摘要
智能化、个性化制造和基于数据的信息设计越来越成为未来生产的主流模式。本文主要探索面向工程机械行业数字孪生技术，西门子数字孪生的特点、实施工具，数字孪生里的核心技术虚拟调试的介绍，以及数字孪生技术的优势。通过“虚—虚”“虚—实”结合对复杂产品生产过程透明化，能形成一种闭环带有反馈在整个产品生命周期过程中，对产品和生产工艺进行反复的修改和验证，并把结果映射到真实的物理环境中去，从而在控制产品质量，满足市场需求的过程中发挥重要作用。
1前言我们生活在一个消费者需求的社会中，每个人都在寻求个性化的体验，这流向了产品制造商，他们看到了对产品日益多样化的需求，以及更快的开发时间表。机器制造商需要制造更灵活、高度自动化的机器，以使产品制造商能够满足这些消费者的需求，从而对工程过程的影响是巨大的。在这种情况下，客户可能需要一台机器来处理几十种不同的产品而几乎没有转换时间。即使具有这种适应性，每个客户也可能需要不同的配置和材料要求、不同的制造组件和组件布置，尤其是正在构建必须满足各种厂内条件的机器时，日益复杂的机器操作和维护的熟练劳动力短缺的结合导致制造商将其服务业务扩展到客户工厂，许多制造商正在探索或实施PAAS，或生产即服务的商业模式。于是，面向工程机械行业数字孪生技术也就应运而生。
2数字孪生的概念
数字孪生是基于工业生产数字化的新概念，它的准确表述还在发展与演变中，但其含义已在行业内达成了基本共识，即在数字虚拟空间中，以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟物理空间中实体在现实环境中的行为特征，从而达到“虚—实”之间的精确映射，最终能够在生产实践中的开发、测试、工艺及运行维护等方面打破现实与虚拟之间的藩篱，实现产品全生命周期内的生产、管理、连接等高度数字化及模块化的新技术。
在生产方面，工程物理世界观一般是不够的。制造需要构建制造模型、CAM程序和流程清单，并且经常重新编译工程物料清单，因为它与有效构建这台机器所需的制造流程与所有其他操作需求不匹配。数字孪生包含所有产品信息，而3D模型只是其中的一部分。还要包含电气、气动和软件系统信息。还要考虑到设计过程要求提供机器将如何运行的模拟。需要在数字孪生中包含物理和运动学仿真，还需要考虑如何通过仿真PLC和HMI代码来缩短调试周期。
在现场，数字孪生包含多个线程，从积累和分析操作数据到提供机器在整个使用寿命期间的更新模型。能够针对机器积累服务历史和服务工程，机器制造商和客户可以预测维护和计划升级，以改善和延长机器寿命。考虑到所有领域，从电气、机械和软件代码，到零件和装配制造和调试，再到使用寿命管理，创新周期是完全相连的。
3西门子数字孪生技术简介
西门子数字孪生包含三个部分：产品数字孪生、生产数字孪生和性能数字孪生，下面简单介绍一下数字孪生这三部分内容。
产品数字孪生
能帮助用户更快地驱动产品设计以获得质量更佳、成本更低且更可靠的产品，并能更早地在整个产品生命周期中根据产品的所有关键属性精确预测其性能。
生产数字孪生
能够以虚拟方式设计和评估工艺方案，从而迅速制定用于制造产品的最佳计划。生产工艺流程中的“生产与物流数字化系统”可以对各种生产系统，包括工艺路径、生产计划和管理等，通过仿真进行优化和分析，以达到优化生产布局、资源利用率、产能和效率、物流和供需链，实现大小订单与混合产品生产的目标；它可以同步产品和制造需求，管理更加全面的流程驱动设计。
性能数字孪生
为生产运营和质量管理提供了端到端的透明化，将车间的自动化设备与产品开发、生产工艺设计及生产与企业管理领域的决策者紧密连接在一起。借助生产过程的全程透明化，决策者可以很容易地发现产品设计与相关制造工艺需要改进的地方，并进行相应的运营调整，从而使生产更顺畅、效率更高。
综上所述，西门子的数字孪生贯穿整个产品的的设计、生产、运行和维护过程，它能够真实、完整地再现整个企业的生产运营。产品在实际投入生产之即能够在虚拟环境中进行产品的优化、仿真和测试，而在生产过程中也可同步优化整个企业流程，最终打造高效的柔性生产，实现产品的快速创新和面世。
4西门子数字孪生的实施工具
西门子数字孪生的实施需要借助一系列专业软件把相关的专业知识集成为一个数据模型。西门子提供的产品生命周期管理软件（PLM）、制造运营管理软件（MOM）和全集成自动化软件（TIA）等能够在统一的产品全生命周期管理数据平台（TC）的协作下，完成不同技术的集成，以实现不同人员的协作。
产品生命周期管理软件PLM
产品生命周期管理软件涉及产品开发和生产的各个环节，包括从产品设计到生产规划和实施工程再到实际生产和服务等。PLM的应用范例包括Teamcenter(TC)、NX和Tecnomatix.其中，TC能在西门子与其他制造商提供的软件解决方案之间进行管理和数据交换，将分布在不同位置的开发团队、公司和供应商联系在一起，从而形成统一的产品、过程、生产和管理等数据流通渠道。NX软件是主要的计算机辅助设计\制造\工程（CAD/CAM/CAE）等的套件，针对产品开发提供详细的三维模型。Tecnomatix软件主要针对整个生产的虚拟设计和过程模拟，常用的ProcessSimulate与PlantDesigner等均是Tecnomatix软件里面的一个模块，用于流水线与工厂的设计与仿真验证，借助这种被称为数字化制造的程序，企业可在规划生产的同时进行产品的开发。
制造运行管理软件MOM
制造运营管理软件不仅与控制、自动化和业务层面紧密结合，还与PLM相结合，真正地让自动化与制造管理、企业管理、供应链管理建立无缝连接，使供应链的变化迅速地反应在制造中心，从而为“数字工厂”理念提供了坚实的技术和产品管理基础。相应地，SIMATICIT（西门子MES解决方案）包含一系列产品，为生产运营、管理以及执行人员提供了更高的工程信息可见性。这些产品的主要功能可描述为三个方面：提供数据集成与情景化、帮助用户利用信息做出尽可能的事实决策以及分析信息。其中，制造执行系统（MES）提供了一个高层次的环境，为制造过程和操作流程的同步和协调提供了可能，真实地提升了各组件协同工作的能力。
博途软件TIA
TIA是全集成自动化软件TIAPortal的简称。它是采用统一的工程组态和软件环境的自动化软件，可在统一环境中组态西门子的所有可编程控制器、驱动装置和人机界面。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信实时共享任务，可大大降低连接和组态成本，几乎适用于所有自动化任务。借助全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和测试自动化系统。
5西门子数字孪生技术中的虚拟调试
通常情况下，数字化工厂生产线建设周期长、投资大、自动化控制逻辑复杂，现场调试的难度与工作量比较多。按照常规生产线建设规律，越早发现问题，整改的成本就越低，因此有必要在生产线正式生产、安装和调试之前，在虚拟环境下对生产线进行模拟调试，解决生产线的规划、干涉、PLC程序控制等问题。在模拟调试完成之后，再把调试好的程序移植到真实的生产线上。
虚拟调试为解决复杂产线调试问题提供了方便。在设计过程中，生产周期长、更改成本高的机械结构部分可采用虚拟设备，在虚拟环境中进行展示和模拟，易于构建和修改的控制部分则由PLC搭建的物理控制系统来实现，由实物PLC控制系统生成控制信号来控制虚拟环境中的机械对象，以模拟整个生产线的动作流程。借助虚拟调试技术，用户能够及早发现机械结构和控制系统的问题，在物理样机建造前就可以解决问题，节约了时间成本与经济成本。
6总结
数字孪生的三大优势：多学科设计提供高效工程的解决方案；通过机器仿真和虚拟调试可以降低产品风险；通过统一的数据管理平台完成不同技术的集成和不同人员的工作协同。
拥有全面的数字孪生意味着可以快速创新和模拟，比竞争对手更快地将机器推向市场，因为数字孪生存在于制造过程的每个部分。通过收集和分析来自车间和生产中的机器的信息，保持创新优势和成本优势。
今天西门子利用自身年的工程知识提供数字孪生为整个生命周期的解决方案。在一个设计环境中支持所有学科，创建真正的数字孪生在行业领先的地位，支持并行开发的紧密集成仿真功能，支持闭环工程的软件和硬件功能，在一个单一数据主干中管理所有数据，集成需求到项目变更管理的所有环节。
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