e）仿真新設(shè)備的產(chǎn)能，識(shí)別空間限制和對(duì)現(xiàn)有操作的影響，以便在安裝前解決這些問(wèn)題f）對(duì)設(shè)備操作人員的培訓(xùn)4實(shí)施步驟對(duì)PFOFINET工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、仿真與測(cè)試，通過(guò)三步即可達(dá)到目的，包括創(chuàng)建/加載項(xiàng)目、調(diào)整、分析并輸出報(bào)告。對(duì)設(shè)備的虛擬調(diào)試，需要以下幾個(gè)主要步驟：1.建立虛擬設(shè)備模型首先要了解設(shè)備的真實(shí)控制機(jī)理，分析每個(gè)運(yùn)動(dòng)的真實(shí)物理場(chǎng)景中所對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，在NXMCD建立虛擬設(shè)備模型，創(chuàng)建及匹配相應(yīng)的信號(hào)，并使用信號(hào)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)模型的動(dòng)作，仿真實(shí)際機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)情況，為后續(xù)使用PLC的虛擬調(diào)試做基礎(chǔ)。2.建立虛擬控制系統(tǒng)在TIAPortal中編寫(xiě)PLC控制程序和HMI畫(huà)面，編程和HMI工作完成后，啟動(dòng)PLCSIMAdvanced建立虛擬PLC,與真實(shí)PLC具有相同的功能,將PLC控制程序下載到虛擬PLC中；并啟動(dòng)HMI人機(jī)界面仿真器建立虛擬HMI人機(jī)界面。3.建立虛擬模型與虛擬控制系統(tǒng)的映射關(guān)系將PLC中的輸入、輸出變量與NXMCD中輸入、輸出信號(hào)建立聯(lián)系，從而達(dá)到PLC中的輸出信號(hào)作為NXMCD的輸入信號(hào)，反之PLC中輸入信號(hào)作為NXMCD的輸出信號(hào)。4.通過(guò)虛擬調(diào)試試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可用性啟動(dòng)虛擬PLC,在線(xiàn)監(jiān)控PLC控制程序的運(yùn)行情況；在NXMCD中運(yùn)行虛擬設(shè)備模型，查看程序控制的運(yùn)動(dòng)情況。通過(guò)虛擬設(shè)備模型的運(yùn)動(dòng)和控制邏輯仿真，優(yōu)化改進(jìn)自動(dòng)化模型、電氣和行為模型，以及物料和運(yùn)動(dòng)模型，而不會(huì)造成硬件資源的浪費(fèi)。這個(gè)流程說(shuō)明我們昨天扯的還是比較正確的，數(shù)字李生怎么實(shí)現(xiàn)：先用傳統(tǒng)的方式把流程走出來(lái)，然后用數(shù)字享生的技術(shù)進(jìn)行賦能。這也是個(gè)人比較建議的一種方式。MES的系統(tǒng)怎么實(shí)現(xiàn)，先用數(shù)據(jù)采集去完成數(shù)據(jù)完整性效驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)著需求和MES的框架或核心功能去構(gòu)建。說(shuō)白了，就是在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用MES的理論和框架進(jìn)行賦能。ERP也是一樣的道理。什么意思呢？先用傳統(tǒng)的方式把整個(gè)業(yè)務(wù)流程理清楚了，把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，最后再此基礎(chǔ)上用數(shù)字化進(jìn)行賦能。什么是系統(tǒng)：主體就是數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)流程，其他都是服務(wù)。這20%搞定了也就平衡了80%的系統(tǒng)需求。為什么要搞用戶(hù)化和通用化，就是這個(gè)原因。5核心技術(shù)5.1軟件在環(huán)仿真技術(shù)軟件在環(huán)(SiL:SoftwareinLoop)仿真是采用虛擬控制器模型和虛擬對(duì)象模型連接起形成閉環(huán)，以運(yùn)行仿真對(duì)象來(lái)模擬其運(yùn)行行為和狀態(tài)，可以完成一些實(shí)際中難于實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景測(cè)試。因?yàn)檐浖旧砭褪前胩摂M的，其實(shí)說(shuō)白了就是在數(shù)字李生的場(chǎng)景中把軟件的功能集成進(jìn)來(lái)，就這么個(gè)事情。比如網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)軟件，是檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)通信本身的狀態(tài)，或者網(wǎng)絡(luò)電纜的檢測(cè)軟件-探傷功能，這些都可以集成進(jìn)來(lái)。硬件在環(huán)(HiL:HardwareinLoop)仿真是將實(shí)時(shí)處理器和虛擬對(duì)象結(jié)合起來(lái)運(yùn)行仿真模型來(lái)模擬仿真對(duì)象的運(yùn)行行為和狀態(tài)，通過(guò)I/O、OPCUA及網(wǎng)絡(luò)等接口與被測(cè)對(duì)象相連接。也稱(chēng)為半實(shí)物仿真，是將需要仿真的部分系統(tǒng)硬件直接放到仿真回路中的仿真系統(tǒng)，仿真時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)的一部分設(shè)備與計(jì)算機(jī)通過(guò)各種信息通道相連，計(jì)算機(jī)和實(shí)際硬件共同完成仿真工作，并將仿真結(jié)果在電腦中進(jìn)行分析，從而判斷硬件的運(yùn)行情況。硬件的仿真就是虛實(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)備和虛擬模型的斂收速率同步，其實(shí)就是狀態(tài)和運(yùn)行機(jī)理同步。數(shù)字李生搞什么？模型狀態(tài)和運(yùn)行機(jī)理啊。硬件在環(huán)仿真不僅彌補(bǔ)了純數(shù)字仿真中的許多缺陷，提高了整個(gè)模型的置信度，而且可以大大減輕編程的工作量。這種仿真的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于它實(shí)現(xiàn)了仿真模型和實(shí)際系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，使仿真結(jié)果的驗(yàn)證過(guò)程非常直觀，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。6案例成效和意義工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程很難預(yù)測(cè)到生產(chǎn)和使用過(guò)程會(huì)不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，而虛擬調(diào)試帶來(lái)許多好處之一就是驗(yàn)證工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備設(shè)計(jì)的可行性。虛擬調(diào)試允許設(shè)計(jì)者在物理設(shè)備生產(chǎn)之前進(jìn)行任何修改和優(yōu)化，因?yàn)橛脩?hù)在測(cè)試過(guò)程中可以修復(fù)錯(cuò)誤，及時(shí)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)或機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，可以節(jié)省時(shí)間。虛擬調(diào)試將每個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)都驗(yàn)證好之后，就可以把這臺(tái)設(shè)備做出來(lái)，然后只要在物理設(shè)備上再做15%或者20%這樣少量的軟件優(yōu)化，設(shè)備就可以正常運(yùn)行。通過(guò)數(shù)字享生技術(shù)的應(yīng)用，幫助企業(yè)在實(shí)際投入物理對(duì)象（如設(shè)備、