机电协同仿真的接口与规范-FMU/FMI

鼓弦

工业软件是高质量发展的必然需求
最近几年，有关工业软件发展的讨论成为了产业的热门话题。工业软件受到重视，国家倡导“高质量发展”，不仅是一种政策的指导，也同时是产业发展到一定阶段的自发觉醒，而工业软件得到重视正是这一觉醒中的必然事件。
如图1所理解，高质量发展意味着：①从传统依靠规模化的低端产品复制，转向高端制造，并以更为精深专业、创新性来赢得全球市场的竞争。②是从原有的代工、购买设备产线的终端产品生产，延伸到价值含量更高的上游装备、材料领域的产业链整体升级。③它也预示着产业将从过去的依靠低价快速抢夺市场，转向更为长远的可持续发展战略的转型。



图1-产业高质量发展的转型升级三个方面

基于模型的开发（MBD）
工业软件，就其本质而言，就是“知识的复用”。它将我们在装备与系统设计过程中的工艺知识、算法、工程方法、运营操作等，通过标准化封装，被更多的企业使用，从而整体降低研发成本，缩短装备的研发周期。这种复用降低了重新试错的成本，也扩展了知识的使用，使得工程师可以以面向对象方式，组织装备的应用软件。
基于模型的开发（Modeling-Based Development），正是工业软件的应用场景，首先，它能够以用户需求为导向，创新性的设计装备的应用。其次，它为企业装备产品长期的可持续性发展构建了平台，第三，它降低了研发投入，使得装备更具市场竞争力。
而以装备制造业为例，工业软件涵盖了在设计阶段所需的CAD/CAE、物理仿真类（机械、电气、流体、热场、电磁、光学等），以及在装备控制与运行所需的嵌入式系统开发平台类软件。这些机电系统建模仿真类的软件，对于虚拟调试、快速成型设计、开发复杂的控制结构、硬件在环测试（HIL）、统计分析等有着非常大的帮助。



图2-建模仿真在机器开发中的作用

图2列举了建模仿真的作用与好处，它可以加速产品开发的过程、提升产品研发的品质、降低物理测试验证成本、并可以通过封装形成知识复用（基于CBD思想的软件开发）、更为直观的三维呈现。
协同仿真-多领域耦合系统开发
贝加莱，一直致力于机电装备的智能化应用开发，早在2008年贝加莱与Mathworks合作开发了Automation Studio Target for Simulink的接口。这使得MATLAB®/Simulink®和Automation Studio仿真和开发工具之间形成了快速的连接。在Simulink中经过测试的模型可以通过自动代码生成（Automatic Code Generation），生成的C、C++和结构文本（IEC 61131-3中指定的）代码，可以直接导入到贝加莱Automation Studio中，并实现硬件在环测试（Hardware In the Loop）。
之后，贝加莱又与MapleSoft合作，该公司的MapleSim可以创建机器的高精度动态模型，它基于STEP格式的CAD数据。由于所有力和扭矩都经过精确建模，因此该模型可以用作组件设计的数字孪生。MapleSim的模型可以被导入到Automation Studio与控制任务耦合，形成快速的协同仿真，以及快速原型设计。



图3-贝加莱的多领域建模仿真软件的合作

为了获得在产线过程仿真方面的协同，贝加莱还与IndustrialPhysics合作，使得其过程仿真的模型可以与控制任务实现协同，并对这些对象进行控制。
如图3所示，贝加莱Automation Studio可以在硬件、机器、过程三个层级与多种不同的建模仿真软件形成交互。



图4-IndustrialPhysics里的机械模型

如图4，贝加莱通过与IndustrialPhysics的合作，将注入机械常用的飞锯、涂装、钻孔、包装等构件机械模型，并可以从其获得数据反馈，以及给出控制指令，来实现仿真，以发现在机械设计中所存在的问题。
Modelica及FMU/FMI
随着机器产品的复杂性不断增强，早期的机器仅机械的传动即可，对单一产品，而今天，随着材料的复杂性增强、机器的流程变得复杂，以及更多的检测和控制量，使得机器本身也变得复杂。
传统上的单领域建模工具已经无法胜任现代复杂工程系统整体性能分析与优化。因此，多领域统一建模与协同仿真的需求也是越来越明显。因此，形成了以Modelica为代表的多领域统一建模规范语言的需求。而且，为了使得各个建模仿真软件之间能够协同，统一的标准接口也是必要的。
Modelica是一种面向对象的物理模型建模语言，它允许用户使用图形符号开发复杂的仿真模型。每个图形符号代表一个物理对象。Modelica适用于大规模复杂异构物理系统建模，描述机械、电气工程、电子、热力学、液压和气动、闭环控制和过程控制等领域的跨学科问题。Modelica的主要优点在于处理方程而不是赋值-给用户直接的好处就是，它很通用。
Modelica协会则是对语言进行定义，并构建了在多领域模型协作间的FMU/FMI接口规范与标准。



图5-FMI标志

FMU-功能模拟单元（Functional Mock-up Unit），是一个*.Zip文件，包括了XML描述文件，用于描述FMU中的变量定义，一个模型中使用的所有公式（C函数），以及可选的参数表、用户界面、模型所需的文档。
FMI则是用于交互FMU的标准化接口，FMU/FMI通过模拟合并和显示各种组件，使得他们能够以复杂的方式交互。图5为FMI接口的标志，它代表功能模拟接口（Functional Mock-up Interface）
在2016年，贝加莱在Automation Studio中集成了FMU/FMI的导入功能，通过这一接口，可以使得机电仿真的代码和描述可以被导入到Automation Studio平台，以实现协同仿真。
FMU/FMI应用-以MapleSim为例
在图6中，我们可以在MapleSoft公司的软件MapleSim中建立起AGV的运行过程，以及它的舵轮电机角度与位置控制的模型。



图6-在MapleSim中建立运动控制的模型

在这个过程中，可以对AGV运动对象的摩擦力等物理参数进行仿真测试，并形成整个控制模型，并对其最优控制参数进行优化。然后在如图7中，由MapleSim软件中的B&R Automation Studo的FMU生成器界面，可以在这里导出为FMU模块，它包括了模型的代码和描述文件。



图7-导出FMU模块的界面



图8-Automation Studio中的FMU导入

  在Automation Studio中，可以将此FMU导入，如图8所示。在Automation Studio中，这个模型将作为一个对象，可以被控制器任务来进行调用。



图9FUM/FMI导入到Automation Studio后的应用

在将由MapleSim生成的运动控制模型导入后，它即可与Automation Studio中的贝加莱的X20的逻辑、运动控制循环连接，通过下载任务到ACOPOS驱动器位置环控制，从而构成整个AGV控制的机电耦合系统，从而能够形成完整的机器控制循环任务。



Automation Studio对FMI 2.0导出功能的集成

在2022年，最新的Automation Studio 4.12版本中，贝加莱为其增强了FMI2.0导出功能。
贝加莱为其 Automation Studio 开发环境添加了一项新功能。借助 FMU 导出功能，机器代码可以作为 PLC 仿真导出并集成到任何仿真工具中，让仿真专家能够自由地选择他们的熟悉的软件生态系统进行工作。这在跨学科发展过程中节省了宝贵的时间和资源。
FMU/FMI标准，建立了机电软件之间的协同工作，使得机器的开发变得更为动态、协同，并可构建数字孪生系统，来实现模型交互，除了FMU/FMI接口外，贝加莱还支持在模型之间通过OPC UA的模型交互接口方式。
在未来，我们将会继续与大家分享，贝加莱在建模仿真方面与MATLAB/Simulink、MapleSim、IndustrialPhysics方面的案例介绍。