数字化车间规划与建设方案

数字化车间规划与建设方案产品创新升级提高产品智能化，增强用户体验性，比如智能手机、智能家居等各种消费类智能产品的涌现

智能工业装备(如智能光伏、

智能开关柜等电力装备……)制造模式创新客户定制生产、生产服务型制造、众包设计、协同制造等服装、家电、汽车等定制生产

工程机械、重型装备的远程服务

通过行业云实现资源整合企业理念从以生产和市场为中心，到以客户为中心

创新能力是企业核心竞争力大而全不如分布式协作背景：制造业的创新升级

数字化智能化车间建设制造过程创新升级智能设计、智能工艺、机器人、3D

打印、智能车间等◆

离散/流程型智能工厂◆复杂结构零件的3D

打印◆

机器换人◆

◆

◆建设“数字化智能化车间”,是制造过程创新升级的重要组成部分红领服装个性定制苹果手机委托富士康代工31、数字化智能化车间概述2、

数字化智能化车间的实施步骤与要点3、

车间布局与数字化装备/产线建设4、物联网建设与数据采集5、

数字化生产管控平台建设6、

数字孪生车间与大数据应用7、

综合应用案例8、结束语提纲

(Contents)4要点口产品全生命周期管理

(PLM),

三维信息贯穿于产品设计、工艺、制造等各个阶段(数字链),虚拟与物理制造融合

(DT)口生产线柔性自动化且具有一定智能◆从立库到线边再到线上的全自动化物流◆通过RFID自动识别工件并引导生产◆自动装配引导◆机器视觉检测◆严格的质量控制、跟踪与追溯，产品合格率高达99.99885%引例1:西门子“工业3.X”

工

厂

(PLC产品装配)5要点口全自动化的数控加工车间◆1万多台数控机床，通过自动化输送带、AGV小车、上下料机械手等物流设施，在制品流转完全实现了自动化

品

鼎

器

细口智能化装配

书Dingo◆MES

系统实现生产过程中的设备状态、产品、质量、物料数据的自动采集，每天的数据量据估计多达10TB以上◆依托工业富联的大数据平台(BEACON),开展大数据智能分析应用：断刀检测、机床智能主轴、智能影像系统…◆机器人◆视觉检测口大数据及智能决策引例2:富士康iPhone

制造工厂

(手机金属结构件加工)UNIVERSITY

OF

SCIENCEANDTECHNOLOGVeer

[

盐

E#题

mro置HUAZHONG引例3:

Mazak工

厂

(机床加工、装配)要点口柔性自动化加工设备/单元/产线，工序集中口智能化、网络化加工工厂(CPC):CNC

编程与加工模拟、日程管理、设备监控、刀具监控

口

自动化物流调配系统口

同期化、配餐式装配工厂配

工厂同期化生产的体现满

足

各种各样机械构成的零件供给、实现同期生产、缩短交货期的基础上，削减库存量。总繁菜配

ConmlAwentTPH电中文或有机育意中心和卧式加工中心如成的生产或在时合开加aR-500+G1PC

RT-AAxTAnmT单

中

科

技

大

掌SynchronizedSynchronized

Synchronized设备及工艺特点术5*RT切：V¹024P5point

Apoint

E

point

(主轴加工FMS

平统(关节机器),费从于进中柔性化

、

少人化7要点口高级计划优化和物流准时配送口智能加工中心和机器人口自动化仓储设备与物料分拣

口自动化上下料和转运口物料识别与装配防错口自动化生产设备口制造执行系统(MES)口企业生产控制中心(PCC)引例4:三一重工数字化工厂

(工程机械产品加工、装配)智能化生产执

行过程管控智能化仓储/运输与物流智能化生产控制中心数字化车间心与生产线8三个维度：生产制造+现场工艺(产品生命周期维度);设备、控制、生产及车间内决策(系统层级维度);生产物流(供应链维度)。六大业务活动，七大类数据

(5M2E,

人机料法环测能)质量控制活动库存物流活动什么是车间

(Workshop)?设施维护活动工艺执行活动车间规划与改善活动生产运行活动库存物流活动工艺执行活动生产运行活动9研发工艺

—车间制造车间是一◆计划层与控制层的交汇处◆制造企业的物化中心◆制造计划的具体执行者◆制造信息的反馈者◆大量实时制造信息的集散地许多制造车间的信息管理现状车间的信息系统建设和信息管理

最为薄弱：委然路理管运营管理-现代管理理论智能设计协同设计CAPPPDM工程CAEERPCAMCRMSCM知识CAD10数字孪生车间1)信息车间和物理车

间深度融合2)信息车间是物理车

间的映射3)通过信息空间的计

算和决策分析，指导并

优化物理车间运行3智能化车间1)基于数据的科学

决策与动态优化2)主动学习和持续

优化能力无纸化车间引入MES、SCADA、ERP

等信息系统，广泛采

集信息并实现信息管理和流程的数字化数字化车间1)柔性自动化生产

2)信息系统和自动

化设施有一定融合3)数据产生一定的

应用价值低级信息化

车间信息描述和传递以

纸质方式为主，决第

主要依赖于经验数字化智能化车间的演进过程自动化车间工序操作与物流

过程机器换人人工操作车间生产过程以人为主自动化和信息化的融合

自动化—信息化11一□将数字化建模、数字化控制、数字化管理等技术应用于车间规划与改善、生

产运行、工艺执行、库存物流、质量控制、设施维护等主要业务活动◆通过对产品定义数据的数字建模和数字量传递，打通设计、工艺、制造、检测、

装配等各个环节◆通过对车间设施及生产流程的数字建模，仿真分析并优化车间的运行性能◆通过引入数字化设备，实现生产过程的数字化控制以及设备状态监控◆通过数据采集手段和数字化管控系统，实现产品制造及生产过程数据的自动获取、记录、流转和增值计算，优化管理效率和决策效率6大业务活动的数字化5M2E

(人、机、料、法、环、测、能)数据管理的数字化如何理解“数字化车间”

(Digital

Workshop)12◆数字化产品定义◆三维设计与分析◆数字化工艺规划◆虚拟制造与虚拟工厂◆制造执行系统MES◆工厂物联网与可视化监控SCADA◆高级计划排程APS◆仓储物流系统WMS

等数字化设计/工艺/工厂规划数字化

生产数字化车间的范畴

(红色区域)数字化制造

(Digital数字化加

工/装配/

检测/物流◆数控加工技术◆数字化装配技术◆数字化检测技术◆数字化物流技术数字化企业运营◆数字化供应链管理

◆ERP◆数字化销售◆数控机床◆工业机器人◆数字化生产线◆数字化仓储物流◆数字化检测设备◆数字化质量档案◆维修维护大修MRO◆远程诊断服务Manufacturing)数字化

服务数字化装

备13外

天有及建境】艺及其地发进(作程的得)

IM+LGV的

里明

峰

老代出重

超

的

理日=是出世拉树题车网学中生产记班各

批

量

输

设

备

利

用

率I2

部

细anb

be

aL

giae

H

a

la证磁车间运行阶段的数字孪生腐线决策(如计划调整和设备雌护)信息集成人机料法环源地数担如何理解“数字孪生车间”

(Digital

Workshop

Twin)下

举中科技大掌数据驱动的决策优化

数据驱动的仿真可视化数字孪生车间(数字镜像，虚实融合)车间规划阶段的数字孪生车间物流分析与优化物理车间三维车间建模实时决策(即工艺优化)数据关联分析感器/

控制器边缘计算数

据

可

视

化数据中心伴4#AOEAG·---------终端产品、制造装

备等设计、工艺、生产、物流、营销等远程监控、远程运维等智能制造

(Intelligent/Smart

Manufacturing)人类专家的知识和经验智能的来源智能化技

术处理、分析、决

策、控制智能产品智能工厂/

车

间智能服务通过物联网获得的大量制

造相关数据智能制造智能的载体15口如何智能决策◆高质量的信息(准确、全面、及时):信息是决策的基础◆有效的决策模型(分析、优化、判断、预测……)◆合适的算法(统计分析、数据挖掘、大数据和人工智能……)◆足够的计算能力(普通计算、边缘计算、雾计算、云计算……)口决策结果如何实施◆柔性自动化设施及自动控制(自动化产线、工业机器人、NC

机床、AGV、立库等)◆工业软件(

MES、APS、AGV

调度、WMS

等)

◆

人口“随机应变”or

“动态感知、实时分析、自主决策、高度集成、精准执行”

口“做出智能的决策

(DecisionMaking)”是智能化车间的核心特征◆管理就是决策——诺贝尔经济学奖得主西蒙◆针对车间规划、生产运行、工艺执行、质量控制、物流管理、设施维护等业务活动，提供科学的决策支持，实现车

间的优化运行，就是所谓“智能”模

型算

力信

息算

法如何理解“智能化车间”

(Smart

Workshop)?16设施维护

质量控制库存物流工艺执行生产运行车间规划关键：数字建模→信息感知→集成互联→智能决策→执行控制工厂车间产线单元执行控制智能决策集成互联信息感知数字建模数字化智能化车间的三维结构模型工厂结构维度智能功能维度业务活动维度设备17全三维、标准化、结构化.参数化设计与工艺领先的设计流程与理念设计工艺一体化创新的产品设计提升产品性能提高产品质量与可靠性智能产品与服务——

某大型装备制造企业快速按时交付订单标准化定制产品设计满足客户的个性化需求快速响应客户需求变化准确的成本预估在线智能服务远程故障诊断使用数据智能采集预防性维护与故障预判数字化智能化车间的价值体现合理的生产计划基于历史经验的排产优化工艺布局尽可能的单件流小批次物料流转快速响应生产异常保障物料齐套性提升设备自动化水平信息流与物流同步优化生产流程

优化工艺设计实施精细化管理，不断改善

提升资源效率(人力、设备、材料)提高自动化程度提升利用率内外物流实时管控

保障物料齐套性降低库存水平，减少在制品堆积智能在线检测

全流程的质量过程控制

入厂检测与批次追溯

关键件全生命周期管控

Andon与异常控制降低劳动强度通过智能装备保证一致性

智能设备维护维保提升客户

满意度智能工厂

/

车

间提高产品质量降低生产成本创造核

心价值提高生

产效率18关键环节智能化较高自动化车间互联化全面数字化舒适人性化可持续高质量产出高生产率敏捷响应数字化智能化车间的基本特征车间纵向集成设计制造集成生产业务集成人机协同工作基本特征总体效果技术实现数据集成19提高设备稼动率·生产计划更合理·减少设备故障(维护维保)

·减小批次·减少准备时间·提高良率设备自动化·设备改造与连线·物流自动化·小批量/单件流·集群式布局→流水式布局数字化智能化车间的典型应用场景提高质量·在线检测·严格的质量控制流程

·异常控制·质量分析与优化HURZHONG

UNIVERSITY

OF

SCIENCE

AND

TECHNOLOGV作业自动化作业计划与指令匹配

·设备集成机器换人·布局优化·引入自动化设备

·设备集成·远程控制生产状态透明化·自动化采集技术

·设备集成·快速报工敏捷生产·Andon·减小批次·自动化异常响应作业防错·作业指导到工位

·物料按需配送

·工艺工装防错精细化生产管理·精细化数据采集

·精细化分析装配齐套性·生产计划更合理

·订单进度透明化

工作指令到工位··201、

数字化智能化车间概述2、数字化智能化车间的实施步骤与要点3、

车间布局与数字化装备/产线建设4、物联网建设与数据采集5、

数字化生产管控平台建设6、

数字孪生车间与大数据应用7、

综合应用案例8、结束语提纲

(Contents)21PDCA循环(Plan,Do,Check,Action)→

评价与优化Evaluation&Optimization建设效果评价数据驱动车间仿真优化精益改善自动化升级信息系统升级建设Build虚拟仿真与验证车间自动化建设信息系统建设支撑环境建设系统集成与

信息融合运行Operation计划制定与

生产调度工艺执行与

现场管控物流计划与

配送执行质量策划与

过程控制设备操作与维护规划Planning愿景分析建设目标

定位行业对标蓝图规划关键技术

评估实施路径

定义设计Design车间布局设备/产线自动化方案制造流程

分析信息系统

设计支撑条件

设计总体实施步骤组织建设与人员培训人力管理与

成本控制业务流程

再造业务流程

梳理22针对智能制造方向，开展SWOT分析，明确本企业的数字化智能化车间建设目标和愿景，制定蓝图规划和实施路径。OpportunitiesThreats(机会)

(威胁)SWOT

分析工厂愿景

分析建设目标

定位行业对标蓝图规划关键技术

评估实施路径

定义经济性投资回报，是否最

迫切的问题StrengthsWeaknesses(优势)

(劣势)技术技术的成熟度、可

用性(1)规划阶段Planning通过智能车间来解决什么问题或

达到什么效果目标及可实现性目标三要素23口工厂或车间的布局设计：

厂房设计、设备工艺能力分析与布置设计、物流方案设计等口设备/生产单元/生产线/车间的自动化方案设计：

加工/装配/检测/物流的自动化方案，以及关键设备的智能化提升方案口

制造流程分析：工艺路线规划、工序设计、工序分配、产线平衡等口

信息系统设计：

支持车间规划/计划/运行管控/现场控制/数据采集/决策分析等的各类工业软件，比如SCADA、MES、APS

等口支撑条件设计：

包括车间物联网络、可视化显示与报警、信息安全与车间安全、数据总线与大数据存储、信息集成、人员规划等口

业务流程梳理：计划流、执行流、物流、质量流、变更处置流、决策分析流

等工厂/车间布局设备/产线自动化方案制造流程分析信息系统设计支撑条件设计业务流程梳理(2)设计阶段Design24口虚拟仿真与验证：

建立虚拟工厂(车间)模型，对生产及物流过程进行仿真分析，验证方案的可行性口

车间自动化建设：

根据制造工艺特点，建设加工/装配/检测/物流自动化生产系统，该系统应具备足够的柔性，支持多品种混流生产口信息系统建设：

包括现场控制类、生产管控类、工厂运营类、协同制造类等几类工业软件的建设，通常包括MES、ERP、CAPP、SCADA、SCM口支撑环境建设：包括信息环境、管理环境(精益生产)、标准环境口

系统集成和信息融合：

智能工厂是一个复杂的系统之系统(SystemofSystem,SoS),为避免信息孤岛，应全面实现系统集成和信息融合，通常涉及三类

集成：产品生命周期端到端集成、横向集成和纵向集成口

组织建设和人员培训：智能化工厂的建设必然会导致组织结构的调整和人员岗位的变化虚拟仿真与验证车间自动化建设信息系统建设支撑环境建设系统集成与信息融合组织建设与人员培训(3)建设阶段Build05

C口智能车间是一个信息物理高度融合的数字孪生车间，

即工厂/车间层面的信息物理系统

(Cyber-PhysicalSystems,CPS)口

产品的加工、装配、检测和物流过程均在物理车间发生口

制造工艺的验证、生产计划的制定与优化、设备健康诊断和维护决策、质量缺陷识别和溯源分析、物流路径规划与调度等智能决策活动均在信息车间中完成口智能决策的关键要素在于数据、模型和算法，其实际应用效果取决于能否实现从物理车间到信息车间的真实映射，映射越逼真，基于信息空间的数据分析和决策支持才可能更准确计划制定与

生产调度工艺执行与

现场管控物流计划与

配送执行质量策划与

过程控制设备操作与维护人力管理与

成本控制(4)运行阶段Operation26口数字化智能化车间的建设是一个迭代升级、不断演化的过程，在每一个周期告一段落的时候，需要对建设效果进行客观的评价，找出不足之处，分析原因，为以后的改善提供方向口本阶段的任务包括建设效果评价、数据驱动车间仿真优化、精益改善、自动化升级、信息系统升级、业务流程再造等方面口智能化车间的评价是一个难点，不同行业、不同的产品对象都有不同的智能化车间建设重点，评价指标、指标权重都不一样，因此有必要针对不同行业制定符合行业特征的智能化车间评价标准建设效果

评价数据驱动工厂

仿真优化精益改善自动化升级信息系统

升级(5)评价与优化阶段Evaluation

&Optimization业务流程

再造274数字化生产管控平台3

车间物联网与数据采集2

数字化智能装备&产线建设车间生产运行管控层感知层设备层285

数字孪生车间与大数据应用

决策层数字化智能化车间的实施要点车间布

局规划

与仿真

优化车间规划-1、

数字化智能化车间概述2、

数字化智能化车间的实施步骤与要点3、车间布局与数字化装备/产线建设4、物联网建设与数据采集5、

数字化生产管控平台建设6、

数字孪生车间与大数据应用7、

综合应用案例8、结束语提纲

(Contents)29口布局设计

(Layout

Design):

综合考虑产品、工艺、生产纲领、制造资源

等约束，确定车间布局和作业单元划分，合理安排作业单元及其相关辅助单

元的位置关系与面积大小，对各种物流与非物流关系进行分析，确保车间内

生产制造过程能持续高效进行，最大限度降低物流成本，高效利用人力、设

备、能源等制造资源。虚拟车间模型布局方案物流分析报告产品与工艺生产纲领制造资源车间布局设计的一般流程非物流关系分析产品工艺分析产线平衡分析作业单元分解物流活动分析布局方案确定30口

精益化◆单件流(One

Piece

Flow):

流水线(汽车/家电/电子)、脉动线(航空/航天)◆节拍平衡：周期时间尽量接近、减少无效等待和在制品积压◆物流距离短、路径简单，消除物流瓶颈◆工序集中(加工)口

数字化、

(柔性)自动化◆数字化设备：数字化控制、数据采集与状态可视◆柔性自动化单元/产线：适应多品种混流生产，减少切换时间口基于仿真的验证◆建立虚拟车间模型，对车间布局方案的性能进行定量分析，弥补计算分析方法难

以考虑物流调度和随机因素的缺点◆三维虚拟车间可视化(直观、支持虚拟漫游)车间布局设计的基本要求31降低库存水平改善物流动线拉式生产改集群式布局为单件流逻辑单件流：局部流水化+自动化+拉式生产

减少乃至消除物流瓶颈1.来料区2.等离子、火焰切割3.矫平4.铣边5.铣坡口6.折弯机7.小组件拼点区8.机加，加工中心、

镗床、钻床9.拼装10.机器人焊接、手工

焊接11.二次拼装12.二次焊接13.双面镗、钻14.手工焊15.清磨16.抛丸17.喷涂在制品库存占用大车间物流资源紧张物流转序比较随意物流转序批量较大物流路径缺少规划，比较乱

物流齐套性差1.来料区2.切割下料3.镦粗4.粗车5.热处理6.平倒7.精车8.精车止口

9.内孔熔10.外圆熔覆

11.平倒12.刮滚13.精车止口

14.车坡口15.焊底16.精车17.磨18.抛光19.清洗案例：车间布局的定性分析现状与问题需求油缸工厂结构件工厂—

—

某

大

型

装

备

制

造

企

业32随机事

件模拟基于工厂仿真平台的

车间物流建模试验方

案组合关键参数试验设计基于仿真的车间布局优化物流成本最小、空间利

用率最大、设备产能充

分发挥遗传算法+仿真优化

实现寻优关键参数试验设计

及对比分析产能、物流效率、设备

利用率等评价指标产能、物流效率、设备

利用率等评价指标生产纲领、产品工

艺、设备设施等遗传算法驱动的仿

真优化初

始

布

局的

仿真分析最优方案

仿真验证优化参数

的选择试验结果

分析较优方案

仿真验证初始方案

定量评价车间布局

设计最终的车间

布局方案自动仿真

运行最优布

局方案较优布

局方案初始布

局方案仿真分析遗传

算法33用工”的重布局方案H础

数据虚拟车间建设12=

0酸

或

矿机

和网基理明(4)通过资源仿真，给出各暂存区容量、工装、工人

等资源数量分析与优化建议(3)通过天车物流

仿真，给出最佳数量建议,图比

E(2)通过ACV

物流仿真，给出最佳数量建议HUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGV(1)核对产能

,发现照颈，提出设备增减建议2

8

4

4

8

基图

2.22242!L8!E1P*1LL1L1h语模型出分析Mae*B里，基34F真,R船丽邑丽丽

丽丽邑

邑邑

邑墨A1线邑画[H%%暑生产姓阳工及邑-率即改善前改善后产能分析◆

布局重构分析◆

生产组织方式优化◆

瓶颈识别与改善◆

投料策略分析与优化◆

批量分析与优化◆

缓冲区分析与优化◆

生产线平衡分析与优化◆

物流资源、物流频次、物

流配送分析与优化关键资源利用率分析口通过生产与物流仿真建模分析，可在新产线引入、旧产线改造的规划阶段实现对设计方案的验证和优化自动化产线仿真分析验证，产量提升12.49%——某电子产品制造企业的自动化加工线案例：基于仿真的产线优化设计m下

丽

前邑

邑kt母邑

邑画nhi邑同

面35嗣面[口基于仿真结果，调整设备位置，实现车间布局重构，平均每次工序间物流运

输距离从58.61米减少到45.06米，减少23.11%。总物流量减少40.41%平均每次工序间运输距离案例：基于仿真的车间布局重构m下——某发电设备制造企业线圈加工车间改造后车间改造前车间36口针对制造工艺特点，引入一批数字化、自动化、柔性化装备，提升效率和质量一致性◆加工：智能数控加工和中心、FMC、FMS、自动化加工线等◆装配：自动拧紧、自动对接、自动钻铆等◆检测：坐标机、激光跟踪仪、视觉/超声等在线检测装置等◆物流：AGV/RGV、

智能叉车、立体物料和刀具仓库等◆机器人/机械手：上下料、翻转、搬运、焊接、检测等◆其他辅助设备：柔性工装等-柔性加工单元和立库(大连Mazak)

——工业机器人(某航天所)

——工业机器人(郑煤机)数字化/柔性化装备&生产线37使用机器人进行上料、自动焊接、铣削焊疤、自动检测及下线等功能，实现焊接

全工序自动化生产。年度可节约85万元。减员增效：减少50多人，年增效率近干万案例：车间自动化改造与关键工序机器换人线，项目投入46万元，节省人员3人，每年节省人工成本30万—康尼机电应用绗架式机器人，投入280万元，可节省人员10人，年度有形效益约100万元以上，产能可提升

20%,由原先单班11人产出48根，提升至1人单班产出60根，人均效率提升350%。应用饭金机器人，节省15人工岗位，减少人工拿取铝板的安全隐忠，降低劳动强度，大幅提升产能，年度效益168万。应用包边机器人，生产节拍由240S缩短至80S,

提升3倍，生产效率提升18倍;总体节省人工5人，年度经济效益64万元。生产效率提升104%,节省人员18人，节省用胶成本38.7万元，缩短生产工艺时间1天，年度有形效益采用六轴机器人，配合零件自动立体料库与多台自动专机，建立一条摆臂组件自动装配生产共计224.7万元38刀具状态监测提升刀具利用率5%以上，避

免严重质量和安全事故——东方电机加工振动监测大幅度抑制或者消除再生型颤振——浙江中水机床状态监测通过感知-分析-决策-执行的闭环，提升工艺&设备智能口针对高效高精加工要求，通过传感器实现在线监测和在线检测，进而通过自适应控制实现智能加工0°

10

20

30时

间(s)加工效率提高15%以上，减少

刀具破损5%——武重机床下

预测丝杠磨损，提前准备丝杠

的更换——上汽通用五菱切削力自适应控制切削扭矩进给语率百分比3950%-150%100%序

号名称安装

数量安装位置走线路径电流传感器3主轴电机三相动力

线从主轴电机动力线到状态监测设备2振动传感器1主轴前端拖销，进电柜3环境温度传感器立柱外侧沿X轴静压油管走线，进电柜4横梁体温度传感器3横梁体从横梁体左右两端出线，进电柜52轴丝杠轴承座温度

传感器1Z轴丝杠从溜极上端出线，过Y轴拖链，进电

柜6主轴前端温度传感器主轴前端沿主轴冷却油管走线，过Z轴，Y轴拖链，进电柜位移传感器6x轴静压导轨沿X轴静压油管走线，进电柜以太网通讯电流传感器振动传感器

温度传感器位移传感器数字量信号数控机床加工过程监控切削负荷监控

加工碰撞监控机床状态监测主轴状态监测

丝杠状态监测口通过信号分析和数据处理，实现对加工

过程和加工设备健康状态进行监控口根据切削负荷调整加工速率，效率提升

15%以上，且实现设备健康状态可视口通过传感器采集多种反映加工工况以及机床状态的信号：电流、振动、关键部位温度以及油膜厚度等案例1:加工过程和机床状态监测测控传感

系统信号调理模块机床电柜-武重机床沿主轴冷却油管走线，过Z轴、Y轴关键部位温度监测制造执行系统(MES)静压导轨间瞭监测)无线路由以太网交换机平板客户端40不合格工件即时分拣NG料箱令专产线控制系统比对结果云服务器机器人工件分拣

托盘41在线高精度检测机工件检测胜利精密案例2:在线检测与工艺补偿HUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCE

ANDTECHNOLOGV在线检测、反馈

及智能闭环控制补偿

参数检测

数据CNC

工件加工上普或线零线普或线下细工件工件1、

数字化智能化车间概述2、

数字化智能化车间的实施步骤与要点3、

车间布局与数字化装备/产线建设4、物联网建设与数据采集5、

数字化生产管控平台建设6、

数字孪生车间与大数据应用7、

综合应用案例8、结束语提纲

(Contents)42实现工业领域的人、机器、产品、物料、控制系统、应用软件之间互联互通建设工业互联网不是目的，目的是分析和利用数据，实现智能制造

_包含-—包含一工业互联网推进智能制造的基础设施工业互联网(工业物联网)

IIOT包含物联网

(IOT)虚拟+物理世界工业互联网

(IIOT)用于工业的IOT互联网

(Internet)虚拟世界组成产品运维组成工厂

物联网其他领域的物联网物联网一发展→车间操作员

站

公司办公局域网交

换

机车间光纤工业以太环网交换机

交换机交换机刀具RFID

读写器车

间RFID

控制PLC在

制品MCS

(切酬物荷、振动、刀具状态、机床状态监控)

PLC

PLC

PLC

PLC

PLC工业现场总线

(ProfiBus、力

、

振

动

、温度传感器车间数

据

采

集

终

端立体刀库、物料仓

库、

中

转站

1~n5车间物联网络制造车间数据采集产品标志类数据刀具

设备

线

能耗WsN制系统(UWB)(RFIDDA车间数据类型要

三口构建车间物联网(智能感知装置+工业数据总线),实现多源异构数据采集、设备状态HUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCE

ANDTECHNOLOGV车间物联网环境建设数据采集与可视化感知和控制指令下达文字/

数控

专用数字

设备

设备RFID

标签工业现场总线

(工业以太网)车间概频及环

境监控“**m*数

字

化

检

测设备1-n6用

设备控接口OPC

服务

器DeviciceNet等

)车间数据采集终端车

工人

品车辆质量检测

站1~n2车间

实

时

数

据服务器设备状态类数据ANDON盘工位信息提示板温湿度/

灰尘智

能

水

电气表检测

生产车间局域网AGV小车1~n4环境类数据位置类数据器ooeoANDON统PLC就机

器1-n3产

线

控制系统电子大屏4429e品置传

感DCS/MDCoPCaim52s*一维条码二维码RFID机器视觉工控网以太网Wifi移动通讯网络

(4G

、5G)ZigBee

、

NB-

loT、LoRa

等串口、网口OPCMTConnect软件集成传感器GPSWSNRFIDUWB自动识别技术

设备集成技术HUAZHONG

UNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGV车间物联网的关键技术条二推码

RFID

传感器

报像头

设备集教件集成楼口成接口感知层wn

其他无线网络技术(酱牙、工控网络定位技术生产监设备状态物料识控与调感知与可别与跟应用层

度

视化

踪网络技术物流车质量检

其他应用(人摘人

测与故

因分析、环境

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障识别

安全监测等)dgBee.UWB.Loka等)有线片域网网络层45绩效(OEE

等)可视化生产进度可视化设备状态可视化位置可视化进展分析、绩

效分析识别、跟踪、

定位防呆防错、异

常报警设备监控数据流：采集、接入、集成、管理、可视化、应用字生间

数孪车控子板

电看数据采集与接入数据集成与

管理(MES)软件系统(PLM/ERP/MES)

数据边练端/云端存

储三维虚拟

车间ZgBee/LoRa等数据增值应用数据可视化实时!

关系数

据

库数据

集成

平台传感器/摄像头数据设备控制

系统数据质量监控

与档案RFID中间件生产/物流调度以太

网/wif工作

流数据

模型串口/

网口统计

图表现场

总线图片OPC室中46接收——某大型设备

制造企业wes

(立体色南×出库指示|WMS收货仓库管理

Picking

listUNIVERSITY

OF

SCIENCEANDTECHNOLOGVM-t工艺教据生产工单.MRP主计划ERP_长周期需求计划”P/O发布，

采购计划产晶广成本管理W/O完成→入库/总装

订单完成十

发货数据流梳理APS

能力计算

主数据排程(周/

进度

实绩小

日

程

可视化

管理人员

管理QMS检验结果SRM共享长周期，需求信息确认交期上期回复文期确

定

供密百程CAPF参数化维工艺设计工艺设计下HUAZHONG中标接单客点养系管

理业务流程·信息系统层监控看据，生产控

制中心结构件工序油缸工序部装工序部装工序MEs物料需

求拉动3Q

数据管理测试参数产品

图文档E-BOM供应商工

厂

/仓库QMS,来料检验物料采购，

淮富”制造企业物理层控制层供应商设备运行监控成品仓库三维仿真总装工序工厂物联网生产

执行送货单送货单订单接入，销售便函。生产

实绩出厂检查-设备

参数设备

管理品供

费

程仓储中心下料工序工单变更Program质量

实绩当日库PLM客

户仓

库招标过

账ECN葡系统CRM47=调

整CPS

数据集成平台数据集成平台——设备互联(硬件集成)智能成套设备

机器人

立体仓库

物流装备

自动工具

数字量具智能调度生产物流大数据分析智能决策设备管理边缘分布式服务器边缘分布式

网关RFID/条码枪

IC卡智能感知终端边缘采集终端PAD工业

平板边绿感知

终端视觉检测系统物料RFID标签物料条码

标签云端应用环境监测智能传感工艺执行过程质量高级排程业

务

应

用独立式

控制器嵌入式

控制器工业现场现场操作工8188物

联机

联智能

网关人联智能

电表传感PDA48工厂管理车间管控操作控制现场设备工业大数据分析与应用平台供应链与

客户服务采购管理

管理平运普管理平自计划排产物料管理生产管理

质量管理制造运行管理

(MOM)平台集仓储物流系统数据采集与监视控制系统

(SCADA)设计系统生产装备及基础设施生产及物流●*重登是面所部合口摩分高成为统

监

控转化

…

转

银院程性序和用户算·从用户黑当中监验点Màmak·热灵道的选样。,*D106D9-111DS0x

主数据管理系鲀D10-7D4D1e23D3-10D7-3.D3-7-系统S8:

虚

拟车

间仿

真

与优

化

系

统D4&-D2-8D32

D23m2S2,

设备送行监控系统D1-2

D2-1S1;生产设备及基础设施黑原·一

图

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台0m-黑白数据集成平台——信息系统互联(软件集成)系统接口及集成规范

—

—

-

基

于ESB

(企业服务总线)的集成实现unlpFouWmmWmdmmW=dmgymlVmmhmWudamlWueWmmdrsepopenee某输配电设备制造企业工艺设计工艺仿

真分析三维

工艺HUAZHONG

UNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGV悬

lrainapretcd设备维护能源管理

”虚拟车间仿真

与优化系统产品

交付

及服

务系

统产品设计与分析工具代理接口生产监控中心(PCC)订单与计

划管理财务与成

本管理产品

变型设计

系统人力资源

管理S4:

仓储

物流系续S5:

生

产监控中心主数据

管理S3:

制造

执行系统530,

PDM/rL.At产品数

据管理56.

产

品安型设D1011-D11-10交付及服务工艺

管理S11:

ERP磨代，KEwne

设统D4D43工艺设计D$!DRD8.7D9D11-5sD9-10-D3-11D11-3D3-8D3-5D2sD72D4——汽车生产线集成(猎豹汽车)

——移动物体定位跟踪(某航天厂)

50刀析CNC

对刀仪典型应用-刀具监控(劲胜)P*mm*:2074-15101*4立体刀库或仓库mtat

DY?M-P0w/krID

读

写

/

标

签

’用户工作端工艺办anm1、

数字化智能化车间概述2、

数字化智能化车间的实施步骤与要点3、

车间布局与数字化装备/产线建设4、物联网建设与数据采集5、数字化生产管控平台建设6、

数字孪生车间与大数据应用7、

综合应用案例8、结束语提纲

(Contents)51透明、有序、优化的开展生产生产管控中心

(PCC)精益生产体系建设

(Lean

Production)计划与执行闭环控制

生产与物流的协同

6S

管理

拉式计划数字化生产管控平台OEE

分析

无纸化精益流程

TQM&TPM制造执行系统

(MES)高级计划系统(APS)作业分析与时间优化52口

“生产过程透明”是基本要求◆要做什么——生产计划与产品定义◆正在做什么、还有什么没做——生产进度◆人、料、车辆、工具在哪里——资源位置◆设备/环境状态怎样，有无异常——设备状态◆质量状况怎样，有无异常——过程质量◆产品做成怎样了——质量档案口数据采集

(Acquisition)、集成(Integration)、计算

(Computation)、

可

视化

(Visualization)

是实现透明生产途径数字化生产管控平台建设的三个目标

1)透明可视发动机车间发动机-总装同步总装车间总装-物流同步数字化生产管控平台建设的三个目标异常可控库存可控缺陷可控变更可控HUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCE

ANDTECHNOLOGV城城述虑

园厘-涂缓冲区(WBS)2)有序可控混流生产排序缓冲区转序54e数字化生产管控平台建设的三个目标3)优化决策◆产能验证与瓶颈分析◆生产线平衡◆物流配送策略优化◆产品-产线的优化分配车间中长期性能优◆作业计划排序◆多车间关联优化◆物流配送优化◆维修决策优化计划效率高、鲁棒性好规划期优化

计划期优化

执行期优化MES主计划要求和工艺、生产实况统计数据(订单

到达规律、工时

、随机事件等)◆动态生产调度◆物流设施调度下达的计划、车

间异常快速反应、效果不错55口精益生产

(LP)是一个庞大的体系，不仅是6S和现场改善口

LP的落地离不开工具软件的支持，

MES、APS

等工具软件的成功实施也离不开精益思想◆拉式、闭环计划体系→APS+MES

系统◆无纸化生产、生产与物流协同、OEE

分析→

MES系统◆透明可视生产→生产管控中心◆决策分析与改善→数字孪生车间◆精益产线规划→工厂虚拟仿真口为成功构建数字化生产管控平台，需要精益管理、

IT、IE

(工业工程)等部门等通力合作建设内容1:精益生产体系建设56精益理念具体内容对生产管控平台的要求精益生产(LP)◆车间无纸化、可视化，各种业务流程精简易操作◆多车间计划协同，物料准时齐套，减少等待时间◆通过自动采集减少工人的交互操作◆高效率的工程更改支持◆计划与执行形成闭环，执行过程可知、可控◆OEE等KPI的可视化◆计划、调度、监控的数字化支持◆建立各种看板和生产管控中心，实现生产过程透明管

控，自动统计生成各种绩效(KPI)◆通过工作流引擎，实现数据自动流动和任务传递◆自动采集设备状态、生产过程和质量数据◆通过规范化流程，正确响应设计变更，确保有效性准时生产(JIT)◆拉式生产模式◆原材料、零配件、人、工艺文件等资源的准时齐套◆按计划开展生产，避免波动，稳定生产◆总装拉动加工和物料配套计划◆支持计划下达阶段和开工前的齐套性检查◆建立多种物料配送模式，针对高节拍生产实现物流同步配送全面质量管理(TQM)◆PDCA质量循环◆质量信息完整且可追溯◆生产异常信息的自动识别、主动提示、防呆◆质量异常的处理规范、可控◆通过分析历史质量问题，改善质量控制，提升过程质量◆建立质量闭环控制体系和流程◆定义不合格品处置流程◆质量数据采集、分析与过程控制◆Andon提醒，通过BOM核对实现装配防错◆建立产品完整的电子质量档案◆建立质量问题库/知识库并应用全员生产维修(TPM)◆分析并提出OEE改善目标◆生产过程设备运行可靠，杜绝被动停线◆刀具状态监控，减少对质量的影响◆支持多种维修方式，记录并分析故障，经济性预防维护◆自动计算并可视化OEE指标◆采集设备(刀具)参数，识别健康状态◆设备检修与维护全过程的数字化支持◆分析设备运行数据，开展CBM和PM等应用精益思想对于生产管控平台的设计要求57效果口一键进行自动排程，计划制定的时间缩短75%口

与MES

集成，根据车间实时信息进行计划进行滚动排程和

异常调整口实现基于资源约束的排程，优化瓶颈资源，实现均衡生产建设内容2:

APS

(高级计划与排程)生

产

历流程——某电路板制作与装配

(PCBA)

企业AC调整APS计划甘特图SH2M

MN SMTSTZS

SM76MTZ

MTTasg工序5计划推动工

序

2计划拉动工序1计划拉动基于瓶颈工序前拉后推原理端瓶颈工序计划推动毕何附性产下态座外生产生是否要外下达州订生

产

单58工

序

4人员信息缓

冲M9MES

系统是生产过程高效有序运行的“指挥调度大脑”智能工厂顶层设计Smart

factory

Top

Design企业数据总线

工厂门户通执行系统

AES生产过程高效有序运行的

控制中枢DMS建设内容3:制造执行系统

(MES)PDM/PLM产品设计过程数据管理SCADA数据采集与监视控制云服务平台QISERP企业资源计划CAXWMS仓储物流管理大数据分析平台统一身份认证主数据管理EAMAPSSRMLES口MES

是一套主要面向车间的信息管控系统，其目的是对各种与生产相关的活动进行调度和

监控，并尽可能详细地记录生产过程履历◆

面向车间：尽管也在谈企业级MES,

但MES的大部分活动都发生在车间◆

与生产相关的活动：生产、物流、质量、维护◆

调度：在合适的时间(计划驱动或事件驱动),安排合适的对象(机器、人)做合适的事情(工

序加工、质检、维护、物流配送等)◆

监控：确认每个任务是否在开展或完成◆

生产过程履历：订单角度(进度表)、产品角度(质量档案)、设备角度(状态)口MES的引入，目标是实现精益生产

(LP)、

准时生产

(JIT)、

全面质量管理

(TQM)、全员生产维修

(TPM)

等管理理念的落地◆透明

→可视◆有序

→可控◆数据管理→决策优化单中科技大学HONGUNIVIT'

SCENCERNDTECHNaLOG'如何简单地理解MES?60进度与绩效反馈生产统计与绩效分析状态数据、控制指令质量体系

工艺/BOM\-

·BOM-~

工艺-质量要求

作业计划与控制SCM/LES/WMS库存、发运请求

与响应MES

的业务活动模型DCS/SCADA过程控制层ERP/APS主计划工艺执行与

现场管理资源管理与

维护PLC/传

感

器

/RFID/条码物料配套与)

物流管理质量与安全

管理其他设备集成接口资源能力

与状态制造执行层企业管理层DNC/MDCPDM/CAPP61口集成管控：

以生产计划与执行跟踪为一条主线，以物料配套、质量管控、设施维护为三条辅线，基于统一平台，实现计划、执行、现场、物流、质量、设备、资源的集中

管控口精益为魂：

精益生产(含LP

、JIT

、TQM

、TPM等

)

是MES的灵魂，MES的数据管理和流程管理都以此为目标口

个性突出：

针对不同行业或工艺类型，很难规范MES

的数据格式、业务流程和功能细节，也没有意义口

数据驱动：

MES采集并管理生产、设备、质量、物流等众多数据，数据是MES的血液,数据的归并统计、关联分析、趋势预测等可为优化决策支持提供依据下

MES的特点62Mestar

UI(ISP)

移

动APF

PC

客户端H5/图表报表页面三

方HTML

页

面MES

基础平台架构(业务无关)

——艾普工华Unimax

MestarMestar-Home开发工具库License管理任务调度自定义标签库权限体系大型数据库

(Oracle)数据库监控流程历史我的任务流程实例流程图管理培训教程m

小型数据库

(MysQL)移动服务适配器3D

引擎缓存代码测试工具持续集成工具代码生成工具报表引擎文档操作库安全框架持久化层(SpringDataJPA)数据库连接池(Druid)内存数据库

(Redis)工艺建模文

BOM基础数据模型模板文件日志文件配置文件规则测试触发规则约束规则规则注册脚本引擎算法库元数据代码生成模板管理对象定义组件管理消息类型消息历史消息注册BPP业务平台工厂建模FPP技术平台开发平台查询引擎图表库流程引擎

监控引擎接口监控缓存监控组

案API

数据总线规则引擎异常处理消息引擎日志框架消息对象组件库切

面

服

务工作

中M

D

1

监

控工作单元路线组

织63鳞車93.32…建设内容4:生产控制中心UNIVERSITY

OF

SCIENCEANDTECHNOLOGV——中车、武重机床、江淮蔚来汽车、中集……87.5车间牵引变压器事业部关键工序生产跟踪看板阳意单：刘献RD.10xEpidtust

UniMax

MESgne

e*B1*())朝皮压器事业部设备状态看板部件工段数料需来激量它送

3750制趋管建室313313313100269桌面中央控制室协同作战室动车工段1818017455169329601组装工段1405297异常查询看板报表物料送看板根表已效料37278t

979数字化车间中央;中中车

CRRC重CRRCHUAZHONG屯亩64酬顶1、

数字化智能化车间概述2、

数字化智能化车间的实施步骤与要点3、

车间布局与数字化装备/产线建设4、物联网建设与数据采集5、

数字化生产管控平台建设6、数字孪生车间与大数据应用7、

综合应用案例8、结束语提纲

(Contents)65口

数字化车间

(DW)◆强调对物理车间运行过程的数据采集、数字化控制与数字化管理◆不强调通过虚拟车间载体来呈现和分析物理车间数据口

虚拟车间

(VW)◆强调对物理车间的(三维)建模仿真，并进行仿真分析与优化◆不强调接收、呈现和利用来自物理现场的实时数据口数字孪生车间

(DWT)◆虚拟车间建模◆以三维虚拟车间为载体，输入物理车间的运行规则，接收来自车间现场的真实数据，建立物理车间到数字虚拟车间的动态映射◆基于数字孪生车间，分析和优化车间运行过程，结果指导物理车间运行数字孪生车间可视为车间CPS

(信息物理系统)的低级阶段，后者更强调虚拟对物理的控制数字孪生车间与虚拟车间、数字化车间的区别66随机因素故障等异常分析优化车间物流仿真分析

生产计划评估优化调度排程调度排程数据支持

策略比较生产计划

生产计划仿真评估

优化反馈模型库

动画库孪生数据车间对象建模物流配送调度优化参数化仿真输入算法验证

策略优化精准配送评估生产实况与

绩效数据设备运行状态口数据驱动的数字孪生车

间建模口基于数字孪生的车间物流仿真分析口基于数字孪生的车间生产计划评估优化口基于数字孪生的车间生产过程虚拟监控口基于数字孪生的车间物流配送调度优化数字孪生车间应用框架?

一国家重点研发项目(依托某航天制造厂)车间布局

规划/优化参数优化

计算数据模型与获取虚拟交互与漫游生产物流

分析瓶颈分析

优化数据解析与驱动可视化监控HUAZHONG

UNIVERSITVOFSCIENCE

AND

TECHNOLOGV生产计划计划数据生产工艺工艺数据数字孪生车间建模生产过程虚拟监控生产运行状态运行逻辑建模李生规物

理

车

间物流能力实时数据管控指令67以三维虚拟车间为载体，通过虚拟漫游和透明报表，展示生产实况和生产实绩A1线

A2线

A3线

A4线

A5线

A6线

A7线

A8线数字孪生车间应用1:生产过程三维虚拟监控A04T0-2016052419cr00e8CFDO;68数字孪生车间应用2:虚实车间同步映射69HNGIR国生产计划RRF888.M计划仿真执行结果否偏差风险超阈值生产计划MES酯

四

国

份

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每母

卷

图县

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图册西想形册

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■班8

口

日u

0

a数字孪生车间应用3:生产计划预执行与验证2D

物流仿真模型

3D

可视化模型计划仿真分析模块●工艺流程●生产实况●

统计数据(设备故障率等)生产计划2Basceree/0reF数字孪生车间物理车间APS母母恒

酒

回

四日

日厚

是70丽小恒回■■数字镜像，虚实融合离线决策

(如计划调整和设备维护)信息集成人机料法环测能数据数字孪生车间应用4:数据驱动智能车间接入

存储大数据驱动智造感知控制与决策实时决策(如工艺优化)数据中心(数据湖)传感器/

控制器数据关联分析数据可视化边缘计算工业软件物理工厂可视化虚拟工分析71◆一台设备(10个传感器),采集频率100KHz,

数据量3.6G/小时◆变量多：为了分析和优化注塑工艺，需要采集几十个变量口

价值密度低◆少量的异常数据更有价值，如设备故障口其他：◆除少数情况外(如视觉检测),一般都是结构数据◆时序数据(设备状态)和业务数据(生产、产品)的相关性分析◆通常有一定的内在机理模型(如设备失效模型),并非仅数据相关开展一个项目，需要懂工业互联网、数据模型与算法、制造领域业务知识的三类人员口

来源分散、不易获取◆设备：控制系统、PLC、

传感器◆工业软件：

MES、PLM、ERP

等口

数据量大、高维车间大数据的特征72“相关性分析”

是车间大数据分析的主要任务口

以注塑成型质量分析为例：◆目标对象：注塑件质量(因变量y)◆影响因素(自变量x=(x₁…x₁)):

料筒温度、模具温度、注射保压时间、冷却

时间、注射压力和速度、注射行程等工艺参数，注塑模具的磨损状态，以及原

材料的瑕疵等工艺参数优化调控质量诊断与溯源质量预测应用数据获取●

PLC接口●工控机系统接入●机床数控系统接入●工业软件导入●人工输入●传感器接入●

RFID/条码自动识别●检测设备●

线性回归●

BP神经网络●支持向量机●深度神经网络(栈式去

噪自编码器、卷积神经

网络等)◆任务：通过大数据分析，建立关联关系：y=f(x)●

清

洗●

集

成●

降维●

特征提取●去除离群点

●

去

噪●归一等数据预处理

回归模型建立73方法典型工业应用场景回归分析订单完工期/成本预测、工艺参数的调优、质量追溯模式识别与分类机器视觉检测、故障诊断聚类产品分组、故障聚类时间序列机器/刀具的健康分析与寿命预测口简单的数据分析方法能解决很多问题◆统计分析，时序数据的傅里叶变换口经典的数据挖掘

(Data

mining)、

机器学习

(Machine

Learning)

方法口

如果数据量很大，大数据分析方法(比如卷积神经网络CNN)

可

能更有效Sparse

fike996DBN874DBVBasedHDN99.05VM87.4ANN67.x大数据的分析方法CNN算法达到了99.79%的预测准确率,好于其他算法故障诊断算例的对比分析结果Method

MeanAcuney74CNN09.4口通过数据集成，构建制造数据中心(数据仓库、数据湖)

口基于数据分析，实现决策支持应用智慧工厂

绩效分析

与数据多

视图展现智能计划排程物料

智能

调度制造过程质量评估与优化工艺参数

智能优化设备状态监测与智能维护刀辅具

寿命监

测与维

护决策制造成

本核算

、控制与预测数据整理

数据处理

数据分析数据挖掘

数据展示

数据利用模型库规则库

知识库

算法库工艺数据·制造BOM数

·工艺路线数据

·工艺指令数据

●工时成本数据

·工程更改数据设备数据·设备实时数据

·设备静态数据

·设备维护数据

·设备故障数据工厂/车间大数据应用平台建设下

物料数据·加工在制品数据

●装配在制品数据

·原材料数操·零配件数据·辅料数据供应链与服

务数据·供应商信息·历史供应数据

·产品服鼻

数据质量数据·加工测量数据·装配质量数据·调试质量数据·零部件质量数

据绩效数据

·设备绩效数据

·产品绩效数据

·人员绩效数据

·生产绩是数据

·质量绩效数据资源数据

·刀辅具数据

·人员数据●工装夹具数据

·物流资源数据

●环境数据生产数据·生产计划数据

·执行进度数据

·执行过程数据

·工时成本数据智慧工厂制造数据中心智慧工厂制造

数据中心智慧工厂决策支持应用层智慧工厂决策支持平台层75问题：

同件产品中出现无喇叭口、喇叭口偏小、部分开裂等现象；φ5产品喇叭口一次性合格率小于80%;影响产品质量具体因素不明(设备工艺参数及关键部件状态)——某空调设备制造