虚拟调试：让一条汽车发动机产线重获新生

作者 | Aryan Abbott

制造商常常面临两难选择：是继续维护老旧设备，还是承担系统升级的相关风险。这些风险主要源于从传统可编程逻辑控制器（PLC）向新型系统迁移过程中的不确定性。升级执行不当会导致系统内遗留兼容性问题，进而造成持续的运行效率低下与复杂的故障排查难题。这往往会使项目成本与停机时间超出预期，因为需要投入更多精力解决这些顽固问题。另一方面，持续维护老旧设备不可避免地会导致维护成本上升、停机频繁且不可预测，同时缺乏识别根本原因的诊断能力。

虚拟调试（Virtual Commissioning）是一种有效的策略，尤其是与分阶段升级方案相结合时，可大幅降低复杂系统升级的风险。例如，某汽车制造商在大型发动机装配线升级项目中采用了先进的虚拟调试策略，在仿真环境中重写并验证了控制软件与机器人程序。最终，现场调试按期、按预算完成，仅使用最少的原型件，且未出现任何意外问题。从各项指标来看，均实现了高质量交付。此外，该生产线仿真模型还可作为基础，搭建系统的可视化实时虚拟副本（即数字孪生）。

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问题频发的老旧生产线

随着控制系统逐步老化，设备运维难度会不断增加。与行业内众多企业一样，该汽车制造商面临着老旧设备带来的一系列共性问题。例如，备件稀缺且昂贵；可靠性下降；不明原因停机增多；故障根源诊断能力有限；系统重启过程漫长且繁琐等。

该生产线由老旧的PLC系统控制，全天候运行，包含超过100个独立输送段（各配有由变频器与电机启动器控制的电机）、12个机器人工位、300多个传感器、多个升降定位单元和升降移送单元，以及一套硬接线安全系统。这条重要的生产线经常停机，故障根源难以定位，重启过程也很复杂，因此，制造商最终做出了升级的重要决定。

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复杂升级需要分阶段实施

当待升级的目标生产线复杂度高、使用频繁时，通常留给可用于升级的停机时间都是非常短的。负责升级的系统集成商需要将项目划分为大小合适的阶段，确保每个部分都能在分配的停机窗口内完成，并在安装阶段之间恢复生产线运行。

使用虚拟调试工具是在无物理设备的情况下最大化验证系统整体运行效果的高效方式。它支持在仿真环境中对新PLC程序进行调试与验证，大幅减少现场程序调试工作量，并为在计划停机时间内完成现场工作提供有力的支持。

在本文的案例中，系统集成商是采用一台西门子S7-1500 PLC取代了包含两台传统 PLC的控制系统，重写并标准化代码结构，优化机器人单元的周期时间，并过渡到由新PLC直接管理的基于软件的安全系统。

由于停机时间仅限于间歇性的3到5天窗口期，整个升级被分为15个不同的安装阶段。为了在升级阶段之间保持正常运行，原有PLC继续控制生产线上未改造的区域，而新的PLC则接管已完成升级的区域。每个安装阶段结束后，通过通信网关实现新旧控制系统间的信号交互，使生产线可在混合 PLC 控制模式下保持运行。

▲在Process Simulate软件中，待升级阶段生产线特定区域的概览图。

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先进仿真工具简化代码验证

如果使用得当，现代仿真工具可以创建复杂制造过程的精确副本。在本次装配线升级应用中，工程师使用了多款先进的软件工具对升级各阶段待迁移的生产线区域进行建模。这种方法使得大部分调试工作可以在模拟中进行，最大限度地提高了现场时间的效率，并减少了对样件的需求。其中，项目使用的主要组件包括西门子Process Simulate和发那科ROBOGUIDE软件。

西门子的Process Simulate仿真软件旨在将各生产线组件的数字模型集成到虚拟环境中。该软件依据升级后 PLC 的新版控制程序，精确模拟发动机缸体在托盘上经各工位的移动过程。以下设备模型被集成到Process Simulate仿真环境：

·虚拟PLC：通过 TIA Portal 将Process Simulate连接至虚拟PLC 环境，使真实控制逻辑驱动仿真并控制组件模型。工程师可在生产仿真中动态查看与评估 PLC 的输入输出（I/O）信号。

·输送段仿真变频器：由于每个输送段独立运行，配有专属电机与变频器，仿真环境需包含该设备模型以精确模拟工件在输送线上的移动。该项目采用西门子原生结构化控制语言（SCL）编写高级脚本，以模拟变频器与相关电机的行为。该虚拟电机单元可在Process Simulate中复现并评估各虚拟变频器与虚拟PLC 之间传输的信息（包括电流、电压与速度）。

·光电传感器：用于监测工件位置，虚拟传感器模型按实际现场位置在Process Simulate中部署。

新型PLC能够处理更快、更复杂的控制任务，显著提升了对机器人工作站的控制与通信能力，为优化机器人速度与效率创造了条件。

发那科的机器人仿真软件ROBOGUIDE 用于对生产线内的机器人工作站进行仿真。该软件包含所有发那科机器人的成熟模型，可高度复现真实设备行为。真实机器人程序可在机器人模型上运行，支持程序调试与优化。在部分场景中，通过 ROBOGUIDE 仿真末端执行器变更并据此更新设计，进一步利用时间窗口提升产能。

在Process Simulate中通过TIA Portal搭建的虚拟PLC还可与ROBOGUIDE直接通信，控制机器人运行。将ROBOGUIDE模型集成到整体Process Simulate仿真中后，可在整个系统范围内监控与验证PLC与机器人之间的通信。

▲ROBOGUIDE机器人仿真软件截图，包含双机器人工作站与虚拟示教器通信。

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虚拟调试的重点和注意事项

尽管虚拟调试策略可提升系统升级的可靠性并最小化停机时间，但其效果依赖于成熟的实施方法，并聚焦于能产生最大价值的环节。首批用于虚拟调试的区域不可避免地需要投入最多时间。必须搭建完整虚拟环境，包括电机仿真脚本、PLC 点位映射与传感器实例化。一旦基础环境搭建完成，后续区域的部署速度将大幅提升，因为大量前期工作可复用。

通常并非所有机械装置都需要完整仿真。在本文的案例中，旋转台与升降台建模难度大且价值有限，因此项目重点聚焦于输送线、机器人与安全系统的核心逻辑。在实际应用时，需要注意的是要为现场调整与优化预留空间：生产线仿真与物理设备实际运行之间会存在一定偏差。需要现场优化的参数可能包括传感器偏移、实际电机速度及其他机械公差。

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为数字孪生奠定基础

通过对生产线运行状态进行仿真，虚拟调试可在无需任何物理硬件的情况下完成大量软件设计与验证工作。生产线各组件的计算机模型在仿真环境中实例化，包括 PLC、机器人、传感器、变频器与电机等。控制软件可在虚拟环境中开发、运行与验证，大幅缩短最终现场调试的时间、降低风险，并减少对原型件的需求。

除了初期的升级规划与验证，完成后的系统仿真还可进一步用作数字孪生的基础——即一个完整可视化的实际系统运行模型。将PLC与现场传感器的实时反馈集成到虚拟环境中的对应模型中，生产线的运行状态会持续更新至数字孪生中，使其行为与实际设备完全一致。除作为生产线可视化副本外，数字孪生的后续长期应用场景还包括搭建预测性维护分析平台、持续优化生产流程，以及打造无风险培训环境。

虚拟调试仿真工具使系统集成商能够在低风险虚拟环境中发现并解决复杂生产线升级中的大部分未知问题，同时为搭建系统数字孪生模型打好基础。结合分阶段现场升级策略，即使面临严苛的停机时间限制，也能很好地完成复杂项目升级。如此一来，制造商也可以充满信心地相信，他们举步维艰的老旧系统不仅能重获新生，更能针对产能与质量进行优化，使其在未来数年内持续具备竞争力。

▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2026年3月刊《技术文章》栏目：工业自动化升级中的虚拟调试与数字孪生构建