在工业4.0意义上的数字化和自动化能够提供更多新的可能性，与此同时，也要面对许多新的挑战。用户方的需求正在稳步增长：较短的产品转换和设备调整时间，长期的供货期限压力，变型产品的数量越来越多。

为了应对这些挑战，充分的利用好网络化和数字化系统带来的好处，越来越多的企业开始在设备调试之前采用数字化双胞胎技术。它不仅是测试计划和测试计划实施的一种方法，另外还能及早的发现和纠正自动化控制系统中的软件错误。

企业引进工业4.0之后要求开展数字化双胞胎的相关工作

机床设备中的软件数量不断增加

数字化双胞胎测试必要的自动化测试工具(缩写TAW)有助于自动化的测试，所以，今天手动执行的测试有必要实现自动化以便明显的提高测试的质量、同时降低测试的成本。这将作为未来机床设备制造商努力实现的目标，可以使得这些制造商在用户要求不断提高的情况下实现盈利。

在机床设备调试之前利用模拟技术方法对机床设备的控制软件进行模拟、找出控制软件存在的问题、及时纠正错误。尤其是对于那些可以借助智能手机对机床进行操作的设备，对在控制系统中直观的操作方式和可定制的操作界面提出了越来越高的要求，这都使得现代化控制软件的结构变得越来越复杂。这些控制系统常常由若干个核心模块组成：HMI模块(人机界面，用户界面)、PLC模块(可编程序逻辑控制器)和NC模块(数字控制)。由于这些核心模块之间、机床设备与企业的主控制系统之间存在着不同的接口，因此又提高了此类系统的复杂性。

软件的测试和调试

为了检查控制软件是否能够有意义的运行就必须进行测试。目前，软件测试的最重要工作仍然是在控制软件的安装和调试过程中进行的，可以对控制软件的交互性能进行评估。许多企业都希望能够及早的开始测试，为了满足用户的愿望，越来越多的软件供应商采用了虚拟调试的性能调试方法，也就是将控制硬件和控制软件与虚拟的机床设备模型连接起来进行测试。利用这种方法可以实时的模拟机床设备的工作运行情况，即所谓的HIL硬件在环的半实物仿真模拟实验。

能够提前对控制软件系统在最理想环境中和最差环境中的工作情况进行测试，因此可以更快地在用户那里完成现场验收测试。在最理想的工作环境中，可以测试控制软件是否满足了用户需要的性能和功能;在最差环境下的测试则是验证控制软件在有危险和有干扰的环境中软件运行的可靠性和稳定性。

对控制软件的测试是必要的，但虚拟调试也对企业提出了挑战。原则上虚拟调试使用的机床设备或模型都是按照非常相似的步骤进行的：检查员一步步的执行各个测试步骤，根据测试内容的检查表一项项手动输入到测试系统中进行HIL硬件在环的半实物仿真模拟的。通过对数字化双胞胎的适当干预——人为的进行故障和干扰。

这就可以能使控制技术算法语言对错误识别和错误响应进行评估了。然而手动执行这些测试时总是会出现一些错误的，例如在观察系统状况时测试步骤的错误解释或者检查员的疏忽。另外，在软件更改之后或者是设备部件更换之后检查员要全部重新检查一遍(回归测试) - 这就导致了高昂的时间代价。另外，由于机床设备的模块化和可配置性能不可避免地会出现许多单项要重复测试。还有一个更为复杂的因素：机床设备型号不变，但使用的控制软件是由不同软件开发商提供的软件。相应的，也要事先测试各种软件和机床设备的不同组合形式。控制系统开发商不断的软件升级也要求定期的对控制软件进行回归测试。

图1 研究项目中包括自动化测试工具和硬件在环在内解决方案的体系结构

为了迎接这些挑战，就需要合适的TAW自动化测试工具。在选择合适解决方案时，需要考虑不同的问题。首先，TAW自动化测试工具必须支持定义的测试模块。这对于保证在机床设备研发的不同阶段重复使用所创建的测试过程是十分必要的。另外，在没有编程技术知识的情况下能够创建测试模块也是非常重要的。只有这样才能保证项目参与者也能参与控制软件的测试工作。第三，如果TAW自动化测试工具提供的测试过程易于理解、有着很好的直观操作性能则对用户是有帮助的。这也涉及到将TAW自动化测试工具集成到控制系统中的交互问题。最后，由于TAW自动化测试工具常常是对复杂的机床设备控制系统进行测试，因此能够将平行的测试过程、分支测试过程和测试循环集成到测试过程中。

多个控制系统相互作用的综合性检验

企业在自动化测试方面也遇到了很多的挑战：一台机床设备的控制系统常常是由多套控制软件共同完成控制任务的。因此，TAW自动化测试工具就应该有能力对多个数字化双胞胎和它们的综合作用进行测试。不容忽视的还有一个详细的日志功能，即自动化测试的意义和目的就是快速而且准确的找出错误、简简单单的纠正错误。这也影响到各个检测模块输入和输出数据的记录，同时也将影响自动化测试的检验报告。

由于生产厂生产产品的时间越来越短，因此在自动化测试中时间也是一个非常重要的因素，为了尽可能的缩短自动化测试的周转时间，应尽可能的在测试过程中立即修改控制软件并立即进行修改后的测试。另一个非常重要的方面就是测试模块的调试、故障查找和纠错，要设置一些断点、逐步执行和跟踪检测。

图2 在理想情况下应能自动完成控制系统的测试

机床设备的特殊结构在自动化测试中也有着重要的意义和作用，通常情况下，机床设备的特殊构件都是模块化结构设计的，并且根据用户的特殊使用要求有着许许多多不同的变型形式。根据机床设备的结构配置，这些模块的硬件地址和软件地址、参数、输入和输出端都可能会发生变化。这也就要求TAW自动化测试工具是可以调整、设置的。为了能够快速、可靠、简单的按照机床设备的具体结构配置进行调整、设置，就必须用象征性的符号解决参数地址问题。

图3 机床设备的控制以及过程和功能部件

机床设备控制系统面临的另一个挑战是，用户可以自由的选择控制系统。这也就要求TAW自动化测试工具必须具有独立于软件开发商和电子元器件的兼容性。目的是使用相同的测试模块对不同软件开发商开发的控制系统进行测试。

如果用户选择了自动化测试工具，就能够在很短的时间里掌握TAW自动化测试工具的应用，可以从一开始就专注于创建必要的测试过程。另一方面。自动化测试工具也明显的缩短了控制系统的检测时间，因此许多企业都更愿意用自动化测试工具作为标准的检测方法。同时，TAW自动化测试工具能够在无人值守的情况下自动检测：在没有操作人员的夜间和周末继续完成它的检测任务。

实践中最常用的TAW

利用自动化测试工具进行耐久性测试也不是问题，因此，企业能发现一些偶然性的错误。除了提高控制软件的质量之外还可以提高控制软件交付期的可靠性，明显的缩短虚拟设备的调试时间。

最常用的机床设备控制系统是西门子的Sinumerik 840D sl;而在ISG-Dirigent系统中，基本工具Expecco除了带有一些帮助的数据库之外还带有机床设备测试所必须的数据库。例如测试模块与Sinumerik 840D sl操作界面相互通信的Qt数据库，将键盘输入指令传递给Sinumerik 840D sl操作面板的VNC数据库。

SCP数据库则允许在Sinumerik 840D sl中读取和发送数据(例如NC程序)。但对于西门子Sinumerik 840D sl控制软件来讲，只有ISG数据库是执行全部ISG Dirigent功能的补充工具，让用户能够完全使用的补充工具。在这些数据库的基础上，OPC UA客户端接口和ISG virtuos客户端接口才能与控制系统或者数字化双胞胎建立通讯联系。该数据库又分为以下几个子库：

● 控制面板组(OP 012)中的程序块能够使测试模块与控制面板的控制之间实现以用户为中心的交互操作。

● 机床控制面板组(MCP483)的程序块能够使测试模块与机床控制面板之间实现以用户为中心的交互操作。

● 机床和设置数据组的程序块允许以用户为中心的经测试模块访问控制器中的这些数据。

● 算法参数和用户数据组的程序块允许以用户为中心的经测试模块访问控制器的这些数据。

● PLC数据组的程序块使用户可以方便经测试模块访问控制器的这些数据。

由机床设备生产厂家进行系统化

在机床设备生产厂家将其测试程序系统化后，还要定义各个测试步骤的测试过程，采集测试过程的各个期望值，创建测试报告模板。完成这些任务后，设备生产厂家就可以开始控制软件各个相同部分的识别测试了，可以一步步的建成可重复使用的测试步骤库。TAW自动化测试工具中的测试报告模板保证了在测试过程中快速的了解整个测试过程的概况，知道在什么地方出现了错误。