數字化雙胞胎技術淺析

崔錦泉 冷洽 王智磊 王廷勇

摘 要 近年來，數字化雙胞胎技術日趨成熟，打破了信息空間和物理空間信息交互融合的界限，為實現智能制造提供了新的方法和途徑。本文對數字化雙胞胎技術概念和組成進行了概述，針對單機設備如何創建基于數字化雙胞胎的虛擬調試環境進行了分析和研究，探討了數字化雙胞胎技術在縮短研發周期和提高產品質量等方面的優勢。在制造業競爭壓力不斷增強的今天，數字化雙胞胎技術必定是企業數字化變革中的關鍵技術之一。

關鍵詞 數字化雙胞胎;智能化;制造業;虛擬調試

前言

隨著信息科學技術和大數據的發展，智能制造逐漸成為制造業發展的新方向。一個國家的制造業水平和規模直接決定其科技水平和經濟實力，為了在數字化浪潮到來之時抓住智能制造的機遇，許多國家針對國內以及國際制造業形勢，提出了各種促進制造業發展的戰略部署，包括德國提倡的“工業4.0”及“中國制造2025”，旨在推動制造業數字化發展進程。數字化雙胞胎技術的出現，為制造業數字化改革提供了新的方法和方向。2003年美國密歇根大學Michael Grieves提出了“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的觀點[1-2]，被認為是數字孿生的雛形;2011年美國空軍研究所在飛行器維護問題及壽命預測問題的研究計劃中提出了數字孿生的概念[3]，即數字化雙胞胎的前身;隨著數字化進程推進，西門子正式提出“數字化雙胞胎”概念，并于2017年漢諾威工業博覽會上，演示了在基于數字化雙胞胎技術的虛擬環境中設計、優化產品，模擬產線制造工藝流程等，有助于生產制造類企業大幅度提高產品創新速度和生產能力。

1什么是數字化雙胞胎

數字化雙胞胎技術是依靠數字化技術，模擬物理實體在現實環境中的行為，虛擬出與現實世界完全一致的數字化鏡像。數字化雙胞胎技術能夠幫助客戶完成從產品設計、生產規劃、工程組態、生產制造直到服務的全數字化方案，形成基于數字化技術的虛擬工廠[4]。

數字化雙胞胎技術主要包含三大部分：“產品數字化雙胞胎”、“生產工藝流程雙胞胎”、“設備數字化雙胞胎”。在生產設計階段，主要運用如NX UG、Simcenter等計算機輔助設計軟件進行完成，構建出產品的數字化虛擬模型，并對其進行仿真模擬和優化。在生產管理階段，將數字化模型在生產管理平臺上運營調試，該階段的重點在于生產車間的配備和設計，具體涉及車間的整體布局和優化、產線的配置和優化以及人員的分配和優化等等。在設備管理階段，通過設備模型仿真設備的運行工作狀態，模擬機械部件與電氣部件間的聯動，將產品的全生命周期實現管理運營，創建全數字化的生產管理模式。

2創建單機設備數字化雙胞胎

在數字化雙胞胎對于單機設備的虛擬仿真中，根據真實機械設備創建物理模型，根據真實的電氣設備創建電氣模型，最終進行聯合仿真，如圖1所示。

第一步，創建設備物理和運動學模型，運用NX Mechatronics Concept Designer （NX MCD）軟件進行三維模型設計和仿真測試。NX MCD仿真技術基于游戲物理場引擎，可以基于簡化數學模型將實際物理行為引入虛擬環境，定義其位置、方向、目標和速度等物理場，并指定時間、位置和操作順序，對機械環節進行一系列的模擬仿真，包括運動學、動力學、碰撞、物料流等方面。運用MCD軟件實現對物理實體的3D模型設計，定義模型的物理屬性及運動屬性，由此實現對機械結構的測試仿真，驗證不同設計方案的可行性。NX MCD可通過眾多通信接口與控制器和仿真控制器連接。

第二步，創建電氣和動作模型，通過運用SIMIT Simulation Framework （SIMIT）軟件創建電機、閥門、繼電器等驅動部件和各類開關及傳感器的仿真模型，即可仿真除PLC控制模塊外的電氣元件。SIMIT軟件包含仿真模型接口和自動化系統接口，通過SIMIT UNIT可與一個或多個總線系統通信，實現與西門子S系列的PLC相連接，通過眾多的通信接口與PLCSIM Advanced軟件和NX MCD 應用程序通信。

第三步，創建自動化控制模型，通過PLCSIM Advanced、WinCC以及TIA Portal等軟件編寫PLC控制程序、設計觸摸屏HMI畫面以及組態配置等，驗證控制方案的可行性及控制邏輯的準確性，由此搭建起完整的虛擬調試環境，構建起軟件、硬件同時在環的環網結構，如圖2所示，實現對相應設備的虛擬仿真調試。在虛擬調試過程中，構建真實樣機前運用NX MCD進行模型設計，提前驗證了整套系統不同的設計方案。NX MCD運用PROFINET（或OPC Server）可實現TIA Portal間的雙向數據傳遞，通過TIA Portal對設備模型運動序列編譯控制程序，完成設備模型虛擬仿真運動，其中，NX MCD的輸出數據也可作為PLC控制器的輸入控制參數。運用TIA Portal內含的WinCC模塊，設計模擬HMI控制屏幕，更加方便快捷的實現對MCD數字化模型的控制和監測。當虛擬環網建成后，通過HMI可對NX MCD發送控制指令，并實時監測虛擬模型的運動數據，NX MCD將控制指令轉化成具體的仿真運動，完成虛擬模型的仿真動作。在電子元器件裝配的虛擬調試中，運用NX MCD進行模型設計，提前驗證了設備的設計方案，設計階段時間縮短了10%以上;通過進行虛擬碰撞試驗，節省了大量的資金成本;通過進行虛擬調試試驗，大幅度縮短了整體系統調試的時間周期，進而減少了調試過程中需要的工作量，確保了設備的按時保質交付。

3數字化雙胞胎技術的優勢

3.1 縮短設備調試周期

對比在工廠現場使用實際的機器進行調試，虛擬調試可以在辦公室的數字開發環境中實現，機器仿真過程中的模擬測試能夠識別和消除設計中錯誤，通過虛擬調試相較于實際調試可將時間縮短50%以上。

3.2 提升工程設計質量