根据流程或系统数字化的程度，存在着不同类型的数字孪生[1]：

• 组件/部件孪生：它代表一个单独的部件，可以对其效率、耐用性和性能等特性进行分析；
• 资产孪生：它为一组相互作用的组件建模，侧重于功能关系和性能优化；
• 系统孪生：它包含多个共同工作的资产，可对系统级行为进行全面评估和优化；
• 流程孪生：它能够观察多个系统如何共同操作，从而形成整个流程。

此外，根据文献[2]中提出的分类，数字孪生可以根据特定目的d对系统进行建模；仅举几例：用于监控、诊断、预测和控制自动化的数字孪生模型。在第一种用途中，模型提供了一个物理系统的 "虚拟复制品"，通过持续监控其状态，可以发现效率低下的问题。用于诊断的数字孪生模型可降低维护成本，提高系统可靠性。同样，用于预测的数字孪生模型可以准确预测组件可能出现故障的时间，从而实现主动维护。

用于控制自动化的数字孪生模型可以提高自动化系统的效率；由于有了反馈传感器信号，可以通过调整系统参数进行实时监控，以保持性能恒定。Automation Studio™与数字孪生领域完美契合，该软件可以对整个系统进行建模、仿真和综合分析 [3、4、5、6]，从而可以评估各个组件之间以及实际机构中采用的各种技术（如液压、电气、气动子系统等）之间的相互作用。此外，一旦在Automation Studio™中开发出真实系统的 "虚拟复制品"，还可以执行故障模式和影响分析(FMEA)。FMEA是一种系统性和前瞻性的方法，用于评估产品或流程，以确定其可能发生故障的位置和方式，并评估不同故障模式的相对影响。使用 Automation Studio™可以将多种失效模式直接积分到组件中，并提供故障条件下的自动性能估计，从而大大简化了分析工作。

本文通过Automation Studio™仿真软件开发了一个初步的自动系统数字孪生模型。该系统的模型属于 "控制和自动化数字孪生模型 "的范畴，其目的是创建一个自动化系统的 "虚拟复制品"。特别是，通过对控制器进行布线和编写梯形逻辑代码，进行了基于 PLC 的控制设计，使其尽可能接近物理自动化。

2. 方法和工具

实施数字孪生的关键步骤是开发一个能准确反映实际机构的 "虚拟模型"。为此，必须使用先进的仿真软件开发模型，以复制机器组件的行为，包括电气、机械和气动元件。通过精确复制这些元素，可以详细评估机器在不同操作情况下的性能，确定潜在的改进领域，并在不干预实际机器的情况下测试对操作条件的修改。 

用于开发仿真模型的工具是Automation Studio™，这是一款由Famic Technologies Inc. 开发的软件，专为创建和仿真多领域系统而设计。其界面通过使用标准组件库支持复杂过程的建模，确保符合当前的工业标准。可对设计模型的操作进行仿真，提供性能和诊断分析。此外，Automation Studio™还支持自动生成技术文档，并与IEC、NEMA和ISO标准集成，使其适用于过程控制和工程优化。此外，该软件还可以通过OPC UA和TCP/IP连接与其他设备或软件连接，这一功能对于全面实施数字孪生系统非常有用。

3. 自动系统的虚拟化和仿真

所研究的系统是一个自动翻边设备，由基于PLC控制的电动气动执行器组成。设备原理图如图1所示，由4个气动执行器A、B、C和D组成，用于夹紧管道、停止管道和对管道的一侧进行翻边；由于切换气缸D沿直线导轨驱动气缸C的位置，翻边分两步进行。自动站的控制面板原理图如图1所示，由PLC、按钮、先导灯和人机界面触摸屏组成。自动循环按照字母顺序A+/B-/C+/C-/D+/C+/C-/A- B+ D-进行。目前，位移步进顺序是通过基于PLC控制设计的开关电动阀来模拟的。不过，为了更好地控制管道的夹紧和法兰，预计在未来的开发中将采用比例气动执行器。

图1 - 设备原理图

首先，气缸B伸展，作为前进管道的止动器。然后，气缸A伸出并夹紧管道（步骤1），随后气缸B 缩回（步骤2）。气缸C第一次伸出（步骤 3），进行初步翻边操作，然后缩回（步骤 4）。气缸 D 执行工具切换（步骤 5），翻边气缸 C 进行第二次翻边操作（步骤 6），然后缩回（步骤 7）。之后，气缸 A、D 缩回，气缸 B 开始向前运动，返回初始位置（步骤 8）。在执行的梯形图代码中，步骤 3,6 和步骤 4,7 被视为在循环中执行两次的两个步骤，而不是四个不同的步骤，因为它们是相同动作的重复。 

3.1 气动和电动回路

系统的气动回路建模（图2）得益于Automation Studio™通用库中的大量组件。为了进一步加强系统建模，还可以使用实际制造商的组件，因为这些组件可以在Automation Studio™提供的大量在线制造商目录中找到。另一种可能的方法是根据系统中实际使用的组件数据表中提供的数据调整通用组件的参数和特性曲线。

图 2 - 气动回路

电气回路（图3）由西门子SIMATIC S7-1200 PLC构成，利用了演示组件库，该库提供了一个非常逼真的物理S7-1200控制器虚拟表示。启动、停止、复位和紧急按钮分别与PLC数字输入卡的针脚相连。出于安全考虑，紧急按钮连接为常闭触点。输入端还包括执行器的限位开关，它们是开发自动系统的重要组件。输出端包括换向阀的电磁铁。

图 3 - 电气回路

3.2 梯形图代码（西门子梯形图）简介

控制逻辑采用梯形图开发，与真实机构中使用的语言相同。这种方法允许在Automation Studio™的虚拟环境中测试代码，以便随后将其部署到真实系统中。此外，Automation Studio™还支持OPC连接，实现了与真实系统集成。通过这种连接，PLC变量可以映射到Automation Studio™ 中的对应变量，从而实现虚拟系统和PLC之间的数据交换。

梯形图代码是使用FC子程序设计的。因此，系统包括一个主梯形图梯级，用于激活所有已创建的子程序。在PLC编程中使用子程序有助于执行特定功能，这样就可以单独测试每个子程序的功能，在故障排除和代码调试方面具有很大优势。  

还开发了启动/停止子程序，负责启动和停止系统；"Start"和"System_is_running"存储器用于监控启动条件和系统的"run"情况。此外，还实施了一个应急子程序，负责管理所有与应急相关的功能和机构安全。这些功能包括启动应急灯和发出警报。在紧急情况下，执行器会通过停用 2/2 通阀立即停止运行。在稳定（停用）位置时，这些阀会阻止向执行器输送加压空气。因此，在系统正常操作期间，这些阀必须保持激活状态，以允许加压空气流通。

设计了专门的子程序来管理先导灯和气动执行器的动画。通过这种方式，操作员可以检测和监控自动化系统的所有状态，并在人机界面上可视化执行器的动作。Automation Studio™提供了各种传感器（簧片、接近传感器、压力传感器、线性位移传感器、编码器、流量计......），每种传感器的布尔型、整数型或实数型数据均可发送至人机界面，以实现可视化和监控目的。

控制逻辑的主要算法包含在图4a子程序中。该子程序利用了步进转换法的一般规则：如果当前步进已设定，且转换所建立的条件为真，则设定新的步进。当新步设置完成后，前一步将被重置。

在已开发的梯形图代码中，由于加入了Loop_memory线圈，因此略有改动。由于从气缸 C 的角度来看，两次翻边操作是相同的，因此添加了这个内存线圈，使自动序列的第 3 步和第 4 步能够执行两次。

然后，在另一个子程序中（图4b），该方法的每一步都与PLC的一个输出端口相关联。
 

图 4 - 步骤/转换（a）和动作（b）子程序

3.3 用于系统监控的人机界面

人机界面如图5所示。借助Automation Studio™库中的人机界面和控制面板，创建了一个广泛的可视化系统。该库包含多个符合系统要求的组件 。其中一个特别有用的功能是为图像添加动画。利用这一功能，可以为气缸杆、管道运动和系统的其他动态元素创建动画。如图5所示，操作员可以通过人机界面输入需要翻边的管道数量，并可持续监控系统状态和已经翻边的管道数量。当系统处于初始状态时，所有执行器都处于满行程位置，只有气缸 B 是满行程，"系统就绪 "指示灯亮起。

图 5 - 人机界面（HMI）和自动系统的初始状态

系统启动后，所有执行器均按照上述顺序执行循环。图6中的人机界面显示了在对管道进行初步翻边操作时的自动系统。此后，气缸D伸展以更换翻边工具，气缸C执行最终翻边操作（图7）。

图 6 - 初步翻边操作

图 7 - 最后的翻边操作

随后，系统返回初始状态，法兰管道计数器将递增 1，系统再次准备好重复新的循环（图 8）。

图 8 - 循环的最后一步


4. 结论

作为数字孪生实施的第一步，本文介绍了自动系统的虚拟化。Automation Studio™软件作为一种广泛而全面的工具，用于开发精确的自动化数字模型。作为一个案例研究，我们分析了一个自动翻边管道站，并通过 "虚拟 "连接PLC和编写梯形逻辑，在数字孪生系统中进行了基于PLC的控制设计，与实际自动化系统完全相同。通过这种方法，开发出了自动站和PLC的 "虚拟复制品"。现在，自动系统的 "虚拟复制品 "已准备就绪，可以进行故障模式和影响分析 (FMEA)，并实现OPC连接和与实际系统的集成。

参考文献

[1] A. V. Volosova, P. F. Yurchik, V. B. Golubkova, B. S. Subbotin and A. V. Vasiliev, "Using a Digital Twin in Ultra-Large-Scale System," 2023 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), Moscow, Russian Federation, 2023, pp. 1-5, doi: 10.1109/TIRVED58506.2023.10332708

[2] R. Rayhana, L. Bai, G. Xiao, M. Liao and Z. Liu, "Digital Twin Models: Functions, Challenges, and Industry Applications," in IEEE Journal of Radio Frequency Identification, vol. 8, pp. 282-321, 2024, doi: 10.1109/JRFID.2024.338799

[3] A.P. Moreira, H.A. Lepikson, L. Schnitman, and G.L. Bezerra Ramalho, “Designing a new artificial lift method using computational simulation and evolutionary optimization, IEEE Access, 8, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2938992

[4] N. Hodzic, E. Ekinovic  and M. Redzic, “The application of software automation studio in design and work simulation of hydraulic systems,'' Proc. 18th Int. Res./Expert Conf., Budapest, Hungary, 2014, pp. 357_36.

[5] R. B. Pandhare and R. M. Metkar, “Design of semi-automatic hydraulic broaching machine - A review,'' Int. J. Eng. Res. Technol., 5 (2), pp. 1-6, 2017

[6] C. He, G. Jingnan, and S. Guangbin, “Application of automation studio in hydraulic system design,'' Mach. Tool Hydraul., 18, pp. 53-55, 2010