時(shí)間回到2014年夏天，LMS被西門(mén)子PLM收購(gòu)后大概不到兩年的時(shí)間，辦公地點(diǎn)從原來(lái)的亞運(yùn)村搬到了望京西門(mén)子大廈。但當(dāng)時(shí)的業(yè)務(wù)上還沒(méi)有和PLM有交集，基本上還是獨(dú)立的解決方案。望京的西門(mén)子中國(guó)已經(jīng)扎根國(guó)內(nèi)幾十年，依托于自己成熟的機(jī)電系列產(chǎn)品，業(yè)務(wù)量也是逐年增長(zhǎng)。并且在未來(lái)發(fā)展方向上也是很有遠(yuǎn)見(jiàn)的提出了“工業(yè)4.0”和后來(lái)的“數(shù)字化雙胞胎”等戰(zhàn)略。

當(dāng)時(shí)和西門(mén)子中國(guó)就職的同窗聊起業(yè)務(wù)內(nèi)容時(shí)，他主要是作PLC的推廣售前工作。我們一琢磨，PLC無(wú)非就是個(gè)控制器；而系統(tǒng)仿真這種建模分析，基本都是圍繞被控對(duì)象展開(kāi)的；只有結(jié)合在一起才能構(gòu)成控制工程中的“閉環(huán)系統(tǒng)”。要是真能把這兩部分技術(shù)內(nèi)容整合在一起推出一個(gè)“閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真”的方案，可以互補(bǔ)技術(shù)方案，在市場(chǎng)上也可以作為一個(gè)優(yōu)勢(shì)項(xiàng)去和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手PK。

結(jié)果不到幾年的時(shí)間，就真的實(shí)現(xiàn)了：無(wú)論是純SiL環(huán)境下通過(guò)虛擬PLC控制程序和AMESim的模型互聯(lián)，還是HiL環(huán)境下把PLC硬件控制器和AMESim模型耦合（不過(guò)嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)這是個(gè)偽實(shí)時(shí)系統(tǒng)，不能算真正意義上的HiL），都通過(guò)實(shí)際落地的項(xiàng)目證明了在這個(gè)虛擬的閉環(huán)系統(tǒng)里是值得繼續(xù)探索的，這也就是本文要展開(kāi)介紹的“虛擬調(diào)試

1. 系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確程度及詳細(xì)程度，直接決定了“虛擬調(diào)試”的最終受益如何

2.  只要你的被控對(duì)象/系統(tǒng)涉及到“機(jī)械”，“電子電器”，“（熱）流體”的領(lǐng)域，或者是多種領(lǐng)域組合的，就可以考慮用系統(tǒng)仿真方法構(gòu)建模型，用于和你的PLC控制器集成（無(wú)論SiL還是HiL）進(jìn)行虛擬調(diào)試       

3. 結(jié)合CFD仿真或三維仿真，利用AI技術(shù)以及和工業(yè)邊緣Edge的集成，可以將虛擬調(diào)試擴(kuò)展到諸如實(shí)現(xiàn)“虛擬傳感器”和“預(yù)測(cè)性維護(hù)”等新應(yīng)用領(lǐng)域

閉環(huán)控制系統(tǒng)

下面展開(kāi)贅述。

機(jī)電一體化的控制系統(tǒng)的大力發(fā)展涉及到各行各業(yè)，大到重工業(yè)的飛行器航天器高速列車(chē)工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)，小到輕工業(yè)的冰箱洗衣機(jī)燒水壺兒童玩具都能見(jiàn)到機(jī)電一體化產(chǎn)品的身影。而且隨著人們需求的不斷提高和多樣化以及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的不斷縮短，各種產(chǎn)品的復(fù)雜程度越來(lái)越高，應(yīng)用場(chǎng)景也是多種多樣，市場(chǎng)的需求勢(shì)必要求產(chǎn)品開(kāi)發(fā)更加高效且可靠，傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程需要升級(jí)迭代才能跟上市場(chǎng)和客戶(hù)需求的腳步。

圖表1 – 虛擬調(diào)試可應(yīng)用的不同層級(jí)

在西門(mén)子提出的“虛擬調(diào)試”方案中，可以覆蓋不同層級(jí)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要，如圖表 1中所示：無(wú)論是最頂層的產(chǎn)線(xiàn)級(jí)別的調(diào)試分析，還是最底層的自動(dòng)化策略和邏輯的驗(yàn)證。但本文的關(guān)注部分是在“Component physics”層級(jí)上進(jìn)行展開(kāi)，介紹基于系統(tǒng)仿真的技術(shù)，如何通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的物理現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行復(fù)現(xiàn)及模擬后，再通過(guò)和控制器（比如軟/硬PLC）的集成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和調(diào)試提供有效支持。

圖表2 – 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

對(duì)所有的控制系統(tǒng)我們都可以直接將其視為“控制器 + 被控對(duì)象”構(gòu)成的結(jié)合體，如圖表 2所示。

我們先從被控對(duì)象開(kāi)始。

圖中最右側(cè)“Digital Twin”標(biāo)識(shí)的部分，也就是Plant即我們常說(shuō)的被控對(duì)象?？梢钥吹诫S著工業(yè)產(chǎn)品的功能性和復(fù)雜性的提升，這部分早已是“機(jī)械 + 電子電氣 + 液壓 + 熱管理”子系統(tǒng)構(gòu)成的綜合大系統(tǒng)，并且系統(tǒng)間的耦合也是越來(lái)越緊密。在企業(yè)以往的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程中，一般都是將每個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的指標(biāo)和關(guān)聯(lián)性能單獨(dú)設(shè)立部門(mén)去負(fù)責(zé)。但這樣就將產(chǎn)品背后的運(yùn)行規(guī)律和互相耦合關(guān)系割裂開(kāi)來(lái)，對(duì)于越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和分析及驗(yàn)證工作來(lái)說(shuō)，已經(jīng)不再適用了。

我們舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如圖表 3所示的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。在早期的車(chē)上是沒(méi)有配置助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的（比如十幾年前的老車(chē)，沒(méi)有助力的方向盤(pán)掰起來(lái)會(huì)相當(dāng)費(fèi)勁）。這套助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)除了要對(duì)基本的轉(zhuǎn)向柱，齒輪齒條等機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還要引入一套電液系統(tǒng)去提供“助力”的部分（圖中藍(lán)色框內(nèi)為液壓的助力系統(tǒng)）：用電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，根據(jù)助力需求將壓力傳遞到作動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)安全、準(zhǔn)確且及時(shí)的助力轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

圖表3   – 汽車(chē)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)

此時(shí)，需要額外考慮的設(shè)計(jì)問(wèn)題可以包括：比如新加的這套電液系統(tǒng)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率需要多大，能不能提供足夠的動(dòng)力，但是又不要過(guò)設(shè)計(jì)？系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是多少？（不能說(shuō)駕駛員已經(jīng)開(kāi)始擰方向盤(pán)了，系統(tǒng)過(guò)了好幾秒才開(kāi)始提供助力）。系統(tǒng)的最大壓力可以到達(dá)多少等等。

所有這些新的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)，勢(shì)必要通過(guò)虛擬仿真/模型來(lái)解決：一是在很短的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)模型可以快速的迭代設(shè)計(jì)方案；否則通過(guò)制造原型產(chǎn)品，再通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)等方式去驗(yàn)證是既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且有些極端工況也不可能通過(guò)試驗(yàn)的手段去驗(yàn)證。二是通過(guò)虛擬仿真可以了解不同子系統(tǒng)背后的耦合關(guān)系，比如這套電液轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)中，從電機(jī)到液壓泵再到執(zhí)行器的助力過(guò)程，系統(tǒng)每個(gè)部件的運(yùn)行情況，像能耗，壓力，流量，力矩及位移等關(guān)鍵物理量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，有些是無(wú)法直接通過(guò)試驗(yàn)去獲取的；但通過(guò)系統(tǒng)仿真模型，可以清楚地知道每個(gè)子系統(tǒng)和元部件的狀態(tài)，從而為設(shè)計(jì)方案評(píng)估及設(shè)計(jì)改型提供參考。

到這里羅嗦了這么多，和虛擬調(diào)試有什么關(guān)系？因?yàn)檫@個(gè)虛擬的被控對(duì)象是否能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，以及能復(fù)現(xiàn)到什么程度，這是決定虛擬調(diào)試工作能帶來(lái)多大收益的關(guān)鍵。

接下來(lái)是控制器的部分。

圖表4 – 不同類(lèi)型的控制器

從上圖中可以看出控制器的演化發(fā)展也從某個(gè)側(cè)面反映了從第一次工業(yè)革命到現(xiàn)在為止，科學(xué)技術(shù)進(jìn)步所帶來(lái)的產(chǎn)品上的巨大變化：最左側(cè)是1769年James Watt改良蒸汽機(jī)上所用到的Flyball governor控制裝置，屬于“純機(jī)械控制器”：通過(guò)蒸汽機(jī)所驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸帶動(dòng)“飛錘/飛球”裝置的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，最終可調(diào)節(jié)進(jìn)入到蒸汽機(jī)的蒸汽量而控制機(jī)器的輸出轉(zhuǎn)速。

隨著電子電氣相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)在很多工業(yè)領(lǐng)域的控制器都是上圖中右側(cè)的電子元件了，比如像過(guò)程\流程行業(yè)里最廣泛應(yīng)用的PLC控制器；或者航空器、高速列車(chē)、乘用車(chē)/商用車(chē)、工程機(jī)械等產(chǎn)品中大量配套的ECU控制器。

控制器的功能日漸復(fù)雜，因?yàn)樾枰皩?duì)接”的產(chǎn)品自身的功能越來(lái)越多，而且使用場(chǎng)景也是愈發(fā)多樣化，從最基本的安全需求到穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的指標(biāo)要求。因此，對(duì)于復(fù)雜的控制器如何進(jìn)行快速準(zhǔn)確且可靠的設(shè)計(jì)和測(cè)試工作，自然而然地就會(huì)引出“虛擬調(diào)試”的需求，總不能把控制器開(kāi)發(fā)好后直接裝到機(jī)器上，比如裝到汽車(chē)/高鐵/飛機(jī)上，然后跑一跑飛一飛看看效果如何。

其實(shí)對(duì)于航空/航天及汽車(chē)行業(yè)，早在十幾二十年前，就已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)實(shí)時(shí)仿真機(jī)結(jié)合實(shí)際硬件ECU的方式來(lái)進(jìn)行整機(jī)/整車(chē)級(jí)別的系統(tǒng)測(cè)試，也就是HiL硬件在環(huán)的方案。近些年，越來(lái)越多主機(jī)廠(chǎng)OEM已經(jīng)將控制開(kāi)發(fā)和測(cè)試的工作盡量前置，也就是在MiL（模型在環(huán)）和SiL（軟件在環(huán)）階段就規(guī)劃設(shè)計(jì)大量的測(cè)試場(chǎng)景和測(cè)試工況，通過(guò)前面提到的虛擬模型和控制器模型或代碼結(jié)合，來(lái)初步評(píng)估產(chǎn)品的性能和表現(xiàn)。如圖：

圖表5 – MiL/SiL/HiL的開(kāi)發(fā)流程示例

所以從某種程度上來(lái)講，“虛擬調(diào)試”的方法也是將某些行業(yè)的成熟方案移植到其它行業(yè)從而發(fā)揮作用的一個(gè)具體體現(xiàn)。

PLC作為西門(mén)子的主打產(chǎn)品，已經(jīng)幾乎覆蓋到各行各業(yè)，從單一的小設(shè)備控制，到大型系統(tǒng)的集群控制，都離不開(kāi)PLC的參與。以往在沒(méi)有虛擬仿真，而且也沒(méi)有軟PLC的實(shí)現(xiàn)手段時(shí)，PLC的策略開(kāi)發(fā)工程師只能到實(shí)際設(shè)備上去調(diào)試，可以想象他/她會(huì)碰到各種各樣的問(wèn)題。除了本身調(diào)試過(guò)程要消耗的大量時(shí)間及人力物力成本外，如果程序本身有bug或缺陷，有可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障甚至危險(xiǎn)；而且有些極限工況也沒(méi)法在實(shí)際系統(tǒng)中去試運(yùn)行。

但隨著“工業(yè)4.0”逐漸深入到眾多企業(yè)及工程師的理念中，以及越來(lái)越多的“數(shù)字化雙胞胎”的落地項(xiàng)目證實(shí)了虛擬模型的可信賴(lài)性，因此，對(duì)“虛擬調(diào)試”的需求無(wú)非就是船到橋頭自然直的結(jié)果了。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，從什么階段可以引入虛擬調(diào)試的工作？如圖表 6上半段所示，過(guò)去的開(kāi)發(fā)工作基本要等概念設(shè)計(jì)和工程方案都確定后，并產(chǎn)出原型機(jī)時(shí)，將PLC控制器連到設(shè)備或系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)機(jī)調(diào)試。但現(xiàn)在我們可以通過(guò)成熟的虛擬模型方案和軟PLC結(jié)合，在每個(gè)系統(tǒng)及控制程序的工程方案都確定后，就可以進(jìn)行第一輪的“虛擬”調(diào)試了，而不用等到實(shí)際設(shè)備就位后再開(kāi)展調(diào)試工作。

圖表6 – 虛擬調(diào)試的預(yù)期收益

因此，我們通過(guò)虛擬調(diào)試的方案就可以提前將調(diào)試工作進(jìn)行規(guī)劃，比如一些重要的工況或極限工況，關(guān)注的系統(tǒng)性能指標(biāo)（速度，溫度，流量等），在沒(méi)有實(shí)際產(chǎn)品的階段就可以進(jìn)行一輪充分的虛擬測(cè)試，并評(píng)估PLC控制程序的控制效果。除此之外，被控對(duì)象的表現(xiàn)是否合理，設(shè)計(jì)是否有欠缺或提升的空間，也可以通過(guò)虛擬調(diào)試的初步結(jié)果作為參考。

虛擬調(diào)試案例介紹

基于西門(mén)子現(xiàn)有的軟硬件平臺(tái)，可以將要分析和調(diào)試的系統(tǒng)進(jìn)行建模并和虛擬的軟PLC程序進(jìn)行聯(lián)調(diào)。如下圖圖表 7所示，其中AMESim為被控對(duì)象的仿真模型，PLC的控制程序通過(guò)PLCSimAdv.進(jìn)行模擬，兩個(gè)之間的通訊借由Automation Connect實(shí)現(xiàn)。同時(shí)也可以通過(guò)TIA Portal及WinCC監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或設(shè)定外部運(yùn)行參數(shù)。

圖表7 – 虛擬調(diào)試SiL（軟件在環(huán)）架構(gòu)示意圖

如果需要接入硬件PLC控制器，需要利用SIMIT UNIT將PLC接入到虛擬環(huán)境中即可。當(dāng)然，此時(shí)AMESim的模型也需要進(jìn)行實(shí)時(shí)化才能滿(mǎn)足HiL的調(diào)試要求

圖表8 – 虛擬調(diào)試HiL（硬件在環(huán)）架構(gòu)示意圖

虛擬調(diào)試案例介紹

 大型的數(shù)據(jù)中心目前基本都是靠水冷系統(tǒng)來(lái)維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，確保服務(wù)器始終處在規(guī)定的溫度運(yùn)行區(qū)間。下面圖表 9即為某數(shù)據(jù)中心的水冷系統(tǒng)原理圖，可以看到組成系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括冷卻塔、冷機(jī)、水泵以及閥和各種管路（末端部分沒(méi)有展示）。

圖表9 – 數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)及模型

在這類(lèi)大型水冷系統(tǒng)的調(diào)試中，需要利用PLC控制器根據(jù)不同的末端熱負(fù)荷（即機(jī)房服務(wù)器的發(fā)熱量/溫度）及天氣條件（溫度/濕度）來(lái)調(diào)節(jié)水泵/冷機(jī)/冷塔的運(yùn)行工況點(diǎn)，從而確保機(jī)房溫度達(dá)到控制要求并且能耗達(dá)到最優(yōu)。

首先，在AMESim軟件中，搭建水冷系統(tǒng)的模型，并通過(guò)I/O接口和PLC控制程序通訊。當(dāng)這一套虛擬的水冷循環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)搭建好后，客戶(hù)的PLC工程師就可以在實(shí)機(jī)調(diào)試工作前，預(yù)先對(duì)自己開(kāi)發(fā)的程序進(jìn)行一遍摸底，看看控制效果如何，能不能在不同的熱負(fù)荷下，控住水溫；在不同的濕球溫度，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，水泵轉(zhuǎn)速，不同的閥開(kāi)度情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)性能表現(xiàn)如何；甚至可以將虛擬調(diào)試的這個(gè)平臺(tái)作為系統(tǒng)操作人員培訓(xùn)的一個(gè)工具。

第二個(gè)案例是食品飲料行業(yè)的一種流水線(xiàn)系統(tǒng)，如下圖所示。液體經(jīng)過(guò)配料、摻混、緩沖及罐裝幾個(gè)環(huán)節(jié)后，完成最終的裝瓶。在這個(gè)案例中，不僅有用AMESim模型來(lái)模擬摻混和罐裝的過(guò)程，也借助其它工具來(lái)處理更靠前的原料處理環(huán)節(jié)。（如圖表 10所示）

圖表 10 – 軟飲料罐裝流水線(xiàn)

最終基于集中不同工具的組合，客戶(hù)可以分析不同的配方及成分的組合下的效果；測(cè)試不同的控制下，灌裝的準(zhǔn)確度及速度有什么影響；或者通過(guò)控制程序的調(diào)整去優(yōu)化每個(gè)環(huán)節(jié)，比如縮短每個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間。

最后，我們以一個(gè)非常有意思的虛擬調(diào)試項(xiàng)目來(lái)壓軸。下圖圖表 11為某工業(yè)領(lǐng)域的一種大型供氣系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)從液態(tài)燃料儲(chǔ)存的罐子中通過(guò)離心泵將其泵出，再通過(guò)換熱裝置和緩沖罐等中間環(huán)節(jié)按要求處理好后，才可以供給到末端用戶(hù)。同時(shí)由于儲(chǔ)存罐中液態(tài)的燃料會(huì)蒸發(fā)，因此當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值后，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)啟另一路通路，將蒸發(fā)氣通過(guò)壓縮機(jī)及冷卻裝置處理后，也送到最終用戶(hù)端使用。

圖表11   – 大型供氣系統(tǒng)示意圖

從示意圖中可以看到，其中的閥/泵/壓縮機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是需要PLC進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和控制的?？梢韵胂螅绻麤](méi)有虛擬調(diào)試，那么PLC工程師只能測(cè)一下程序的邏輯是否OK，并不能檢驗(yàn)控制程序結(jié)合供氣系統(tǒng)后實(shí)際閉環(huán)的控制效果如何。

那如果等到整個(gè)系統(tǒng)硬件完全搭建好就差最后一步現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試就可以交付給最終用戶(hù)的時(shí)候，PLC控制工程師再去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，那這個(gè)調(diào)試的周期和成本可能會(huì)很高。光是這套系統(tǒng)運(yùn)行一天的功耗及燃料消耗這些顯性成本就是不小的數(shù)字，而且更為關(guān)鍵的是多調(diào)試一天就意味著這套大型供氣系統(tǒng)的最終用戶(hù)少一天收益。相較之下，如果PLC工程師提前通過(guò)虛擬調(diào)試摸過(guò)底，對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行及控制參數(shù)的關(guān)系經(jīng)過(guò)各種工況的預(yù)先模擬已經(jīng)心里有數(shù)，那么在去到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試前就可以做到心中有數(shù)，可以用最短的時(shí)間完成實(shí)機(jī)調(diào)試，使最終客戶(hù)的收益最大化。

在這個(gè)項(xiàng)目中，根據(jù)客戶(hù)的虛擬調(diào)試需求，定義及規(guī)劃好模型的內(nèi)容以及和PLC的通訊信號(hào)。由于沒(méi)有過(guò)往項(xiàng)目或產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以參考，因此供氣系統(tǒng)模型的輸出是通過(guò)另外一款專(zhuān)業(yè)工藝設(shè)計(jì)軟件提供的計(jì)算結(jié)果來(lái)對(duì)被控對(duì)象模型進(jìn)行驗(yàn)證，確保模型輸出符合預(yù)期。下圖圖表 12即為最終交付的虛擬調(diào)試平臺(tái)：左上為實(shí)際系統(tǒng)的三維展示，右上為客戶(hù)的WinCC界面，左下為AMESim運(yùn)行的動(dòng)態(tài)結(jié)果，右下為Automation Connect的界面。

圖表12 – 大型供氣系統(tǒng)虛擬調(diào)試平臺(tái)

 第二階段在客戶(hù)完成實(shí)際系統(tǒng)臺(tái)架的搭建后（圖表 13），可以直接應(yīng)用第一階段調(diào)試的成果，在實(shí)際臺(tái)架上進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖表13 – 大型供氣系統(tǒng)臺(tái)架（示意圖）

最后，我們甚至還探索了HiL平臺(tái)的虛擬調(diào)試可行性。雖然本文一開(kāi)始就提到這種HiL其實(shí)并不是嚴(yán)格意義上的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但是對(duì)于目前這套系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)過(guò)程并不多也不劇烈的工況下是值得進(jìn)行一番探索的。

因此，我們需要首先對(duì)被控對(duì)象模型進(jìn)行處理，提高求解速度。主要是借助于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練驗(yàn)證好的模型，最終得到簡(jiǎn)化的、求解更快的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型。并且訓(xùn)練后的模型精度也要和訓(xùn)練前盡量吻合。

圖表14   – 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化方法及結(jié)果對(duì)比

控制器這一側(cè)自然是要鏈接實(shí)際的PLC硬件控制器，通過(guò)SIMIT UNIT將S7-1511控制器和簡(jiǎn)化的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)接（還是基于AMESim），具體構(gòu)成如下圖所示

圖表15   – HiL架構(gòu)示例

但HiL平臺(tái)這種虛擬調(diào)試能帶來(lái)多大的收益，目前來(lái)看還不是很確定。需要繼續(xù)積累一些實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，可能才能給出明確的結(jié)論。

從上面介紹的幾個(gè)案例中，我們可以看到在被控對(duì)象模型方面，都是首先搭建滿(mǎn)足調(diào)試需求的系統(tǒng)模型，能表征實(shí)際產(chǎn)品或系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，能在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同命令組合下給出合理準(zhǔn)確的響應(yīng)曲線(xiàn)。這是虛擬調(diào)試的基石所在：PLC控制的系統(tǒng)紛繁復(fù)雜，通常是“機(jī)電熱液磁”的多物理領(lǐng)域的耦合作用結(jié)果，因此要抓住系統(tǒng)運(yùn)行的背后本質(zhì)，就需要對(duì)發(fā)生的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和理解，最終落實(shí)到建模的手段和方法上，只有這樣才能最終通過(guò)模型來(lái)準(zhǔn)確表現(xiàn)/復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的表現(xiàn)?；跍?zhǔn)確的模型，PLC的虛擬調(diào)試才有意義，才可以在實(shí)際系統(tǒng)到位前先一步檢驗(yàn)控制策略及系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足要求，才可以嘗試特殊工況來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行在極限工況點(diǎn)的表現(xiàn)，才可以確實(shí)縮短總體調(diào)試時(shí)間，讓產(chǎn)品盡早投入使用或運(yùn)營(yíng)。

虛擬調(diào)試的未來(lái)拓展

數(shù)字化雙胞胎的落地實(shí)施已經(jīng)越來(lái)越有顯著的收益，而且隨著數(shù)字化虛擬模型的準(zhǔn)確度及運(yùn)行速度也越來(lái)越高（甚至利用AI降階的模型都不需要考慮模型求解速度），虛擬調(diào)試勢(shì)必可以應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。而且不只是基于元部件或系統(tǒng)的虛擬調(diào)試，利用AI相關(guān)的技術(shù)手段，結(jié)合更多的仿真手段如CFD仿真和3D仿真，包括像工業(yè)邊緣Edge的支持等，可以實(shí)現(xiàn)諸如虛擬傳感器，預(yù)測(cè)性維護(hù)等拓展應(yīng)用。（如圖表 16所示）

圖表16 – 虛擬調(diào)試的拓展：結(jié)合工業(yè)邊緣Edge

總之，通過(guò)上述文字的介紹可以看到從虛擬調(diào)試的概念提出到落地是一個(gè)非常迅速的過(guò)程，無(wú)論是國(guó)內(nèi)國(guó)外都已經(jīng)有很多成熟的落地案例，而且還在持續(xù)地高速增長(zhǎng)；另外，其覆蓋的行業(yè)范圍也是越來(lái)越廣，畢竟PLC所覆蓋的全行業(yè)領(lǐng)域理論上都是可以引入虛擬調(diào)試來(lái)提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率。