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　　最近幾年，有關工業軟件發展的討論成為了產業的熱門話題。工業軟件，就其本質而言，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，使得現在機器本身也變得復雜，傳統上的單領域建模工具已經無法勝任現代復雜工程系統整體性能的分析與優化，因此，多領域統一建模與協同仿真的需求也是越來越明顯。

　　文/貝加萊工業自動化(中國)有限公司

　　1 工業軟件是高質量發展的必然需求

　　最近幾年，有關工業軟件發展的討論成為了產業的熱門話題。工業軟件受到重視，國家倡導“高質量發展”，這不僅是一種政策的指導，也同時是產業發展到一定階段的自發覺醒，而工業軟件得到重視正是這一覺醒中的必然事件。

　　如圖1所理解，高質量發展意味著：①從傳統依靠規模化的低端產品復制，轉向高端制造，并以更為精深專業、創新性來贏得全球市場的競爭。②是從原有的代工、購買設備產線的終端產品生產，延伸到價值含量更高的上游裝備、材料領域的產業鏈整體升級。③它也預示著產業將從過去的依靠低價快速搶奪市場，轉向更為長遠的可持續發展戰略的轉型。

圖1 產業高質量發展的轉型升級三個方面

　　2 基于模型的開發(MBD)

　　工業軟件，就其本質而言，就是“知識的復用”。它將我們在裝備與系統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，被更多的企業使用，從而整體降低研發成本，縮短裝備的研發周期。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對象方式，組織裝備的應用軟件。

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

　　而以裝備制造業為例，工業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開發平臺類軟件。這些機電系統建模仿真類的軟件，對于虛擬調試、快速成型設計、開發復雜的控制結構、硬件在環測試(HIL)、統計分析等有著非常大的幫助。

圖2 建模仿真在機器開發中的作用

　　圖2列舉了建模仿真的作用與好處，它可以加速產品開發的過程、提升產品研發的品質、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)、更為直觀的三維呈現。

　　3 協同仿真——多領域耦合系統開發

　　貝加萊，一直致力于機電裝備的智能化應用開發，早在2008年貝加萊與Mathworks合作開發了Automation Studio Target for Simulink的接口。這使得MATLAB?/Simulink?和Automation Studio仿真和開發工具之間形成了快速的連接。在Simulink中經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，并實現硬件在環測試(Hardware In the Loop)。

　　之后，貝加萊又與MapleSoft合作，該公司的MapleSim可以創建機器的高精度動態模型，它基于STEP格式的CAD數據。由于所有力和扭矩都經過精確建模，因此該模型可以用作組件設計的數字孿生。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

　　為了獲得在產線過程仿真方面的協同，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協同，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，并可以從其獲得數據反饋，以及給出控制指令，來實現仿真，以發現在機械設計中所存在的問題。

　　4 Modelica及FMU/FMI

　　隨著機器產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。

　　傳統上的單領域建模工具已經無法勝任現代復雜工程系統整體性能分析與優化。因此，多領域統一建模與協同仿真的需求也是越來越明顯。因此，形成了以Modelica為代表的多領域統一建模規范語言的需求。而且，為了使得各個建模仿真軟件之間能夠協同，統一的標準接口也是必要的。

　　Modelica是一種面向對象的物理模型建模語言，它允許用戶使用圖形符號開發復雜的仿真模型。每個圖形符號代表一個物理對象。Modelica適用于大規模復雜異構物理系統建模，描述機械、電氣工程、電子、熱力學、液壓和氣動、閉環控制和過程控制等領域的跨學科問題。Modelica的主要優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協會則是對語言進行定義，并構建了在多領域模型協作間的FMU/FMI接口規范與標準。

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)，以及可選的參數表、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，FMU/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，以實現協同仿真。

　　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進行仿真測試，并形成整個控制模型，并對其最優控制參數進行優化。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開發環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系統進行工作。這在跨學科發展過程中節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同工作，使得機器的開發變得更為動態、協同，并可構建數字孿生系統，來實現模型交互，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。