模拟需要克服感知复杂性和信任问题

欧洲控制工程要求行业专家为他们的看法有关效益仿真技术可能会在过程和制造业提供，以及关于采用技术的进展。

问:模拟技术是否被广泛应用于工艺或制造部门的操作?如果是，为什么?在什么类型的应用程序中?

西门子过程自动化模拟中心负责人Mathias Oppelt博士:是的，仿真技术可以沿着过程和制造工厂的生命周期被视为最先进的。首先使用流程仿真工具首先支持该过程。接下来需要通过模拟来支持工厂的工程。例如，为了验证构造或通过虚拟调试支持自动化系统的工程和验证。此外，工厂的操作员可以在现实的模拟器环境中培训，由植物和工艺的高保真模型以及原始的自动化逻辑和图形组成。最后，在工厂操作期间，可以应用仿真。它们的共同之处是它们基于植物过程的严格数学模型，然后将其应用于进行优化计算的数值溶剂。

在生命周期中使用模拟或基于模型的技术的总体原因是支持决策过程，从而降低风险和提高效率。

Ronnie Baines，导演，流程仿真和数码双欧洲，艾默生：模拟在过程工业中应用已有多年。然而，从历史上看，它被视为一种昂贵的技术，难以维护，因此只适用于最终用户的子集。

最近，我们已经看到技术变得更加访问，适用于所有流程行业，以及更容易维护。这导致它应用于许多不同的应用程序。艾默生的数码双生命周期概念概述了如何应用该技术。它描述了如何利用和建立工艺初始稳态设计模型（几乎所有流程的过程中的过程，以开发工厂的植物广泛的动态模拟。这允许将其用于设计审查，工程研究，程序开发，控制系统验证，虚拟调试，能力评估等应用程序，以及最重要的是作为运营决策支持工具。

ANSYS首席技术官Prith Banerjee:我们看到仿真被广泛应用于流程和制造领域，对各种流程进行建模，以优化纸浆和纸张或石油和天然气等连续流程自动化以及汽车和航空航天等离散制造自动化的设计参数。仿真也被用来建模控制系统，如dcs, plc和驱动器，驱动这样的过程工厂和离散自动化。

问:如何将模拟技术集成到遗留过程和控制系统中?是否需要额外的技术/硬件来确保它的成功集成?

Oppelt:第一种方法是使用原始的硬件控制器，并将它们连接到模拟器，以表示连接的I/O、设备和进程。这种设置称为硬件在环，它需要一个硬件设备来模拟控制器期望与之通信的总线参与者。这种设置首先依赖于总线协议，然后依赖于控制器。第二种选择是使用能够运行原始控制器逻辑的仿真控制器。这种设置称为软件在环，它不需要额外的硬件。仿真器通常可以在普通的PC上运行，这也需要执行植物行为的仿真模型。模拟与在环中的硬件配置相同，但它直接与虚拟控制器对话。

这些虚拟控制器通常是专有的，因为它们只能模拟特定的控制器类型。该第二配置通常具有一些附加优势，因为仿真控制器还可以支持快照等功能，以便随时保存和加载状态，并在虚拟时间内运行，支持快速和慢速模式。

有时你还可以找到第三种配置，其中控制系统完全在仿真系统中实现。这种配置用于更通用的模拟器，其中不需要表示精确的设备和控制行为。

贝恩斯:仿真为遗留系统提供了两种独特的解决方案。首先，我们可以开发一个过程的仿真，并将其集成到遗留控制系统的副本中。这提供了一个遗留系统的“复制品”，可以用于培训和消除过程中的瓶颈。艾默生的Mimic仿真框架允许本地连接到大量的第三方控制系统。

Banerjee：对于遗留系统，用户通过拍摄商店地板和建立CAD模型来构建其植物的数字双胞胎。这允许它们构建模拟模型，以使用人工智能和机器学习技术匹配实验结果。一旦建造了这些数字双胞胎，他们就被用于改善各种植物的操作设备效率（OEE）度量。

问:在工业应用中，模拟技术实施的障碍是什么?您认为这些障碍将如何克服?

Oppelt:仿真技术的应用还存在一些障碍。第一个障碍是创建模拟模型所需要的努力。这可能会非常耗时，需要高度熟练的领域专家。因此，减少模型生成工作的一切都可能支持模拟的更广泛使用。例如，现在可以通过重用来自控制系统或工厂工程工具(如p&id)的信息，在很大程度上生成虚拟调试模型。其他有价值的工具是现成的库组件，它允许模型生成练习只关注整个系统的设置，而不是单个组件的建模。

可以通过非建模专家使用进一步的益处来生成模拟工具，更直观地使用。例如，如果模型配备了简化的GUI，它支持非专家的专用模拟，它将打开基于模拟的决策空间，以在组织内的整个新的一群人。

底层仿真技术 - 如数值求解器 - 对于大多数工程问题而言已经成熟，尽管如此，如果这些问题可以获得更高的准确性，并且可能导致更多的仿真项目。

最后，最关键的因素始终是信任。通过模拟做出的决定需要被用户、管理层和认证机构(如TÜV或FDA)信任。已经有很好的例子表明，与认证机构的早期合作能够带来高回报。如今，缺乏信心似乎是采用模拟技术的最大障碍之一，尽管大多数领域的技术已经非常先进，但现在需要解决的是人的因素。

贝恩斯:我认为最大的障碍是对近年来模拟技术发展的认识，以及对其发展难度的认识。传统上，它被认为是昂贵的，在其用途上受到限制，并且只得到少数专家资源的支持。随着更好的仿真技术、更好的硬件性能和工具的出现，这种情况已经发生了改变，这些工具已经被开发来创建、利用和维护仿真解决方案，以确保设备生命周期的每个阶段的投资回报最大化。

重用仿真模型——从设计到运营支持——使与生产系统的对齐成为自动化活动，是消除这些障碍的一些方法。这样做有助于突出模拟将给项目和操作带来的实际价值，独立于过程。

Banerjee：在工业应用中采用模拟技术的障碍是遗留的过程工厂，其中原始的CAD模型不可用。另一个常见的障碍是尚未使用物联网技术连接到物联网平台的工厂。然而，一旦它们连接起来，就有可能建立精确的基于模拟的数字孪生模型。

本文最初出现在控制工程欧洲网站．由Keagan Gay，Digital Media和Production Coordinator，CFE媒体编辑，kgay@cfemedia.com．