自動化虛擬調試：徹底改變製造業的未來

您是否曾經希望在購買新的自動化解決方案之前先嘗試？這就是虛擬調試背後的想法……它可能是自動化的未來。

透過虛擬調試，您可以建立理想自動化解決方案的虛擬模型。您可以測試這些解決方案，調整它們，並查看自動化技術如何與您的特定流程搭配使用。

調試任何自動化解決方案都可能是一個複雜且耗時的過程。透過虛擬調試，您可以使用機器人仿真技術來降低複雜性和時間。它可以避免不必要的停機，因為您無需使現有機器離線即可測試自動化解決方案。

從現在開始，虛擬調試似乎仍將是自動化流程中的核心步驟。如果您正在尋找一種簡化部署過程的方法，那麼此選項可能是答案。

什麼是虛擬調試？

虛擬調試是在將實體硬體部署到製造環境之前使用模擬技術來設計、安裝和測試自動化解決方案。例如，機器人模擬軟體可以最佳化機器人的部署，而不會造成不必要的停機。

任何虛擬調試專案的核心都是仿真軟體。該軟體將包括可能使用的任何自動化技術的虛擬模型，以及用於測試系統操作的演算法和功能。

透過機器人解決方案，您可以使用相同的模擬軟體對實體機器人進行程式設計。 RoboDK 包括模擬和離線編程功能。在模擬器中完成部署測試後，您可以連接實體機器人並將程式直接下載到機器人硬體。

虛擬調試和傳統調試之間的區別

虛擬調試與傳統調試真的有那麼不同嗎？

這兩種調試自動化項目的方法之間存在一些關鍵差異。

傳統調試通常在您將部署自動化解決方案的實體位置現場進行，例如工廠車間。您攜帶各種實體工具和測試設備來進行手動故障排除。這意味著您可能必須在調試專案期間關閉部分或全部現有製造流程，這可能成本高昂。

透過虛擬調試，您可以遠端執行大部分部署，僅在最後到達現場。

此外，傳統的調試過程往往需要更長的時間，並且需要更大的團隊來進行現場實施。透過虛擬調試，一個小團隊甚至一個人就可以遠端完成大部分部署工作。

虛擬調試如何進行？

基本思想是創建自動化解決方案的類比或數位孿生。這是一個虛擬模型，顯示機器（或多台機器）如何在您的流程中運作。

您可以使用此虛擬模型來測試不同的場景，看看這將如何影響自動化解決方案。這有助於您在將解決方案應用於物理環境之前對其進行最佳化。

使用機器人模擬器進行虛擬調試涉及：

• 建立或匯入生產線相關部分的虛擬模型。
• 從機器人庫載入機器人模型以及任何其他設備。
• 為您的特定應用程式建立機器人程式。
• 在將機器人解決方案部署到工廠車間之前，先對其各個方面進行最佳化。

以這種方式進行調試，您可以在受控、無風險的環境中測試您的解決方案。

虛擬調試的 5 個獨特優勢

以下是虛擬調試的 5 個獨特優勢：

1. 高效部署

由於虛擬調試顯著減少了耗時的現場活動的需要，因此提高了部署的營運效率。這有助於您避免代價高昂的停機時間，並使您的流程整體更有效率。

2.更安全的自動化

透過在虛擬環境中模擬您的自動化項目，您可以以安全且受控的方式測試潛在危險。這有助於您避免傳統物理調試過程中可能發生的事故和傷害。它還允許您測試使用實體硬體無法測試的危險極限情況。

3. 改善團隊溝通

模擬器可以為所有團隊成員提供一個通用平台，以查看、理解自動化解決方案並提出更改建議。這有助於改善溝通並避免潛在的誤解。借助 Web 版 RoboDK，您的同事甚至無需安裝軟體即可查看模擬。

4. 靈活應對變化

虛擬調試的一大好處是可以輕鬆地對生產流程進行更改或調整。您可以在模擬器中快速測試新想法，並安全地知道您不會中斷生產。

5. 更好地理解解決方案

最後，在模擬器中開發自動化解決方案可以讓您更了解它的工作原理。透過在虛擬環境中「使用」該技術，您將很快獲得有關其可能性和局限性的實用知識。這可以幫助您在現實世界中更好地利用該技術。

虛擬調試會改變自動化嗎？

隨著數位工具的日益普及，虛擬調試似乎將繼續存在。

虛擬調試有助於打破限制許多製造商採用機器人的自動化進入障礙。它可以讓任何人快速有效地將自動化技術部署到其製造流程中，同時減少與不必要的停機相關的風險。

當您透過虛擬調試部署機器人技術時，自動化專案成功的機會就會增加。這使得機器人技術作為解決方案的風險更小，更有價值。

製藥設施設計與工程的技術趨勢

隨著公司尋求降低成本、充分優化資源和簡化運營，製藥製造隨著技術的進步而不斷發展。這延伸到設施的設計和工程。本文探討了與設施設計和工程相關的幾個新興技術趨勢，這些趨勢對製藥公司顯著有利。  

虛擬調試 

新製藥設施的建設和調試需要大量時間和成本。 藥物研究管理協會 據估計，建造一座新設施可能耗資高達 $20 億美元，並且需要 5 到 10 年才能完成。考慮到這一點，調試和施工過程中的每一步都必須順利、高效且經濟高效地執行，以便運營正常進行並儘快產生投資回報。 

 通常，時間和資金成本的很大一部分直接來自設施、生產線和設備調試。設施或設備設計、要求和配置的後期變更或延遲必須最小化，或理想情況下完全消除，以降低設施調試的總體成本。為了解決這個問題，製藥商可以尋求虛擬調試，這是一種使用仿真將傳統和虛擬開發和測試相結合的方法。與實體調試不同，虛擬調試可以在購買或構建任何硬體之前很久就開始。與傳統調試相比，此方法可節省高達 40% 的調試時間，降低風險和不確定性，提高安全性和敏捷性，並降低設計變更成本。  

 類比、模擬與數位孿生 

 數位孿生是現實世界實體實體、系統或與實體實體同步的流程的虛擬表示。數位孿生和可觀察製造元素 (OME) 通常透過將感測器資料從實體實體傳播到數位孿生來實現同步。數位孿生可以透過類比或模擬來構建，但需要與 OME 同步。同步模擬/模擬的頻率和保真度必須適合其設計要完成的任務。 

 數位孿生可以透過多種不同的商業或開源軟體包構建，但始終包括實體元素、同步機制以及運行模型/虛擬表示的軟體包（通常源自 CAE/多物理場軟體）。創建數位孿生需要在虛擬表示中準確複製 OME 感興趣的元素。對於生產設備，這通常涉及製程或機電一體化系統的定義，包括馬達、執行器、儀表，連接到運行特定應用軟體的自動化系統。  

使用生產設備實施數位孿生的價值在於，可以估計物理系統的狀態，超出可立即觀察到的範圍。其典型應用包括軟體測量、自適應故障校正、模型預測控制和預測維護。生產設備可以融入整個製造流程的更大數位孿生中，以支援需求驅動的準時製造。 

在虛擬調試應用中，由於實體設備可能不存在，因此數位孿生可能無法實現。相反，生產設備的模型與控制系統一起部署，以便兩者可以共同開發。控制系統將生產設備模型視為仿真，因為控制系統可以透過命令輸出和狀態回饋（稱為硬體在環）與模型自然互動。為了使這項技術成功，生產設備模型需要準確地表示物理系統的特定行為。 

從避免錯誤和實現專案時程的角度來看，基於模擬的虛擬調試可以顯著降低專案風險。由於場景和設計選擇可以在沒有實體設備的情況下進行徹底測試，工程師可以測試和驗證各種系統元素，包括特定於應用程式的軟體模組、配方配置、故障模式和恢復以及使用者介面功效，而無需依賴預定的測試設備或在場。地點。因此，採用虛擬調試的專案通常需要較少的現場調試時間，並且通常對人員和財產更安全。 

一旦設備經過調試和驗證，虛擬調試的模擬就可以繼續用作與實體設備同步的數位孿生。由於模型已經建構完畢，因此它可以立即用作物理系統的理想化表示。工程師可以使用這個數位孿生來優化設施設計、系統設計、生產線運作以及工廠和機械要求等。  

基礎設施即程式碼 

從IT/OT融合的角度來看，虛擬調試可以使用敏捷的IT概念來開發OT領域的基礎設施即程式碼等流程，目標是實現程式碼開發和基礎設施配置的自動化。

這些 IT 概念的採用將從根本上改變 OT 工程師的工作流程。這個過程不像傳統分散式控制系統 (DCS) 那樣從頭開始建立系統和程式碼，而是更像敏捷軟體開發角色，工程師更專注於維護自動化軟體系統而不是開發應用程式程式碼和基礎設施。對於最終用戶來說，這可能意味著安裝、配置和修補控制系統基礎架構的艱鉅任務將成為自動化工作流程。對於機器製造商來說，這可能會導致訂單處理系統發送配置來動態建立自動化基礎設施和應用程式程式碼，以根據客戶選擇的選項進行訂購，而無需工程師參與。   

OEM設備編排  

OEM 設備透過提供特定製程選擇和組合最佳設備解決方案的靈活性，構成了現代模組化製藥工廠的基礎。調試和驗證 OEM 設備通常是一個更快的過程，因為製造商收到的是預先組裝好的、專門編程的單元。此外，原始設備製造商通常提供處於驗證就緒狀態的設備，從而可以輕鬆驗證設備在 CGMP 設施中的使用資格。設備建置和應用程式碼開發無需依賴內部資源或第三方。然而，不同設備供應商之間不同的連接標準和介面可能會帶來挑戰，使得將多個設備整合到統一的控制系統中變得困難。這就是 OEM 設備編排發揮作用的地方。 

需要編排策略 

如果沒有戰略方法和明確的規範，OEM 設備的使用會導致自動化的零散孤島。缺乏策略通常是由於最終用戶與設備供應商的合作較晚所造成的。當最初的設備採購過程中沒有考慮自動化時，工程師通常很難整合設備或依賴工程公司來處理整合。這種將設備拼接在一起的後期過程作為事後的想法最多可能導致工廠內的介面能力有限。最糟糕的情況是，整個過程可能會適得其反，因為既耗時又昂貴，而且數位成熟度卻沒有提高。 

為了解決這些問題，製藥商可以採用 OEM 設備編排的整體計劃，以自動化和協調各種組件，以便在設施規範和設計階段的早期無縫地協同工作。在購買任何設備之前建立全面的標準允許最終用戶與其設備供應商協作，使 OEM 有機會在其設備如何融入統一自動化平台方面脫穎而出。對於最終用戶來說，這簡化了交叉培訓並標準化了介面、警報系統、診斷和配方管理。這降低了成本，簡化了運營，並加快了施工、調試和設施鑑定。 

利用標準化介面 

最終用戶要求 OEM 設備具有即插即用功能，能夠與任何分散式控制系統 (DCS) 或監控和資料收集 (SCADA) 系統整合。這種即插即用功能標準化了核心自動化服務，例如跨不同裝置的裝置介面和配方管理、使用者介面螢幕、稽核追蹤和警報管理。即插即用標準系統地連接所有這些元素，並使用標準化介面（例如 NAMUR 模組類型套件 (MTP)）和現代協定（例如 OPC 統一架構 (OPCUA)）來協調它們。將所有這些不同的平台整合在一起可以帶來一致性，節省整合時間和精力，並使即插即用成為未來設施的可行技術。  

這些技術應被視為 OEM 編排凝聚力策略的增強，而不是取代組織之間的協作和綜合規範所完成的所有工作。不存在將設備無縫整合在一起以提供通用服務集的神奇按鈕，最終用戶與其設備和技術供應商的建設性關係在有效的 OEM 編排策略中發揮著重要作用。考慮一下這種情況，完全使用具有標準化介面的黑匣子設備構建的工廠可能可以快速集成，但由於管理大量支援合約、不同的備件和缺乏，最終用戶長期支援會很困難且成本高昂。OEM 設備上應用軟體的一致性甚至存取權限。  

眾多好處  

簡而言之，OEM 設備的編排有助於為設施創建統一的自動化平台。這最終會縮短最終用戶的上市時間並降低總擁有成本。有效的編排能夠以易於自訂和可擴展的方式整合不同的 OEM 組件，將新設備添加到現有系統中，以及未來升級和擴展的無縫整合。透過簡化故障排除和維護，可以減少停機時間和平均修復時間 (MTTR)。 

先進治療藥品

與設施工程相關的另一個新興趨勢是工業自動化的變革，以適應先進治療藥物 (ATMP) 領域。其中許多療法都是自體療法，這意味著它們源自於一個人，然後回饋給同一個人。這些自體療法的產量非常小，通常以毫升為單位。現有的自動化系統設計用於大規模生產，因此這裡的概念是將自動化技術小型化以在桌上型單元或儀器上運行。然後可以將這些台式單元編排成協調的流程序列來進行治療，並擴展流程以適應更多個別患者的更多流程序列。 

這項策略成功的關鍵在於自動化供應商是否願意縮小其技術規模，為桌上型設備提供相同的商業現成軟體和硬體功能。這對於限制這些先進療法從製程開發 (PD) 領域到 cGMP 製造的技術轉移所需的返工量至關重要。與能夠縮小規模並在這些不同的工業和實驗室設備系列中靈活操作的自動化供應商合作，以確保準確性和患者安全至關重要。

從開始到完成

製藥公司正在積極採用技術來提高生產力、效率和投資回報並保持競爭優勢。虛擬調試和 OEM 設備編排等措施正在被採用，以加快引入新產能和功能，並優化設施運營，最終實現適應性設施。

利用虛擬調試，可以在實際工作開始之前對設施進行設計、建模、工程和測試。這種方法可以優化佈局、生產率、吞吐量、流量和能源效率等各個方面。 OEM 設備的編排可實現流程自動化和介面標準化，從而促進為設施創建統一自動化平台的工作，最終將加快產品上市時間並降低最終用戶的總擁有成本。

利用新技術力量的製藥公司將能夠更好地優化從開始到完成的設施流程。

結論

虛擬調試處於自動化技術進步的前沿，為旨在更有效地整合自動化解決方案的行業提供了一種變革性的方法。透過利用模擬技術，虛擬調試使企業能夠在實體實施之前在數位環境中設計、測試和完善自動化系統。此流程不僅提高了效率和安全性，而且還促進了更好的團隊協作和對變化的適應能力，確保全面了解解決方案的功能和限制。

虛擬調試和傳統調試之間的區別強調了透過數位模擬獲得的進步和效率。虛擬調試最大限度地減少了對大量現場活動的需求，降低了與實體測試相關的風險，並加速了部署過程，使其成為尋求採用自動化技術的行業的關鍵策略。

隨著數位工具在製造中的日益整合以及模擬軟體的不斷發展，虛擬調試有望成為自動化專案的一個組成部分。它透過降低風險和減少停機時間來打破自動化採用的障礙，從而實現先進製造技術的民主化。

隨著各行業不斷應對採用新技術的挑戰，虛擬調試在促進更順暢、更安全和更具成本效益的自動化解決方案整合方面的作用不容小覷。它證明了製造業數位轉型的力量，讓我們得以一睹虛擬和實體領域整合以優化生產流程並推動創新的未來。

感謝 Alex Owen-Hill 和 John Hatzis 分享這個想法。