安全、系統(tǒng)生存能力以及進入市場的時間，通過仿真與模擬的結(jié)合而日益得到滿足。
當(dāng)構(gòu)建一個控制系統(tǒng)以前要求您先確定其工作方式，這似乎是一對矛盾，但它卻代表著一種相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。幾年前--當(dāng)該行業(yè)還不成熟時--您可能會先制造一個原型樣機、然后試驗、修改、再試驗。今天，人們一般已經(jīng)不再采用這種方式，這其中有以下3個主要原因。
首先，構(gòu)建原型是一件既費時又費錢的事。以今天日益加快的開發(fā)速度以及對更短的進入市場時間的要求，制造商們很少能有使用這種費時技術(shù)的奢侈。
其次，也是同等重要的，今天的系統(tǒng)一般不是太大就是太小，以至于很難輕易就制造出一個原型。專用集成電路（ASIC）以及其他復(fù)雜元件一般并不是馬上就能用于原型制造，因此構(gòu)建的原型并不能精確地達到所預(yù)期的最終系統(tǒng)性能。
最后，構(gòu)建原型只須制造出一件產(chǎn)品，因此，它并不能使人們對正式生產(chǎn)所面臨的挑戰(zhàn)有深入的了解。 同室操戈
但可替代的方案又是什么呢？今天，各公司日趨轉(zhuǎn)向一對孿生技術(shù)--仿真與模擬。
盡管很多人交替使用仿真與模擬這兩個術(shù)語，但它們之間仍有很大的區(qū)別。仿真完全利用軟件來對一種產(chǎn)品或子系統(tǒng)進行建模，因此工程師們首先可試驗各種備選方案，并通過改進設(shè)計來幫助制造或提高產(chǎn)品性能。當(dāng)產(chǎn)品尚處于設(shè)計制圖階段時，仿真不失為一種功能強大的工具，但它在生產(chǎn)啟動時卻只能提供很少的收益，因為仿真雖然能告訴你產(chǎn)品應(yīng)該具有什么樣的性能，但它卻不能告訴你產(chǎn)品（或其特定復(fù)制品）究竟具有什么樣的性能。而且，仿真一種相對復(fù)雜的控制系統(tǒng)，在很多情況下可能是一項非常耗時的工作，從而進一步限制了它在生產(chǎn)環(huán)境中的可應(yīng)用性。
模擬與仿真之間存在幾個關(guān)鍵的不同。根據(jù)Dennis Howe的“免費在線計算詞典”的解釋，一個系統(tǒng)只有在它以同樣的方式運行時（盡管并非必須是在同樣的速度上），它才能被稱為是在仿真另一個系統(tǒng)。仿真用于代替軟件及特定硬件來成為產(chǎn)品架構(gòu)的一部分，它允許對產(chǎn)品或其子系統(tǒng)進行實時試驗，其中包括控制軟件的功能。它能“讓時鐘停下來”以使工程師們能查看那些在正常運行時不可能有足夠的時間進行觀察或測量的瞬時狀態(tài)。
仿真器（仿真程序）可將產(chǎn)品的整個設(shè)計映射到FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）或其他定制可編程裝置上。仿真設(shè)置在程序控制下可模擬系統(tǒng)的幾個子部分，在生產(chǎn)測試過程中，分別模仿這些子系統(tǒng)，可通過嚴(yán)格限制每一測試部分的范圍來減少整個測試過程的復(fù)雜性。此外，利用仿真器將信號與產(chǎn)品的“真實”部分掛鉤，工程師們可觀察這些信號對各種軟硬件版本的實際反應(yīng)，這種方法可預(yù)測產(chǎn)品運行實際控制應(yīng)用時它將具有怎樣的性能，以及修改與修訂將對性能產(chǎn)生怎樣的影響等。
將仿真結(jié)果與其他基于軟件的模擬進行組合可進一步提高產(chǎn)品設(shè)計。仿真對于大型控制系統(tǒng)尤其有用，因為制造商可以在產(chǎn)品生命周期的前期對其進行調(diào)試，這要優(yōu)于為產(chǎn)品制造一個樣機或全尺寸工作系統(tǒng)，從而可顯著地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。芯片或設(shè)備制造商經(jīng)常通過提供帶有仿真或模擬功能的測試或開發(fā)工具來幫助用戶進行技術(shù)集成，這對于開發(fā)小型系統(tǒng)來說尤其有用。 捷徑
在試生產(chǎn)及起步制造階段，即使有些部件還沒來得及生產(chǎn)，通過仿真也能對整個產(chǎn)品進行測試。當(dāng)這些部件制造出來后（假設(shè)它們能工作），便能以最少的工作量將其無縫地“安插”到產(chǎn)品中。在制造過程中從這些點上所獲得的早期反饋，可幫助預(yù)測產(chǎn)品的現(xiàn)場表現(xiàn)，同時還能以更少的意外在現(xiàn)場進行更快的啟動。
高級仿真系統(tǒng)允許數(shù)據(jù)從自由運行的系統(tǒng)（以正常速度運行的系統(tǒng)）上輸入而無需中斷系統(tǒng)的運行，從而能提高精度及結(jié)果的有效性。例如德州儀器公司基于掃描的PCIBus JTAG型仿真器，即能提供幫助減少由處理器速度的提高而造成的“可視性消失”問題，也就是說，仿真器無需對控制系統(tǒng)的印制電路板進行針床接入，也無需光學(xué)檢查中所需的視線可見性，即能對控制系統(tǒng)進行測試。
此外，仿真還能使工程師們對系統(tǒng)的外圍設(shè)備控制、數(shù)據(jù)總線以及其他駐留在板上設(shè)備中的部件有更深入的了解。而在這種情況下，想要跟蹤實際應(yīng)用如何在芯片內(nèi)執(zhí)行或者找到一個數(shù)據(jù)訪問測試點卻幾乎是不可能的。但仿真器卻能將數(shù)據(jù)傳輸至（或從中傳出）一個托管開發(fā)平臺及目標(biāo)處理器上，下載代碼，“即時”查看復(fù)雜的數(shù)據(jù)序列，同時還能不犧牲產(chǎn)品的全速運行。
盡管大多數(shù)廠商在開發(fā)周期的某些點上已經(jīng)采用了模擬與仿真，但根據(jù)Verisity的“Testbench Acceleration（測試平臺加速）”白皮書的說法，一個小組一般只能處理其中一項技術(shù)。在模擬與仿真中所關(guān)心的一個關(guān)鍵問題是測試及檢驗?zāi)Ｐ偷膩碓础?BR> 例如，仿真小組可能采用專為某一步驟而創(chuàng)建的隨機測試向量，但為了能提供可體現(xiàn)產(chǎn)品性能的最佳及最精確的仿真畫面，他們也經(jīng)常使用一些在“如果-即”這樣的仿真中所收集并記錄下來的刺激源，或者使用一些由專用測試程序或由“真實”環(huán)境所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量（比如實際網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包流量）等。在3種備選方案中，仿真刺激被證明是最有用的，因為它們最可能包含極端條件，例如產(chǎn)生一種“除以零”的數(shù)據(jù)等。假如這種條件十分罕見，則隨機產(chǎn)生的測試向量以及真實情況運算向量子集就很可能發(fā)現(xiàn)不了它們。
練習(xí)使用模擬過程中收集到的刺激源，要求將每一個向量發(fā)給仿真工作平臺，以軟件來執(zhí)行，并對所產(chǎn)生的結(jié)果進行監(jiān)視。一些廠商嘗試通過利用一種類似于API（應(yīng)用編程接口）的通信總線（大多數(shù)仿真器都能提供）將工作站與仿真器相連、或通過創(chuàng)建一些準(zhǔn)備仿真的測試臺來將這兩個過程整合在一起。
例如，Cimetrix公司即為多軸機器控制應(yīng)用提供了一系列開放架構(gòu)機器建模及運動控制軟件產(chǎn)品。由該公司提供的這種所謂的“仿真環(huán)境”，通過模擬最終產(chǎn)品的運行而能同時進行軟、硬件開發(fā)。Cimetrix還提供一種離線環(huán)境，用于構(gòu)建機器模型以及開發(fā)一些可相同地運行于這些模型及最終控制系統(tǒng)上的軟件應(yīng)用。此外，制造商還能在實際硬件可用--甚至被充分定義以前即開始相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)工作。Cimetrix公司聲稱，由它提供的方案最多可將產(chǎn)品實現(xiàn)時間縮短70%。
 實例
根據(jù)Rockwell Automation（它開發(fā)了一種稱為RSTestStand的仿真器）的說法，通過使制造商離線測試控制系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真可將這一測試步驟從開始時的關(guān)鍵階段撤除。這種工具允許以一種可控方式來測試設(shè)備的故障及系統(tǒng)響應(yīng)。它簡化了軟件與測試平臺的連接過程，因為它不需要進行實際的物理設(shè)備連線，但卻能創(chuàng)建被測控制系統(tǒng)運行進程的快照。而且，由于大多數(shù)仿真是通過軟件來進行，因此工程師們可以很容易地通過保存及重裝軟件應(yīng)用來檢驗各種可能的刺激源組合及替代方案。Rockwell開發(fā)的TestStand可將仿真結(jié)果以可視形式呈現(xiàn)在傳統(tǒng)的PC顯示器上。制造商們爭辯說，可視化能使人們更好地了解眾多控制元素之間的復(fù)雜關(guān)系，而這些元素可能會以各種無法預(yù)料的方式對相對罕見的條件起反應(yīng)。同時還能用這些顯示器來培訓(xùn)操作及維護人員，從而無需在工廠中購置其他昂貴的設(shè)備。
為闡明這一概念，請看Voith Siemens公司（賓州約克市）為紐約州Massena市巨大的St.Lawrence Franklin D.Roosevelt電力項目所安裝的新型控制系統(tǒng)。該項目包括位于美國及加拿大兩側(cè)的16臺70兆瓦的水電渦輪發(fā)電機組，每臺機組由一個Rockwell Automation控制器（Allen-Bradley ControlLogix）控制，來對告警觸發(fā)、冷卻與潤滑、自動關(guān)機以及泵與閥門操作進行全面控制。
過去，Voith Siemens曾試驗過一種帶有硬連線測試臺的單元控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)需要有實際的設(shè)備來接收測試輸入并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出�？刂七^程昂貴而耗時，且經(jīng)常將其自身的錯誤帶入控制系統(tǒng)中。這一類試驗僅允許采用數(shù)量有限的開關(guān)、燈泡以及其他測試部件。結(jié)果，Voith Siemens 不得不在測試中途交換設(shè)備或?qū)y試臺重新連線，從而不能對一個系統(tǒng)進行連續(xù)且一次性的測試，而有時錯誤的設(shè)備連線又產(chǎn)生出不可信的測試結(jié)果。 避免硬連線測試
“硬連線測試需要很長的時間才能建立，且任何設(shè)備誤配置均會降低它們的精度”，Voith Siemens公司項目主管Darryl Stevenson評述說，“我們需要縮短過程并改進測試結(jié)果”。他還說，除硬件以外，Voith Siemens 經(jīng)常不得不去開發(fā)定制的仿真程序來完成適當(dāng)?shù)臏y試，而額外的程序又增加了另一種層次上的復(fù)雜性并有可能成為另一種錯誤源。
通過用RSTestSTand來取代物理設(shè)備輸入--泵、傳感器等，用戶使用軟件操作即能對控制器的實際性能進行檢查。通過這種新的系統(tǒng)，向系統(tǒng)配置中增添泵或開關(guān)只需改變軟件即能完成，從而排除了在可用測試資源數(shù)量上的限制。操作員通過軟件接口可以很容易對測試工作臺進行配置，以代表各種控制過程--離散或連續(xù)等，然后再對控制過程中的許多不同控制信號做出響應(yīng)。
以這種新的方法，Voith Siemens可在一種全集成的環(huán)境下對整個單元控制進行完全地測試，從而提高結(jié)果的精度及時效性。另外，更少的定制程序開發(fā)，也使工程師們能更多地關(guān)注測試端的應(yīng)用。同時，系統(tǒng)模塊化也使程序再利用變得更加容易，從而在需要進行改動或升級時能節(jié)省更多的時間。 成本與收益
軟件的經(jīng)濟性迫使電子設(shè)備制造商及其他廠商重新思考上升至全能力生產(chǎn)過程中的成本與回報。在測試過程中用仿真來代替系統(tǒng)的某些部分，可實現(xiàn)軟硬件及應(yīng)用的并行開發(fā)。關(guān)鍵問題是--總是如此--進入市場的時間。與硬件原型及純模擬相比，仿真能提供更多的優(yōu)勢，而所導(dǎo)致的方法則能同時實現(xiàn)縮短進入市場的時間以及降低相關(guān)開發(fā)成本的雙重目的。
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Cimetrix
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Rockwell Automation
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Verisity
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