新生產系統的設計和實施通常是耗時且高成本的過程，完成設計、采購、安裝后，在移交生產運行之前還需要一個階段，即調試階段。如果在開發過程中的任何地方出現了錯誤而沒有被發現，那么每個開發階段的錯誤成本將大大增加，未檢測到的錯誤可能會在調試期間造成設備重大的損壞。數字孿生對實施過程的前中后進行容錯沖銷，將大部分的操作-除了Zui后安裝之外全部移到虛擬層，設計、開發、調試等工作都是虛擬層進行，得到Zui優和Zui確定的方案后有相當的把握再上線使用。隨著工藝要求和控制復雜度的增加，使得本來就很棘手的設備調試變得更加棘手，脫離了現場運行環境，機械、電氣部件和自動化軟件就得不到充分的調試，設備設計的正確性和有效性等得不到有效的保障。在調試階段，工程師會發現錯誤，修改設計，編寫和優化程序，以及對操作人員進行新設備、新操作流程培訓。工藝設計和虛擬調試，特別適合一些禁止遠程調試的業務場景。其實這些事情很多供應商也干過，只不過未必是數字孿生罷了：模擬安裝環境啊，而且還不是局部模擬，是全局模擬。當然有條件的設備供應商可以自己模擬一個小型環境，如果成本太高，也可以用數字孿生來模擬一個虛擬的調試和安裝環境。通過現實的運行機理導入數據和流程到數字孿生，這里我們再超前一點：數字孿生能不能搞用戶化和通用化呢，當然也可以。這個階段是難以計劃，會延遲生產，也會造成成本超支，并可能導致延遲發貨，影響客戶滿意度。由于數字孿生是物理資產的準確表征，可以用于對新網絡或設備設計的虛擬調試。在虛擬調試時，如果發現問題需要進行設計優化，則可以在計算機上對虛擬的系統模型進行更改，虛擬調試允許重新更改網絡規劃、重新編程機器人或更改變頻驅動器、PLC 編程等操作。一旦重新編程，系統會再次進行測試，如果通過，則可以進行下一階段的物理部署。通過虛擬調試實現對設備的設計進行仿真驗證，縮短從設計到物理實現的時間；使用虛擬調試來提前測試設備運動部件以發現機械干涉，以及提前驗證自動化 PLC 編程和上位軟件，這樣可以使現場的調試速度更快，風險更低。PART2  系統框架網絡規劃和仿真驗證系統在設計階段，通過 SINETPLAN 實現對工業網絡 PROFINET 的規劃設計和仿真，識別潛在的問題并避免發生。新建、組態 PROFINET 網絡，或導入現有項目，進行網絡負載仿真，流量整形保證網絡運行安全可靠，優化網絡資源和透明化網絡利用率；也可以對已安裝 PROFINET 網絡進行在線掃描和驗證。網絡架構讓真正網絡工程師去搞，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，標準是什么，流程是什么差不多了，再配合配合嘛。設備的數字孿生在設備開發中應用虛擬調試，首先要創建一個設備的數字孿生即虛擬設備，虛擬設備構成主要有三部分，即物理和運動系統模型、電氣和行為模型、自動化模型。其中：物理和運動系統模型主要是機械組件，比如設備主體、執行機構、輸送帶、工裝夾具等；電氣和行為模型主要是一些活動組件例如驅動器、閥門和外設行為；自動化模型是 DCS,PLC 程序和上位機軟件。這三種模型都需要數字孿生仿真虛擬調試系統（這個東西是核心，其他都是輔助）虛擬調試系統分軟件在環（SiL: Software in Loop）和硬件在環 (HiL:Hardware in Loop)，根據不同的仿真環境可以選擇軟件在環或硬件在環。軟件在環是把整體設備完全虛擬化，即由虛擬控制器 CPU、虛擬 HMI、虛擬信號及模型算法、虛擬機械模型組成；（軟件在環就是軟件虛擬化，仿真化，不僅仿真軟件模型,貼張圖說這個就是HMI視圖也可以，還要仿真的軟件的功能）硬件在環是把設備主要的硬件放在仿真環境中，使用真實 HMI、真實控制器 CPU、現場 IO 設備與虛擬機械模型組成虛擬設備模型。（硬件在環是將現實的硬件設備和虛擬硬件設備仿真模型連接起來，共同組成一個硬件仿真環境，無論是軟件也好，硬件也好，Zui終都是仿真實體的模型和機理，就這兩件事，看清楚了就不覺得復雜了。）通過搭建虛擬調試平臺，對包含多物理場以及通常存在于機電一體化產品中的自動化相關行為進行 3D 建模和仿真，使機械、電氣和自動化設計能夠同時工作，并行協同設計一個項目：a）對工業網絡 PROFINET 進行高效規劃、布局、仿真和驗證。（網絡規劃）b）機械工程師可以根據三維形狀和運動學創建數字模型。（實體數字模型，前面的基礎知識篇中有這些概念，感興趣的小伙伴可以去看一下）c）電氣工程師可以選擇并定位傳感器和驅動器等行為模型。（行為模型仿真，別忘了還有上一篇里面提及的動作控制柜，什么原理呢，所有相關的物理性操作的集成封裝到一個控制系統中）d）自動化編程人員可以設計設備的控制邏輯和 HMI 程序，然后與機械模型、電氣模型連接，實現基于事件或命令的控制和運動模型。（視圖交互模型，沒有這個稱不上數字孿生，Zui多算個仿真分析程序）PART3  案例特點虛擬調試不同于在物理世界中調試新網絡或設備，而是通過在虛擬世界中創建數字孿生，然后模擬新網絡或設備的功能測試和模型驗證，這樣可以實現：a）規劃－仿真－測試b）虛擬環境中的程序代碼測試和調試c）設備運行仿真，可以發現設計問題以及對解決方案的快速評估d）機器人單元操作的仿真e）仿真新設備的產能，識別空間限制和對現有操作的影響，以便在安裝前解決這些問題f）對設備操作人員的培訓PART4  實施步驟對PFOFINET工業網絡的規劃、仿真與測試，通過三步即可達到目的，包括創建／加載項目、調整、分析并輸出報告。對設備的虛擬調試，需要以下幾個主要步驟：1.建立虛擬設備模型首先要了解設備的真實控制機理，分析每個運動的真實物理場景中所對應的控制信號，在 NX MCD 建立虛擬設備模型，創建及匹配相應的信號，并使用信號來控制運動模型的動作，仿真實際機械部件的運動情況，為后續使用 PLC 的虛擬調試做基礎。2.建立虛擬控制系統在 TIA Portal 中編寫 PLC 控制程序和 HMI 畫面，編程和 HMI 工作完成后，啟動 PLCSIM Advanced 建立虛擬 PLC，與真實 PLC 具有相同的功能，將 PLC 控制程序下載到虛擬 PLC 中；并啟動 HMI 人機界面仿真器建立虛擬 HMI 人機界面。3.建立虛擬模型與虛擬控制系統的映射關系將 PLC 中的輸入、輸出變量與 NX MCD 中輸入、輸出信號建立聯系，從而達到 PLC 中的輸出信號作為 NX MCD 的輸入信號，反之 PLC 中輸入信號作為 NX MCD 的輸出信號。4.通過虛擬調試試驗驗證設計的可用性啟動虛擬 PLC，在線監控 PLC 控制程序的運行情況；在 NX MCD 中運行虛擬設備模型，查看程序控制的運動情況。通過虛擬設備模型的運動和控制邏輯仿真，優化改進自動化模型、電氣和行為模型，以及物料和運動模型，而不會造成硬件資源的浪費。這個流程說明我們昨天扯的還是比較正確的，數字孿生怎么實現：先用傳統的方式把流程走出來，然后用數字孿生的技術進行賦能。這也是個人比較建議的一種方式。MES的系統怎么實現，先用數據采集去完成數據完整性效驗，在此基礎上對著需求和MES的框架或核心功能去構建。說白了，就是在數據的基礎上用MES的理論和框架進行賦能。ERP也是一樣的道理。什么意思呢？先用傳統的方式把整個業務流程理清楚了，把數據準備好了，Zui后再此基礎上用數字化進行賦能。什么是系統：主體就是數據和業務流程，其他都是服務。這20%搞定了也就平衡了80%的系統需求。為什么要搞用戶化和通用化，就是這個原因。PART5  核心技術軟件在環仿真技術軟件在環（SiL: Software in Loop）仿真是采用虛擬控制器模型和虛擬對象模型連接起形成閉環，以運行仿真對象來模擬其運行行為和狀態，可以完成一些實際中難于實現的場景測試。（因為軟件本身就是半虛擬的，其實說白了就是在數字孿生的場景中把軟件的功能集成進來，就這么個事情。比如網絡監測軟件，是檢測網絡通信本身的狀態，或者網絡電纜的檢測軟件-探傷功能，這些都可以集成進來）硬件在環 (HiL: Hardware in Loop) 仿真是將實時處理器和虛擬對象結合起來運行仿真模型來模擬仿真對象的運行行為和狀態，通過 I/O、OPCUA 及網絡等接口與被測對象相連接。也稱為半實物仿真，是將需要仿真的部分系統硬件直接放到仿真回路中的仿真系統，仿真時，實際系統的一部分設備與計算機通過各種信息通道相連，計算機和實際硬件共同完成仿真工作，并將仿真結果在電腦中進行分析，從而判斷硬件的運行情況。（硬件的仿真就是虛實結合，實現實際設備和虛擬模型的斂收速率同步，其實就是狀態和運行機理同步。數字孿生搞什么？模型狀態和運行機理啊。）硬件在環仿真不僅彌補了純數字仿真中的許多缺陷，提高了整個模型的置信度，而且可以大大減輕編程的工作量。這種仿真的另一個優勢在于它實現了仿真模型和實際系統間的實時數據交互，使仿真結果的驗證過程非常直觀，大大縮短了產品開發周期。PART6  案例成效和意義工業網絡和設備的設計過程很難預測到生產和使用過程會不會出現問題，而虛擬調試帶來許多好處之一就是驗證工業網絡和設備設計的可行性。虛擬調試允許設計者在物理設備生產之前進行任何修改和優化，因為用戶在測試過程中可以修復錯誤，及時對自動化系統或機械設計進行改進優化，可以節省時間。虛擬調試將每個設計細節都驗證好之后，就可以把這臺設備做出來，然后只要在物理設備上再做 15％或者 20％這樣少量的軟件優化，設備就可以正常運行。通過數字孿生技術的應用，幫助企業在實際投入物理對象（如設備、生產線）之前即能在虛擬環境中進行設計、規劃、優化、仿真、測試、維護與預測等，在實際的生產運營過程中同步優化整個生產流程，以明珞裝備為例，通過虛擬調試系統在規劃、設計和調試階段與客戶交換數據和協調，將項目周期縮短了 20%-30%，減少 50% 以上的工程現場調試時間，Zui終實現高效的柔性生產，提高企業核心競爭力。通過對 PROFINET 的規劃與仿真，實現調試前的透明化，節約成本，變被動為主動。