仿真、模拟、建模——使用软件来复制一个或多个工业硬件的行为的过程——长期以来一直是汽车制造的一部分。例如，用于逻辑验证的仿真，也称为控制系统仿真或虚拟调试，是由通用汽车(General Motors)在20世纪90年代初。在航空航天行业，离线软件以将数千个子组装部件集成到更大的系统中以实现更快的生产过程而闻名。这是工业工程中一个复杂而不断发展的领域，其目标值得称赞:为控制工程师提供一种方法，在系统安装之前验证控制器逻辑和人机接口(HMIs)，从而提高质量并加快系统调试。
如今，虚拟调试技术背后的科学和工具已经发展到足以引起其他行业的注意，并开始从中获益。宝洁(Procter & Gamble)例如，美国公司现在使用模拟测试将调试时间缩短了一半。包装机械制造商也在使用它来改善包装生产线的操作。
PLM的高级分析师迪克•斯兰斯基表示:“汽车行业很早就接受了虚拟试车和模拟技术，但他们在这方面遇到了困难ARC咨询集团．“通用汽车和他们的输送机、控制、机器人和焊接(CCRW)集团最初试图让达索Systèmes的德尔米亚工厂虚拟调试[软件]与他们的设备一起工作，他们取得了好坏参半的成功。”
系统思考
然而，虚拟试运行的挑战并没有吓倒汽车公司。大众汽车例如，斯兰斯基说，“正在执行一项任务。”“这家德国汽车制造商想要掌控世界，并在其设计的整个生命周期——包括机器的制造、操作和维护——拥有一个通用的自动化系统。”
Slansky补充道:“虚拟调试确实已经向系统思维发展，而不仅仅是纯粹的控制模拟工具。”
虽然模拟软件最初的目标是控制应用，如装配线上的机器人点焊，但现在一个更大的系统工程方法正在占据主导地位。例如，自动化供应商西门子，通过其西门子PLM部门，提供机电一体化概念设计师平台，包括多工程学科方法。
西门子的机电平台利用仿真工具提供了一个并发和连接的设计环境。产品设计将从机械设计开始，而电气工程师在同样的软件环境下同时进行设计。这将对实时的机械设计施加一定的限制。互连的设计过程还必须满足软件对整体设计的限制。
这种系统方法涉及大量的前期工程设计，这在某些领域是从未有过的，比如下游食品和饮料包装应用。在那里，即插即用机器是首选，定制很少超过20%。考虑到这一现实，虚拟试运行真的能在食品和饮料行业奏效吗?
“我和许多食品和饮料原始设备制造商的工程师交谈过，比如R.A.琼斯而且利乐包，并询问虚拟试运行是否可行。”“OEM工程师会使用它，但有一个很大的警告:如果大型饮料灌装生产线的机器制造商必须花更多的时间通过机器模拟进行前期建设，这可能不会盈利。”然而，他表示，由于生产数据难以获取，传统食品工厂是这种数字化制造系统方法的候选者。“这是实现生产线和工厂优化的一种帮助。”
包装线模拟
最近，美国中西部的一家食品制造商需要增加三条包装生产线的产量，因为对其产品的需求增加。最主要的问题在于其包装生产线的遗留设备，但挑战在于确定具体的设备瓶颈，以及解决这些瓶颈所需的投资。伯恩斯&麦克唐奈这家位于密苏里州堪萨斯城的设计和工程公司被请来帮忙。他们模拟了现有的包装线操作使用罗克韦尔自动化的舞台上的软件。竞技场模拟使用假设，带有单点估计的确定性建模;包装线上的不确定变量被指定为“最佳猜测”估计。
利用现有的生产数据，Burns & McDonnell模拟了这三条包装线，发现一些设备性能不佳。Burns & McDonnell获取了工厂的整体产能、生产进度、设备可靠性数据、设备速率和产能，从而创建了模拟生产线。
罗克韦尔自动化Arena software的董事兼总经理Rob Kranz表示:“我们的模拟软件能够让公司模拟和利用一个整体评估，能够基于可用的历史数据和其他信息，如资源可用性、原材料供应、生产线产能和存储/运输过程，预测总体设备效率(OEE)。”
根据Burns & McDonnell的说法，生产数据随后被用于为每件包装设备建立一个范围。Burns & McDonnell的工业工程师阿比•哈特克(Abbey Hatke)表示:“模拟软件准确模拟了工厂150天的产量，并将其与工厂6个月的历史数据进行了比较。”“这些结果包括设备可靠性和线路可靠性，彼此之间的差距在0.25%以内，这证实了我们的团队已经创建了一个真实的工厂环境，在其中测试其模拟。”
在筛选了工厂数据后，这家食品制造商专注于42种不同的场景进行测试和评估。对捆扎机、瓶盖机、盘前机和码垛机进行了专门的分析。Burns & McDonnell能够捕捉每个设备的工作范围，并建立120天生产的平均性能。
结果，这家食品公司避免了昂贵的拆换包装线，而是只更换了特定的设备。三条新线路的总成本达到1800万美元，但停机时间减少了80%。据Burns & McDonnell称，这实现了该公司急需的10%的产能增长。
智能制造研究所首席制造顾问兼ISA-95制造运营管理(MOM)工作组主席Charlie Gifford谈到了宝洁公司对模拟软件和系统工程方法的倡导。
Gifford说:“在公司组长Dave Chappelle(现已退休)的领导下，公司成功地进行了模拟测试，减少了一半的调试、设备和线路规格。”“通过建立数据集进行模拟测试，宝洁公司将通过PLC运行这些数据，进行故障影响模式分析，看看逻辑是否可以在自动化系统中发挥应有的作用。”
趋势研究所(Institute for Trend Research)的经济学家兼总裁艾伦·比尤利(Alan Beaulieu)表示，这个十年应该是“自动化技术的好十年”，他指出，强劲的制造业投资很明显，最近的经济数据显示“2015年和2016年制造业将出现增长”。
增加自动化投资的一个捐助者是机器人工作单元的系统集成商。机器人的应用已经在食品和饮料、半导体和制药业等一些行业向下游延伸。这些先进的SCARA机器人应用意味着更多的使用仿真的机会。
达文波特,位于爱荷华州的《创世纪》系统集团是一个系统集成商，执行了一系列的机器人应用，包括焊接和机械组装，无损检测和材料处理。该公司的模拟部门相对较新，但在过去四年中取得了巨大的增长。
Genesis Systems的产品和OEM营销总监Mike Jacobsen说:“离线编程允许您最小化停机时间和从一个生产运行切换到另一个生产运行。”“许多其他行业，如汽车、全地形车(ATVs)或建筑设备，都在利用模拟技术缩短多种产品的上市时间。”
Genesis使用达索Systèmes的Delmia V5通用机器人模拟软件进行工作单元概念和布局。该软件还为来自各种oem的机器人产品的概念测试提供了一种快速有效的方法。雅各布森说，Genesis在构建阶段平均减少了30%的工具更新时间，减少了65%的设计更改。
对于汽车和其他客户，Genesis使用来自II-VI公司Highyag部门的Highyag RLSK软件来进行激光头机器人焊接应用程序的离线编程。该软件为激光提供了精确的周期时间和路径。雅各布森说，对于实际的机器人编程，Genesis将模拟代码“转储”到发那科或库卡机器人软件中，然后开始实际的构建过程。
航空航天应用
就像在汽车领域一样，控制仿真是航空航天工业的主要内容，其有效性可以在加利福尼亚州霍桑市找到证明SpaceX公司．这家雄心勃勃的火箭公司由埃隆·马斯克领导特斯拉汽车而且贝宝它的猎鹰9号火箭是一种可重复使用的有效载荷火箭，具有可逆的推进器，它似乎将火箭发射成本降低了10倍。西门子PLM的Femap和NX仿真软件是该战略的关键部分。
如今，用于火箭或航空设计的更健壮的仿真软件可以更好地观察子组件和较大组件之间的相互依赖关系。这个过程也被称为“根据上下文进行设计”，包括需要强大计算需求的大型设计。SpaceX使用Femap和NX软件设计了它的两个标志性火箭，猎鹰1号和猎鹰9号，以及它的龙太空舱。
“猎鹰1号”和“猎鹰9号”火箭都包括超过25000个部件组件。SpaceX公司负责开发运营的副总裁克里斯•汤普森表示:“能够高效、及时地处理如此规模的组件非常重要。”“整个装配过程只需5到10分钟。一旦装载完毕，火箭的虚拟模型使设计师能够很容易地发现干扰。”
除了设计速度的提高，组装这些火箭也更快了。SpaceX公司的技术人员可以在车间接触到NX的设计模型，因此，例如，火箭内部的管道和电线的路线可以立即看到。该软件还支持火箭发射的视频模拟，因此每个系统都可以在虚拟环境中进行测试。
