数字化工厂概念探索

数字化工厂概念探索上海东方申信科技发展有限公司徐慧近两年，企业开始着手打造“数字化车间”，尤其在航空业、汽车制造业，屡有相关新闻。不同行业、企业对“数字化车间”有不同的理解，实施重点也不相同。现与大家分享一篇论文的部分内容，共同探讨数字化工厂的概念。该论文《数字化车间的构建策略》来自《机械设计与制造》，2009年第九期，作者李世杰。下面为截取的论文的部分内容。数字化车间内涵数字化车间是指以制造资源(Resource)、生产操作(Operation)和产品(Product)为核心，将数字化的产品设计数据，在现有实际制造系统的数字化现实环境中，对生产过程进行计算机仿真优化的虚拟制造方式。数字化车间技术是在高性能计算机及高速网络的支持下，采用计算机仿真与数字化现实技术．以群组协同工作的方式，它概括了对真实制造世界的对象和活动的建模与仿真研究的各个方面。从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，在计算机上实现产品制造的本质过程(包括产品的设计、性能分析、工艺规划、加工制造、质量检验、生产过程管理与控制)，通过计算机数字化模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题。在数字化车间的设计和规划阶段各种类型的人员所关心的层次有所不同，所以将数字化车间的模拟仿真力度进行层次的划分，使不同人员在不同阶段得到不同的仿真模拟力度。经过分析，把数字化车问软件分为以下四个层次：数字化车问层、数字化生产线层、数字化加工单元层、数字化操作层。1、数字化车间层对车间的设备布局和辅助设备及管网系统进行布局分析，对设备的占地面积和空间进行核准，为车间设计人员提供辅助的分析工具。2、数字化生产线层这一层要关心的是所设计的生产线能否达到设计的物流节拍和生产率。制造的成本是否满足要求，帮助工业工程师分析生产线布局的合理性、物流瓶颈和设备的使用效率等问题，同时也可对制造的成本进行分析。3、数字化加工单元层这一层主要提供对设备之间和设备内部的运动干涉问题，并可协助设备工艺规划员生成设备加工指令，再现真实的制造过程。4、数字化加工操作层对具体的上步进行详细的分析，对加工的过程进行干涉等的分析，进一步对可操作人员的人机工程方面进行分析。这四层的仿真力度逐渐细化，详细到设备的一个具体的动界耐昙作。可以说通过这四层的仿真模拟，达到对制造系统的设计规划优化、系统的性能分析和能力平衡以及工艺过程的优化和校验。数字化车间总体设计数字化车间系统的最终目标是在一个数字化环境中建立相对于物理系统的数字化车间，该系统能辅助设计人员快速可视化地规划车间布局、生产流程等，得到数字化车间模型后可以进行生产调度仿真、试验各种调度方案、验证布局的优劣，使车间在施工前得到充分地论证。工厂投产后，数字化车间可以和企业的ERP系统、数据库等结合，辅助管理人员管理生产，对技术人员进行指引，帮助销售人员进行演示、促进销售等。如图2所示，展示了系统地总体框架。首先设计人员规划车间内各种设备、各种单位的布局。设计人员根据产品、产量等信息，设计生产工艺方案，确定生产节拍。数字化车间系统提供各类设备的模型，设计人员以全3D地可视化方式选择设备，进行布局规划。同时，系统提供构造数字化模型的工具，帮助用户导入模型。数字化车间建立后，在其上对生产进行预演仿真，验证布局是否能够提供安全的生产环境、车间内物流是否通畅生产技术和应急方案是否可行等。根据仿真的结果，通过专家系统和优化方法的辅助，修改设计、优选方案。最后优选出的方案用于指导工厂的建设施工。在车间正式施工前，在数字化车间系统上预演设备的运入和安装、生产线的组装整合、各种辅助设备或区间的摆设等。这些可以保证工厂实施时能顺利进行、减少或避免施工的失误，加速车间的建设。车间投产后，数字化车间系统、ERP系统和真正的车间3个系统互相连接，辅助车间的管理运营。管理人员根据ERP系统和数据库的信息管理生产，调整生产计划、调度物流设备等；在这些决策作最后决定、发给真实车间执行前，管理人员先在数字化车间上预演，了解决策可能的执行状况。数字化车间和真实车间可以进行同步，让管理人员以可视化的方式监视生产运作，处理突发的事件，或者直接作为监控真实车间的界面，控制设备、下达命令。数字化车间系统构建策略数字化车间系统的规划是比较复杂的，不可能一次性完成这样的任务。可以分三个阶段实现该系统：1、建立基本布局系统让设计人员通过可视化的方法对厂房设计，生产线布局和各种物流进行规划设计。在此阶段，需要建立其软件的基本框架。和各种车间对象的仿真模型。在此要对车间内各种对生产有直接或间接关系的设备物品进行抽象分类，并建立与之对应的对象类(class)。要建立软件的人机界面，使用户能方便的管理这些对象，对车间进行由总体到局部的布局。完成后允许用户设计和布置车间内部的布局，诸如生产线的走向，各个工位的位置，配置何种设备及如何摆放，车间内各种附件位置等。2、加入调度控制和仿真系统使系统能对布置好的车间进行运行仿真，以检验各种设计布局是否合理。此阶段要设计智能控制对象和统计分析系统。智能调度对象总管车间内各种事务、按照生产计划，控制生产设备进行生产，控制生产线上的物流。可以在仿真系统中对各种生产管理调度计划进行试验，以检测避免死锁等问题。当一个具体的生产车间的布局已经完成，可以让数字化车间模拟运作，检验设计的可行性和合理性，统计分析系统记录仿真运行的各种数据、进行分析优化、对发现的设计问题进行及时的修正。由于是在电脑中仿真运行，除了设计工时外并不耗费任何成本，可以进行多种设计的试验比较，以找到最优的布局设计和调度规则。3、建立与车间的日常生产全面结合的接口进行可视化的监控和管理。在此阶段，要设计数字化车间系统与物理系统的互连接口，通过LAN、现场总线等其他技术把数字化车间的指令送到真实的设备上，控制设备进行生产。同时物理系统的信息也通过接口反馈给数字化车间，让数字化车间同步表现真实车间的生产状态。监控人员可以以数字化车间为接口监控工厂生产，通过可视化方式监控生产过程甚至车间内所有发生的事件；同时把数字化系统作为控制中断，对生产进行计划外的干预，以应对特殊的情况。数字化工厂带来的新工业革命随着城市化进程的逐渐加快，人们对商品尤其是消费品的需求日新月异，市场越来越被细分。几年前，数字化工厂在人们的脑海中还仅仅是个梦想，而今天，它已经真切地实现了。它不仅能够使制造充满灵活性，而且提高了资金效率，减少新产品上市时间，因而使企业能够以有竞争力的价格提供优质的产品。制造灵活性数字化工厂平台可以将工厂及其相关价值链上的厂商用统一的平台联系起来，比如，汽车工业就有很多相关产业——汽车音响、汽车座椅、车灯等等的供应商。这样做的好处是，除了生产标准品外还可以根据客户订单生产客制化产品，而所用的生产时间与标准品不相上下。宝马的销售员根据客户要求向工厂下订单的同时，供应商也会得到一份相应的原料采购订单，自动化的物流系统可以将装配所需的原料自动送到装配员的手上。这种灵活性也体现在工厂的设计之初。整个工厂的设计中不再是研发、流程、机械、电气、自动化、行政各自为战，而是连成了一个可以无缝集成的模块化整体，各个模块处在相同的数据传输平台，不再有部门间的鸿沟。基于整个工厂的整体设计，各个模块的实施不需要按照时间顺序进行，而是可以同时建造，极大缩短了建厂周期。提高资金效率资金是企业的血液，怎样能够使“血液”在企业中循环得更加顺畅呢？如果企业的电气主管可以预测设备在多长时间以后会出现故障，就可以减少停机时间；如果采购主管能够预测某种原料在未来几个月的采购量，就可以以更好的价格购买；如果研发主管可以预测新一代产品有哪些缺陷，就可以避免召回所引起的损失；如果客服部主管可以准确地知道用户是谁以及他的购买习惯，就可以提供更优质的服务??这一切，都可以通过数字化工厂实现。试想，如果工厂里的每一个设备能够准确地告诉你上次被维修的时间、目前运转的负荷程度、设备所处的环境等等，甚至每个工艺段可以实现自诊断、自优化、自保护、自校正，那么工厂里复杂的设备管理就变成了简单的信息管理。过去的工厂是根据研发出来的产品设计方案来决定生产流程，并按序生产，一旦产品发生变化，工厂里的一切都需要改变。数字化工厂的模块化设计改善了这种情况，你只需要随时调出设计图，修改或虚拟某一个工艺段，就可以在不影响其他工艺段的情况下完成改变，甚至可以不花一分钱虚拟出整个生产流程，并看到其中可能存在的问题。缩短新产品上市时间1990年代给汽车制造商带来的另外的冲击是：全球化的市场，竞争的加剧，以及客户对物美价廉的车型更多的期待。面对这些变化，汽车制造商不得不考虑一些极为重要的问题：产品设计师要不要继续不顾市场反应，敢于拿研发经费打水漂？工厂是否还能再承受长期停产的压力或者突然而来的订单变更？工厂还能再拿几百万经费只为开发一个样品吗？由此，“精益生产”成为每个制造商的口号。数字化工厂能够根据市场需求，实现产品设计、制造工艺设计、产品仿真、虚拟试生产等多个环节的数字化，即无需投资制作样品，也可模拟未来产品，并预见生产这件产品时可能遇到的问题，这可以在最大限度上节约研发的时间和费用。物流仿真软件Simio介绍因为工作的关系，对国内目前主流的物流仿真软件，分别都有不同程度的接触，如：em-plant、Quest、Flexsim、Witness及Demo3d等。最近在我们的仿真群111749993里，经常有网友提问对不同软件的对比，遂想到了整理成一个系列，分别对不同的软件进行介绍，最后再进行一个比较。接上篇对Flexsim及AutoMod的介绍后，这一期整理了网上对Simio的介绍。希望对大家有所帮助。Simio软件是美国SimioLLC公司于2004年研发的新一代基于智能对象技术的全3D系统仿真模拟软件,已申请国际专利。公司执行总裁C.DennisPegden博士是美国公认的系统仿真领域学术权威，具有35年以上的仿真理论研究和应用开发经验,曾经开发过仿真历史上标志性的系统仿真语言SLAM，SIMAN，计划调度软件Tempo和带领开发过迄今为止全球使用者最为众多的系统仿真软件Arena产品。公司位于风光秀丽的宾西法尼亚州匹兹堡的塞威克利。基于Simio内核的高级排程软件也已揭晓。Simio框架是图形化的对象建模框架，完全支持对象导向基本概念和原理，Simio不同于其他基于对象的模拟工具，Simio的对象是基于可视化过程的，而非基于代码的。Simio,对用户面向对象的计算机编程能力要求也是很高的，但主要不是体现在编写程序代码上，而是体现在对象属性的定义、继承和使用,对象的创建上。simio的过程步骤其实就是可视化的代码,过程步骤刻画流程图也是结构化的,程序里的嵌套语句,循环语句等等都能在SIMIO中找到对等的表达方式。可视化的建模,更加易于理解和掌握。SIMIO的Step+Element+Token+State的构架能够实现编程的结构和功能。注意，这些图形化的过程步骤比编写代码更强大，它能够横跨时间。Simio基于微软新一代互动平台.NET4开发，和微软新技术与时俱进，提高整合性。作为SIMIO的一个原则，SimioLLC都极力建议：“不”使用编程来使用SIMIO。Simio给高级用户开发了API接口，高级用户能够使用.NET支持50种语言进行深度开发，创建定制化的步骤，元素和选择规则。SIMIO对象独特的三个层次结构，内部设计使用了三层的对象结构（即：定义-实例化-实现），把对象定义，对象实例和对象实现分成三部分。对象定义确定对象的行为，被对象所有实例所共享。对象实例就是父对象定义下的一个对象实例。对象实例定义每个单独的对象属性值，并被所有对象实现过程所共享。这个极为高效的结构对于大规模的应用，比如具有数以千计的对象实现的智能主体模型是非常关键的。这个结构使得对象规模非常小，执行速度更快。Simio对象开发完全和面向对象的基本原则吻合，是纯粹的面向对象的开发产品。学好Simio必须深刻理解OOP的理念。创建对象有三种方式：1、创建基本对象类，添加本地过程；2、现有