SpiraTec如何通过开放调试和协作创新重新定义制造

作者：Michael Kasseckert（团队和客户经理），Viktor Gaponenko（高级专业工程师）和Moritz Langer（专业工程师）。

SpiraTec集团是过程工业中工业工程和解决方案的全球参与者，专注于数字化转型、工程、机器人技术、自动化和工业IT。SpiraTec在虚拟调试方面的专业知识帮助制造商优化流程、降低成本，并加速全球数字化进程。

在本文中，了解SpiraTec如何帮助客户应对关键行业挑战以及‘开放调试’背后的旅程——这是一个基于Unity的开源倡议，旨在为虚拟调试创建一个真正协作和可访问的解决方案。

随着行业加速数字化转型，制造商面临着更大的压力，需要更快地将产品推向市场、降低成本并实现可持续发展目标——同时还要应对数据碎片化、过时的方法论和有限的标准化问题。这些挑战需要更智能、更集成的解决方案——这就是数字双胞胎和虚拟调试发挥作用的地方。

全球数字双胞胎市场需求激增：预计到2024年价值177.3亿美元，预计从2025年的244.8亿美元增长到2032年的2593.2亿美元。根据Capgemini研究院的数字双胞胎报告，57%的组织将可持续性视为数字双胞胎投资的关键驱动因素，51%的人预计这些技术将帮助他们实现环境目标。

虚拟调试——数字双胞胎技术的一个关键应用——是数字化的游戏规则改变者，使制造商能够在实际部署之前模拟和优化流程，从而减少资源消耗和降低成本。

理解虚拟调试

传统上，自动化中的调试是指将新系统（设备、机器、工厂等）带到完全操作、生产就绪状态的过程。在过去，这意味着大多数PLC（可编程逻辑控制器）编程和系统测试需要物理硬件到位，通常导致昂贵的延误和最后时刻的故障排除。

虚拟调试颠覆了这一范式，并在数字环境中复制整个调试过程。PLC与数字双胞胎进行通信——一个准确反映真实系统行为的仿真模型，而不是与真实设备、传感器和执行器进行通信。关键是，虚拟和物理阶段使用相同的PLC程序代码，确保无缝交接，无需在物理硬件可用后进行代码修改或最后时刻的重写。

虚拟调试如何提供现实世界的价值

效率提升 虚拟调试显著减少了现场测试和物理原型的需求，从而节省了大量时间和成本。它还通过允许团队在数字环境中快速迭代，加快了开发周期，缩短了上市时间。

风险降低 通过早期检测错误，虚拟调试降低了昂贵错误的风险。此外，它通过允许团队数字模拟危险任务，支持更安全的部署，在物理实施之前消除潜在风险。

协作与创新 逼真的模拟促进了跨职能团队之间的更好对齐。通过在虚拟空间中可视化和与系统互动，利益相关者获得了更深入的见解，增强了整体沟通，激发了创造力和创新。

从限制到能力：我们向Unity的转变

在SpiraTec，我们始终以一个目标为驱动：帮助我们的客户无缝地将虚拟调试集成到他们的操作中。我们面临着有限扩展性的封闭系统，小型用户社区和最小的应用程序编程接口（API）——这些条件导致了供应商锁定并增加了项目风险。

这些限制往往没有使我们能够创新，反而拖慢了我们的进度，让我们的客户无法获得他们所需的可访问和可扩展的解决方案。

引入Unity,实时3D引擎成为克服我们最大障碍的关键。通过解锁Unity的编辑器的力量，我们不仅获得了最先进的物理和渲染能力，还从根本上改变了我们对数字双胞胎模型开发的整体方法。

Unity中的以下技术和功能帮助我们解决了多个问题，并塑造了我们的数字双胞胎开发过程：

• 预制系统:使我们能够采用面向对象的方法创建数字双胞胎，利用可重用的组件库。这大大加快了开发速度，同时在不同项目之间保持一致的质量。
• Pixyz:允许我们无缝导入计算机辅助设计数据（CAD）并建立基于特定元数据和客户标准的规则驱动工作流程，以创建数字双胞胎。
• 用户界面（UI）工具包:使得为编辑器和运行时创建和增强UI内容成为可能，为自定义工具和界面提供更流畅的用户体验。
• 作业系统:这是我们的一大进步，使得复杂过程的高效多线程模拟成为可能——例如流体流动、大宗材料移动和应力建模——以及大规模数字双胞胎项目。

分析器和存储分析器:提供了对性能瓶颈的详细洞察，使我们能够在部署之前优化和提高项目质量，最终为客户提供更可靠的解决方案。

在大规模数字双胞胎内部：重新构想仓库调试

我们自豪地展示一个真实的成功案例，展示一家领先物流公司的仓库模拟，我们将12个虚拟PLC集成到一个完全数字化的环境中。该模型具有现场总线仿真和工业组件的模拟，如驱动器、安全模块和RFID读取器。为了增强可用性，开发了一个自定义用户界面，提供一个轻量级且强大的独立.exe应用程序，优化用于大规模模拟。

此外，该系统与仓库管理系统（WMS）无缝集成，实现了安全虚拟环境中实时产品数据管理的本地电报通信。这确保了在物理机器存在之前进行了全面的软件验证，显著提高了质量并降低了部署风险。

这一举措减少了他们的调试时间30%，显著加快了项目进度，同时降低了成本和风险。除了效率提升外，它还增强了跨部门协作，使得成本效益高的迭代开发和更快的概念验证成为可能。

超越效率：通过模拟推动可持续性

关于虚拟调试的讨论通常集中在减少调试时间和改善协作上——但这些好处也直接转化为可观的商业价值，尤其是在可持续性方面。

我们已经开始与客户合作，扩大数字双胞胎在后续产品生命周期中的应用，加速可持续性和节省成本的潜力巨大。通过简化流程和利用高保真模拟，公司可以：

• 延长设备使用寿命：通过使用基于模拟数据训练的预测性维护算法，组织可以最小化磨损，推迟昂贵的更换和维修。更少的故障直接降低了维护成本，并减少了计划外停机时间。
• 减少资源消耗：通过在虚拟环境中验证控制逻辑和工作流程，团队可以识别导致能源使用减少和材料浪费最小化的效率差距。这些改进不仅有助于实现环境目标，还降低了运营成本。
• 加快上市时间：虚拟调试减少了对物理原型和漫长现场测试的需求。因此，公司可以更快地推出产品，更早地占领市场份额，并实现更快的研发投资回报。

减少现场占地:更少的故障排除访问和更短的安装时间减少了与旅行相关的排放和费用。对于拥有多个全球设施的组织，这一好处显著扩大。

共同塑造未来：一个社区驱动的倡议

合作与开放将推动虚拟调试的最大突破，因为它将继续发展。通过开放调试，我们不仅在分享工具，还在建立一个社区驱动的生态系统，在这里创新想法可以被完善、测试并应用于解决现实世界的挑战。

最激动人心的发展尚未到来。我们的下一个演变涉及整合生成性人工智能和实时云模拟，建立数据标准，并扩展工业连接性。在 GitHub 上探索进展，成为创新的一部分。

制造的未来是协作的、数据驱动的和绿色的。我们邀请您加入我们的旅程，共同创造一个更智能、更可持续的工业环境。

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