摘要：数字孪生将现实世界中的资产与虚拟模型整合在一起，在从设计优化到预测性维护的整个资产生命周期中支持数据驱动型决策。控制工程师应了解采用数字孪生技术来仿真过程会为企业带来哪些好处。

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作者 | Suzanne Gill

数字孪生将现实世界中的资产与虚拟模型整合在一起，在从设计优化到预测性维护的整个资产生命周期中支持数据驱动型决策。控制工程师应了解采用数字孪生技术来仿真过程会为企业带来哪些好处。

数字孪生集成了数字世界和现实世界，允许在资产、工厂或过程的整个生命周期内，在所有功能和级别上做出数据驱动的决策。它实现了对数据的实时监控、仿真和分析，这有助于理解和预测过程性能。

01 数字孪生技术的优势

Festo的产品经理Josh Roberts表示：“数字孪生使控制工程师在开发初期，就能仿真机器的虚拟模型。这包括结合应用数据来评估设计，以确保利用最节能的组件，设计出合适的解决方案。”

由此产生的虚拟模型还可以结合软件开发，复制解决方案的物理功能，并评估物理机器的效率/输出。虚拟模型内的仿真，还可以确保在创建物理模型之前，识别并纠正任何错误。

数字孪生可以在整个机器生命周期中带来好处。Roberts说：“例如，机器内的每个子组件都拥有大量信息，这些信息都可以在数字孪生中编译。这样就无需在整个业务中以不同格式存储信息，而是将所有这些数据集中到一个中心位置。”

为了实现这一点，针对供应商信息的标准化资产管理外壳（AAS）格式可确保以结构化的格式捕获和提供所有信息，从而有助于减少创建文档所花费的时间，并为将来在这些数据上实施算法提供了可能性。

在未来，可能实现数字孪生的增值服务，例如机器内部子组件的状态监测。当指定组件达到规定的循环次数（在标准化的AAS内）时，该功能可以自动提供消息，甚至可以订购备件。

下一步是实施人工智能，在机器运行时检测机器内部的异常，并以完全预测性的维护方法提供纠正措施，以提高整体设备效率（OEE）。

02 阻碍数字孪生实施的主要障碍

Roberts指出了阻碍制造企业实施数字孪生的四个主要障碍：

性能：仿真的可靠性和鲁棒性；确保在数字孪生中建模的所有组件都能达到应用参数；供应商的选型工具提供模型所用的数据，以及在应用数据变更时能确定会发生什么的参数。

组织：业务领域内的专家和专业知识；必须愿意投资于提高员工技能，同时重组劳动力和项目方法。

开发：跨多个平台的数据标准化是关键；标准化的AAS格式提供了框架，但所有供应商都需要遵守这一标准。

安全：网络安全是许多终端用户关注的核心问题；需要找到一种解决方案，将人工智能应用于该领域的预防性和预测性维护增值服务。

03 从验证初始设计概念到进行控制测试

罗克韦尔自动化EMEA数字工程专家Arianna Locatelli表示，许多控制工程师已经在实际应用中广泛采用数字孪生，包括从验证初始设计概念到进行控制测试的各个阶段。她说：“这些应用背后的主要动机是降低风险。例如，为了减少现场调试时间，工程师仿真复杂的生产过程，以评估控制系统与数字系统的性能。”

Locatelli认为，数字孪生不仅仅是一个3D动画。例如，罗克韦尔自动化公司的Emulate3D数字孪生软件等系统，利用物理原理进行更详细的仿真。它可以确定产品在掉落前，在输送机上移动的最大速度。它还可以分析复杂系统内的相互作用以及问题（如包装机中的堵塞）在整个系统中传播的速度。如果是新配置或非常复杂的设置，仿真系统将带来很多好处。

在控制测试阶段，工程师可以在构建物理系统的同时开发代码来控制仿真。现场调试通常是项目完成前的最后一步，通常是项目最关键的阶段。因此，如果可以缩短，那么项目可以更快地启动。Locatelli说：“一般来说，在去现场之前，软件测试工程师做的越多越好。”

04 绿地和棕地项目应用的不同特点

西门子公司过程工业软件产品管理负责人Jan Rougoor认为，数字孪生技术可以应用于新建的绿地项目，也可以应用于现有的棕地项目。他说：“对于过程工业的绿地项目，数字孪生可以在工程阶段自动创建。通过仿真进行初始过程建模可以优化过程设计。”

这些数据可进一步用于创建详细的图表，描述工厂中的过程和设备。如果随后将数据连接到自动化工程和仿真系统，那么为工厂项目和后续操作中的各个专业创建数字孪生模型就非常容易，并且可以使用仿真软件进行虚拟调试。虚拟现实工具还可以对人员进行早期培训，这有助于加快调试。

在棕地项目中，由于有大量分散的老旧数据和文档，事情可能会有点困难。Rougoor进一步解释说：“在这里，人们可以从使用基于人工智能的工具开始，将通常未知或未使用的信息整合到基于云的数字孪生门户中。这可以作为重要决策的基础，以提高生产率，发现投资现代化的最佳领域，或将来自整个工厂不同来源的信息连接起来，以找到降低成本的环节，或以更少的能耗或更低的碳足迹来运行工厂及其过程。”

在讨论可能需要克服的障碍以充分利用数字孪生技术时，Rougoor强调了数据和系统集成标准化的必要性，这是确保有效利用数字孪生技术所必须的。工程师必须确保不同系统之间的兼容性，并持续维护这些数字孪生系统。来自旧工厂的大多数数据，都是由来自不同供应商的独立应用以工程系统、过程控制系统、制造执行或资产管理系统的形式存储和管理的。

此外，大部分工厂的技术文档和数据通常只能以纸质形式提供。这种分散和异构的系统环境，导致数据质量和一致性较低，而且容易形成数据孤岛，使数据驱动的决策变得困难。随着运营智能软件的集成，来自不同数据源的数据现在可以整合并链接到实时工厂信息系统，以确保所有系统的数据都能清晰有效地可视化。然后，可以如上所述来创建和使用棕地工厂过程和生产的数字孪生。

数字孪生技术将为企业带来诸多好处，包括提高过程效率、降低运营成本、提高生产质量、优化能耗或降低碳足迹和成本。数字孪生应用似乎也能在降低能源成本和监测排放方面发挥关键作用。未来，人工智能似乎将接管更多任务，将它们从真实的工厂转移到虚拟环境中。此外，数字孪生将促进战略伙伴关系和生态系统的全球合作，打破行业内不同领域之间的障碍。

关键概念：

■ 了解数字孪生可以为控制工程师做些什么。

■ 标准化的数据格式和人工智能集成，简化了数字孪生的实施，带来诸如提高效率、降低成本和预测性维护功能等好处。

数字孪生可以为制造企业带来哪些好处？

来源：控制工程中文版