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

　　文/貝加萊工業(yè)自動化(中國)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，有關工業(yè)軟件發(fā)展的討論成為了產(chǎn)業(yè)的熱門話題。工業(yè)軟件受到重視，國家倡導“高質(zhì)量發(fā)展”，這不僅是一種政策的指導，也同時是產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定階段的自發(fā)覺醒，而工業(yè)軟件得到重視正是這一覺醒中的必然事件。

　　如圖1所理解，高質(zhì)量發(fā)展意味著：①從傳統(tǒng)依靠規(guī)?；牡投水a(chǎn)品復制，轉(zhuǎn)向高端制造，并以更為精深專業(yè)、創(chuàng)新性來贏得全球市場的競爭。②是從原有的代工、購買設備產(chǎn)線的終端產(chǎn)品生產(chǎn)，延伸到價值含量更高的上游裝備、材料領域的產(chǎn)業(yè)鏈整體升級。③它也預示著產(chǎn)業(yè)將從過去的依靠低價快速搶奪市場，轉(zhuǎn)向更為長遠的可持續(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)型升級三個方面

　　2 基于模型的開發(fā)(MBD)

　　工業(yè)軟件，就其本質(zhì)而言，就是“知識的復用”。它將我們在裝備與系統(tǒng)設計過程中的工藝知識、算法、工程方法、運營操作等，通過標準化封裝，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。這種復用降低了重新試錯的成本，也擴展了知識的使用，使得工程師可以以面向?qū)ο蠓绞?，組織裝備的應用軟件。

　　基于模型的開發(fā)(Modeling-Based Development)，正是工業(yè)軟件的應用場景，首先，它能夠以用戶需求為導向，創(chuàng)新性的設計裝備的應用。其次，它為企業(yè)裝備產(chǎn)品長期的可持續(xù)性發(fā)展構建了平臺，第三，它降低了研發(fā)投入，使得裝備更具市場競爭力。

　　而以裝備制造業(yè)為例，工業(yè)軟件涵蓋了在設計階段所需的CAD/CAE、物理仿真類(機械、電氣、流體、熱場、電磁、光學等)，以及在裝備控制與運行所需的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺類軟件。這些機電系統(tǒng)建模仿真類的軟件，對于虛擬調(diào)試、快速成型設計、開發(fā)復雜的控制結構、硬件在環(huán)測試(HIL)、統(tǒng)計分析等有著非常大的幫助。

圖2 建模仿真在機器開發(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)品開發(fā)的過程、提升產(chǎn)品研發(fā)的品質(zhì)、降低物理測試驗證成本、并可以通過封裝形成知識復用(基于CBD思想的軟件開發(fā))、更為直觀的三維呈現(xiàn)。

　　3 協(xié)同仿真——多領域耦合系統(tǒng)開發(fā)

　　貝加萊，一直致力于機電裝備的智能化應用開發(fā)，早在2008年貝加萊與Mathworks合作開發(fā)了Automation Studio Target for Simulink的接口。這使得MATLAB?/Simulink?和Automation Studio仿真和開發(fā)工具之間形成了快速的連接。在Simulink中經(jīng)過測試的模型可以通過自動代碼生成(Automatic Code Generation)，生成的C、C++和結構文本(IEC 61131-3中指定的)代碼，可以直接導入到貝加萊Automation Studio中，并實現(xiàn)硬件在環(huán)測試(Hardware In the Loop)。

　　之后，貝加萊又與MapleSoft合作，該公司的MapleSim可以創(chuàng)建機器的高精度動態(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)過精確建模，因此該模型可以用作組件設計的數(shù)字孿生。MapleSim的模型可以被導入到Automation Studio與控制任務耦合，形成快速的協(xié)同仿真，以及快速原型設計。

圖3 貝加萊的多領域建模仿真軟件的合作

　　為了獲得在產(chǎn)線過程仿真方面的協(xié)同，貝加萊還與IndustrialPhysics合作，使得其過程仿真的模型可以與控制任務實現(xiàn)協(xié)同，并對這些對象進行控制。

　　如圖3所示，貝加萊Automation Studio可以在硬件、機器、過程三個層級與多種不同的建模仿真軟件形成交互。

圖4 IndustrialPhysisc里的機械模型

　　如圖4，貝加萊通過與IndustrialPhysics的合作，將注入機械常用的飛鋸、涂裝、鉆孔、包裝等構件機械模型，并可以從其獲得數(shù)據(jù)反饋，以及給出控制指令，來實現(xiàn)仿真，以發(fā)現(xiàn)在機械設計中所存在的問題。

　　4 Modelica及FMU/FMI

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

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

　　Modelica是一種面向?qū)ο蟮奈锢砟Ｐ徒ＵZ言，它允許用戶使用圖形符號開發(fā)復雜的仿真模型。每個圖形符號代表一個物理對象。Modelica適用于大規(guī)模復雜異構物理系統(tǒng)建模，描述機械、電氣工程、電子、熱力學、液壓和氣動、閉環(huán)控制和過程控制等領域的跨學科問題。Modelica的主要優(yōu)點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)會則是對語言進行定義，并構建了在多領域模型協(xié)作間的FMU/FMI接口規(guī)范與標準。

圖5 FMI標志

　　FMU功能模擬單元(Functional Mock-up Unit)，是一個*.Zip文件，包括了XML描述文件，用于描述FMU中的變量定義，一個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的標準化接口，F(xiàn)MU/FMI通過模擬合并和顯示各種組件，使得他們能夠以復雜的方式交互。圖5為FMI接口的標志，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的導入功能，通過這一接口，可以使得機電仿真的代碼和描述可以被導入到Automation Studio平臺，以實現(xiàn)協(xié)同仿真。

　　5 FMU/FMI應用——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的運行過程，以及它的舵輪電機角度與位置控制的模型。

圖7 導出FMU模塊的界面

　　在這個過程中，可以對AGV運動對象的摩擦力等物理參數(shù)進行仿真測試，并形成整個控制模型，并對其最優(yōu)控制參數(shù)進行優(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導入

　　在Automation Studio中，可以將此FMU導入，如圖8所示。在Automation Studio中，這個模型將作為一個對象，可以被控制器任務來進行調(diào)用。

圖9 FUM/FMI導入到Automation Studio后的應用

　　6 Automation Studio對FMI 2.0導出功能的集成

　　在2022年，最新的Automation Studio 4.12版本中，貝加萊為其增強了FMI2.0導出功能。

　　貝加萊為其 Automation Studio開發(fā)環(huán)境添加了一項新功能。借助 FMU 導出功能，機器代碼可以作為 PLC 仿真導出并集成到任何仿真工具中，讓仿真專家能夠自由地選擇他們的熟悉的軟件生態(tài)系統(tǒng)進行工作。這在跨學科發(fā)展過程中節(jié)省了寶貴的時間和資源。

　　FMU/FMI標準，建立了機電軟件之間的協(xié)同工作，使得機器的開發(fā)變得更為動態(tài)、協(xié)同，并可構建數(shù)字孿生系統(tǒng)，來實現(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OPC UA的模型交互接口方式。

　　在未來，我們將會繼續(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。