最近幾年，有關(guān)工業(yè)軟件發(fā)展的討論成為了產(chǎn)業(yè)的熱門(mén)話題。工業(yè)軟件，就其本質(zhì)而言，就是“知識(shí)的復(fù)用”。由于材料的復(fù)雜性增強(qiáng)、機(jī)器的流程變得復(fù)雜，以及更多的檢測(cè)和控制量，使得現(xiàn)在機(jī)器本身也變得復(fù)雜，傳統(tǒng)上的單領(lǐng)域建模工具已經(jīng)無(wú)法勝任現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)整體性能的分析與優(yōu)化，因此，多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與協(xié)同仿真的需求也是越來(lái)越明顯。

　　文/貝加萊工業(yè)自動(dòng)化(中國(guó))有限公司

　　1 工業(yè)軟件是高質(zhì)量發(fā)展的必然需求

　　最近幾年，有關(guān)工業(yè)軟件發(fā)展的討論成為了產(chǎn)業(yè)的熱門(mén)話題。工業(yè)軟件受到重視，國(guó)家倡導(dǎo)“高質(zhì)量發(fā)展”，這不僅是一種政策的指導(dǎo)，也同時(shí)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定階段的自發(fā)覺(jué)醒，而工業(yè)軟件得到重視正是這一覺(jué)醒中的必然事件。

　　如圖1所理解，高質(zhì)量發(fā)展意味著：①?gòu)膫鹘y(tǒng)依靠規(guī)?；牡投水a(chǎn)品復(fù)制，轉(zhuǎn)向高端制造，并以更為精深專(zhuān)業(yè)、創(chuàng)新性來(lái)贏得全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。②是從原有的代工、購(gòu)買(mǎi)設(shè)備產(chǎn)線的終端產(chǎn)品生產(chǎn)，延伸到價(jià)值含量更高的上游裝備、材料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈整體升級(jí)。③它也預(yù)示著產(chǎn)業(yè)將從過(guò)去的依靠低價(jià)快速搶奪市場(chǎng)，轉(zhuǎn)向更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)型。

圖1 產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級(jí)三個(gè)方面

　　2 基于模型的開(kāi)發(fā)(MBD)

　　工業(yè)軟件，就其本質(zhì)而言，就是“知識(shí)的復(fù)用”。它將我們?cè)谘b備與系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的工藝知識(shí)、算法、工程方法、運(yùn)營(yíng)操作等，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化封裝，被更多的企業(yè)使用，從而整體降低研發(fā)成本，縮短裝備的研發(fā)周期。這種復(fù)用降低了重新試錯(cuò)的成本，也擴(kuò)展了知識(shí)的使用，使得工程師可以以面向?qū)ο蠓绞?，組織裝備的應(yīng)用軟件。

　　基于模型的開(kāi)發(fā)(Modeling-Based Development)，正是工業(yè)軟件的應(yīng)用場(chǎng)景，首先，它能夠以用戶需求為導(dǎo)向，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)裝備的應(yīng)用。其次，它為企業(yè)裝備產(chǎn)品長(zhǎng)期的可持續(xù)性發(fā)展構(gòu)建了平臺(tái)，第三，它降低了研發(fā)投入，使得裝備更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　而以裝備制造業(yè)為例，工業(yè)軟件涵蓋了在設(shè)計(jì)階段所需的CAD/CAE、物理仿真類(lèi)(機(jī)械、電氣、流體、熱場(chǎng)、電磁、光學(xué)等)，以及在裝備控制與運(yùn)行所需的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)類(lèi)軟件。這些機(jī)電系統(tǒng)建模仿真類(lèi)的軟件，對(duì)于虛擬調(diào)試、快速成型設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)、硬件在環(huán)測(cè)試(HIL)、統(tǒng)計(jì)分析等有著非常大的幫助。

圖2 建模仿真在機(jī)器開(kāi)發(fā)中的作用

　　圖2列舉了建模仿真的作用與好處，它可以加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程、提升產(chǎn)品研發(fā)的品質(zhì)、降低物理測(cè)試驗(yàn)證成本、并可以通過(guò)封裝形成知識(shí)復(fù)用(基于CBD思想的軟件開(kāi)發(fā))、更為直觀的三維呈現(xiàn)。

　　3 協(xié)同仿真——多領(lǐng)域耦合系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

　　貝加萊，一直致力于機(jī)電裝備的智能化應(yīng)用開(kāi)發(fā)，早在2008年貝加萊與Mathworks合作開(kāi)發(fā)了Automation Studio Target for Simulink的接口。這使得MATLAB?/Simulink?和Automation Studio仿真和開(kāi)發(fā)工具之間形成了快速的連接。在Simulink中經(jīng)過(guò)測(cè)試的模型可以通過(guò)自動(dòng)代碼生成(Automatic Code Generation)，生成的C、C++和結(jié)構(gòu)文本(IEC 61131-3中指定的)代碼，可以直接導(dǎo)入到貝加萊Automation Studio中，并實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)測(cè)試(Hardware In the Loop)。

　　之后，貝加萊又與MapleSoft合作，該公司的MapleSim可以創(chuàng)建機(jī)器的高精度動(dòng)態(tài)模型，它基于STEP格式的CAD數(shù)據(jù)。由于所有力和扭矩都經(jīng)過(guò)精確建模，因此該模型可以用作組件設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生。MapleSim的模型可以被導(dǎo)入到Automation Studio與控制任務(wù)耦合，形成快速的協(xié)同仿真，以及快速原型設(shè)計(jì)。

圖3 貝加萊的多領(lǐng)域建模仿真軟件的合作

　　為了獲得在產(chǎn)線過(guò)程仿真方面的協(xié)同，貝加萊還與IndustrialPhysics合作，使得其過(guò)程仿真的模型可以與控制任務(wù)實(shí)現(xiàn)協(xié)同，并對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行控制。

　　如圖3所示，貝加萊Automation Studio可以在硬件、機(jī)器、過(guò)程三個(gè)層級(jí)與多種不同的建模仿真軟件形成交互。

圖4 IndustrialPhysisc里的機(jī)械模型

　　如圖4，貝加萊通過(guò)與IndustrialPhysics的合作，將注入機(jī)械常用的飛鋸、涂裝、鉆孔、包裝等構(gòu)件機(jī)械模型，并可以從其獲得數(shù)據(jù)反饋，以及給出控制指令，來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，以發(fā)現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)中所存在的問(wèn)題。

　　4 Modelica及FMU/FMI

　　隨著機(jī)器產(chǎn)品的復(fù)雜性不斷增強(qiáng)，早期的機(jī)器僅機(jī)械的傳動(dòng)即可，針對(duì)的主要是單一產(chǎn)品;而今天，由于材料的復(fù)雜性增強(qiáng)、機(jī)器的流程變得復(fù)雜，以及更多的檢測(cè)和控制量，使得機(jī)器本身也變得復(fù)雜。

　　傳統(tǒng)上的單領(lǐng)域建模工具已經(jīng)無(wú)法勝任現(xiàn)代復(fù)雜工程系統(tǒng)整體性能分析與優(yōu)化。因此，多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與協(xié)同仿真的需求也是越來(lái)越明顯。因此，形成了以Modelica為代表的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模規(guī)范語(yǔ)言的需求。而且，為了使得各個(gè)建模仿真軟件之間能夠協(xié)同，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口也是必要的。

　　Modelica是一種面向?qū)ο蟮奈锢砟Ｐ徒ＵZ(yǔ)言，它允許用戶使用圖形符號(hào)開(kāi)發(fā)復(fù)雜的仿真模型。每個(gè)圖形符號(hào)代表一個(gè)物理對(duì)象。Modelica適用于大規(guī)模復(fù)雜異構(gòu)物理系統(tǒng)建模，描述機(jī)械、電氣工程、電子、熱力學(xué)、液壓和氣動(dòng)、閉環(huán)控制和過(guò)程控制等領(lǐng)域的跨學(xué)科問(wèn)題。Modelica的主要優(yōu)點(diǎn)在于處理方程而不是賦值-給用戶直接的好處就是，它很通用。

　　Modelica協(xié)會(huì)則是對(duì)語(yǔ)言進(jìn)行定義，并構(gòu)建了在多領(lǐng)域模型協(xié)作間的FMU/FMI接口規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 FMI標(biāo)志

　　FMU功能模擬單元(Functional Mock-up Unit)，是一個(gè)*.Zip文件，包括了XML描述文件，用于描述FMU中的變量定義，一個(gè)模型中使用的所有公式(C函數(shù))，以及可選的參數(shù)表、用戶界面、模型所需的文檔。

　　FMI則是用于交互FMU的標(biāo)準(zhǔn)化接口，F(xiàn)MU/FMI通過(guò)模擬合并和顯示各種組件，使得他們能夠以復(fù)雜的方式交互。圖5為FMI接口的標(biāo)志，它代表功能模擬接口(Functional Mock-up Interface)

　　在2016年，貝加萊在Automation Studio中集成了FMU/FMI的導(dǎo)入功能，通過(guò)這一接口，可以使得機(jī)電仿真的代碼和描述可以被導(dǎo)入到Automation Studio平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真。

　　5 FMU/FMI應(yīng)用——以MapleSim為例

　　在圖6中，我們可以在MapleSoft公司的軟件MapleSim中建立起AGV的運(yùn)行過(guò)程，以及它的舵輪電機(jī)角度與位置控制的模型。

圖7 導(dǎo)出FMU模塊的界面

　　在這個(gè)過(guò)程中，可以對(duì)AGV運(yùn)動(dòng)對(duì)象的摩擦力等物理參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試，并形成整個(gè)控制模型，并對(duì)其最優(yōu)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。然后在如圖7中，由MapleSim軟件中的B&R Automation Studo的FMU生成器界面，可以在這里導(dǎo)出為FMU模塊，它包括了模型的代碼和描述文件。

圖8 Automation Studio中的FMU導(dǎo)入

　　在Automation Studio中，可以將此FMU導(dǎo)入，如圖8所示。在Automation Studio中，這個(gè)模型將作為一個(gè)對(duì)象，可以被控制器任務(wù)來(lái)進(jìn)行調(diào)用。

圖9 FUM/FMI導(dǎo)入到Automation Studio后的應(yīng)用

　　6 Automation Studio對(duì)FMI 2.0導(dǎo)出功能的集成

　　在2022年，最新的Automation Studio 4.12版本中，貝加萊為其增強(qiáng)了FMI2.0導(dǎo)出功能。

　　貝加萊為其 Automation Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境添加了一項(xiàng)新功能。借助 FMU 導(dǎo)出功能，機(jī)器代碼可以作為 PLC 仿真導(dǎo)出并集成到任何仿真工具中，讓仿真專(zhuān)家能夠自由地選擇他們的熟悉的軟件生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行工作。這在跨學(xué)科發(fā)展過(guò)程中節(jié)省了寶貴的時(shí)間和資源。

　　FMU/FMI標(biāo)準(zhǔn)，建立了機(jī)電軟件之間的協(xié)同工作，使得機(jī)器的開(kāi)發(fā)變得更為動(dòng)態(tài)、協(xié)同，并可構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)模型交互，除了FMU/FMI接口外，貝加萊還支持在模型之間通過(guò)OPC UA的模型交互接口方式。

　　在未來(lái)，我們將會(huì)繼續(xù)與大家分享，貝加萊在建模仿真方面與MATLAB/Simulink、MapleSim、IndustrialPhysics方面的案例介紹。