智能工厂数字孪生与仿真规划报告

智能工厂数字孪生与仿真规划报告整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行2023年02数字孪生简介目录CONTENTS01未来工厂简介04案例介绍03数字孪生应用整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行

时间轴18世纪末20世纪初蒸汽机1970年代初当前电力广泛应用自动化、信息化信息物联系统工业1.0创造机器工厂的“蒸汽时代”工业2.0将人类带入分工明确、大批量生产的流水线模式和“电气时代”工业3.0应用电子信息技术进一步提高生产自动化水平工业4.0开始应用信息物理融合系统(CPS)

复杂性未来工厂-背景新一轮技术与管理的迭代发展催生第四次工业革命体能智能整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行3未来工厂-背景效益国家效益：20年3万亿美元GDP增量。企业效益：效率↑20%，成本↓20%，节能减排↓10%。已印发互联网+国家级智能制造试点示范项目每年推出30个项目。中国制造2025智能制造：是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。智能制造系统架构从生命周期、系统层级和智能特征三个维度描述智能制造所涉及的活动、装备、特征等内容。制造是基础智能是赋能未来工厂-背景《国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）》整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行智能制造是制造业发展的主攻方向2012年，浙江在全国率先开展“机器换人”。2018年，浙江开始实施“机器换人”升级版――智能化改造提升行动。2020年7月浙江省发布浙江发布《“未来工厂”建设导则》团体标准未来工厂-背景整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行整理制作：郎丰利1519制作时间：2023年睿利而行未来工厂2020年8月，浙江省经信厅印发《浙江省培育建设“未来工厂”试行方案》，并于12月底发布12家未来工厂名单。未来工厂“未来工厂”：广泛应用数字孪生、物联网、大数据、人工智能、工业互联网等技术，实现数字化设计、智能化生产、智慧化管理、协同化制造、绿色化制造、安全化管控和社会经济效益大幅提升的现代化工厂。未来工厂七大核心要素：02数字孪生简介目录CONTENTS01未来工厂04案例介绍03数字孪生应用数字孪生简介数字孪生简单说就是在虚拟空间中完成物理对象、系统、数据的映射，以反映相对应的实体的全生命周期过程，挖掘历史规律，监控实时状态，预测未来趋势。将数字孪生技术应用于物理工厂中，将大幅推动产品在设计、生产、管理及维护等环节的变革。数字孪生是综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、诊断、预测、决策，进而实现物理空间与虚拟空间的交互映射。2016-2018年，Gartner连续三年将数字孪生列为十大战略科技发展趋势。2019年，Gartner认为数字孪生处于期望膨胀期顶峰，将在未来5年将产生破坏性创新。数字孪生技术数字孪生简介数字孪生正成为全球信息技术发展的新焦点数字孪生数字孪生+数字孪生++西门子公司DigitalTwin数字孪生DigitalTwinP/P/P数字孪生产品/生产/绩效ComprehensiveDigitalTwin综合数字孪生PTC公司DigitalTwin数字孪生DigitalTwin+KSystem数字孪生+知识体系DigitalTwin+AR数字孪生+增强现实达索公司VirtualTwin虚拟孪生ProductlifecycleTwin产品全生命周期孪生3DEXPERIENCETwin3DEXPERIENCE孪生ESI公司Physical-BasedVirtualTwin基于物理的虚拟孪生Date-DrivedVirtualTwin数据驱动的虚拟孪生HybridTwin混合孪生数字孪生简介

数字孪生正成为跨国企业业务布局的新方向数字世界物理世界数字孪生空间传感器、驱动器集成层网络、协议通信层数据、模型（数字孪生实现）信息层资产功能功能层组织和业务流程业务层资产层 物（设备/机器/产品等）德国工业4.0参考架构应用平台数字孪生空间模型平台数据平台图以数字孪生体框架为核心的工业互联网Paas系统数字孪生正成为主要国家数字化转型的新抓手美国工业互联网联盟将数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键。德国工业4.0参考架构将数字孪生作为重要内容。数字孪生简介CAx软件为数字孪生的出现奠定了技术基础1949年第一代CAM软件APT问世；1969年NASA推出了第一代CAE软件COSMIC

Nastran；1973年第一代CAPP系统AuToPros问世；1982年二维绘图标志性工具AutoCAD问世。……21世纪之前技术积累期2000-2015年概念提出期美国军方机构开始提出数字孪生的相关概念2003年密歇根大学Michael

Grieces教授首次提出数字孪生概念；2010年美国军方提出数字线程；2011年洛克希德·马丁提出数字织锦；2012年NASA发布了包含数字孪生的两份技术路线图。……2020-未来快速发展期数字孪生技术和产业生态都有望迎来爆发期数字孪生将加速与AI等新兴技术融合发展进一步应用。数字孪生广泛应用于工业互联网、车联网、智慧城市等新型场景。……2015-2020年应用萌芽期工业软件巨头纷纷布局数字孪生业务西门子2017年正式发布了数字孪生体应用模型；PTC2017年推出基于数字孪生技术的物联网解决方案；达索、GE、ESI等企业开始宣传和使用数字孪生技术。……数字孪生因建模仿真技术而起、因传感技术而兴，并将随着新一代信息技术群体突破和融合发展而发展壮大。数字孪生历程：历经技术积累、概念提出、应用萌芽、快速发展四个阶段数字孪生简介工厂数字孪生-功能在工厂规划/升级阶段，开展车间规划方案的仿真定量评估和分析，科学地指导车间系统设计调整；在生产执行阶段，建立实时数据驱动的仿真机制，实现同步仿真运动和三维虚拟监控。工厂数字孪生-功能工厂数字孪生平台郎丰利整理制作基于离散事件理论的工厂仿真分析与优化基于三维的工厂建模与仿真侧重于产线性能量化分析与优化侧重于三维建模、物流与虚实映射1、产线建模2、布局规划3、节拍分析4、物流设计5、虚实映射工厂规划与工艺验证产能评估分析生产设施布局瓶颈定位分析生产物流资源配置设计优化仓库暂存设计物流系统规划设计实时数据驱动的虚拟管控生产可执行性验证与优化生产设备运行数据监控生产执行过程监控生产异常预警特殊设备的远程运维生产过程实时显示教学培训物流瓶颈仿真分析生产节拍仿真分析生产资源仿真分析物流路径仿真分析APS计划集成仿真生产策略分析工厂数字孪生-功能数字孪生工厂开发一般流程数字孪生万物互联数字孪生工厂预期效果02数字孪生简介目录CONTENTS01未来工厂04案例介绍03数字孪生应用1.虚拟产品（装备）仿真装备的操作使用和维修采用实装的训练方式普遍存在成本高、难度大、风险高、周期长的缺点，利用虚拟装备技术将训练的部分内容移植到虚拟装备上，能减少实装损耗、缩短培训周期、提高培训质量、降低培训成本、提升培训效率、强化培训深度、降低安全风险。对物理车间进行三维建模，包括产线、立库、物流、电子看板、操作人员、中央控制室等，定义设备仿真交互属性，采用轻量化技术保证大规模场景的流畅显示，从而建立一个与实际环境1:1的虚拟工厂环境。在三维虚拟工厂环境中，动画模拟产品从订单接收到产品交付的全套生产流程，并支持：关键工序的细节展示、干涉检验人机交互和虚拟现实漫游全方位展现数字化、智能化技术的应用效果2.三维虚拟工厂规划基于产线工艺设备布局、节拍、故障等数据，构建产线仿真模型，模拟生产与物流过程，计算分析仿真数据，获得反映车间系统效能指标，定位改善生产瓶颈，从而科学定量分析车间规划方案，并基于仿真试验和优化算法寻找更优的资源配置和生产策略等方案。产能仿真评估与分析瓶颈识别与改善生产线平衡分析关键资源利用率分析产线策略对比分析工位暂存区容量分析3.产线设计仿真优化在物流系统规划或调整升级阶段，通过物流仿真设计，一方面，直观呈现未来系统建设方案和效果，便于方案沟通与评审，统一企业思想；另一方面，综合考虑实际复杂因素，实现物流系统能力、资源配置、系统参数的定量评估和仿真优化；最终实现基于经验的规划向基于仿真的设计的转变，大大缩短物流系统规划建设周期。仓库暂存规划配送物流设计线边的暂存区应该设置多大？需要扩建多大面积的仓库？仓库储存能力和备货能力？仓库位置以及仓储内物料布局？堆垛机效率？托盘等容器数量配置？复杂业务流程的梳理？合理的物流设施配置和布局物流路径路径规划，发生拥塞、干涉、交叉频率？引进何种、多大性能设备？物流系统能力评估优化4.物流设计仿真优化5.生产计划可行性评估有了虚拟工厂模型，就可提前对生产订单进行仿真，基于实时数据还原车间实时状态，基于历史数据提取车间关键特征值和运行规律，预演未来可能发生的情况，实现生产订单和计划的可行性评估等决策支持。产线设备基于三维虚拟模型，通过与MES、设备监控系统集成，建立数据驱动仿真机制，实现实时生产数据驱动的三维虚拟可视化监控，并实现虚拟工厂与物理工厂融合，即通过在三维虚拟工厂漫游，查看生产计划执行状态、设备状态、质量状态、工艺参数、生产历史、生产绩效等生产实况和生产实绩。6.在线虚拟监控7.实时数据驱动的数字孪生车间现场生产状态三维虚拟仿真指令下发：生产与物料指令、工艺数据、质检标准等下发至设备实时上传：数控机床、机器人、RFID料盘、AGV、RGV等各种设备数据，物料数据及生产状态数据。虚实融合02数字孪生简介目录CONTENTS01未来工厂04案例介绍03数字孪生应用面向某高端厨电公司电器3厂侧吸式油烟机全工艺制造过程，构建数字虚拟工厂。1.某高端厨电数字孪生工厂34基于产线工艺设备布局、节拍、故障等数据，构建产线仿真模型，模拟生产与物流过程，计算分析仿真数据，获得反映车间系统效能指标，定位改善生产瓶颈，从而科学定量分析车间规划方案，并基于仿真试和优化算法寻找更优的资源配置和生产策略等方案。产能仿真评估与分析瓶颈识别与改善生产线平衡分析关键资源利用率分析产线策略对比分析工位暂存区容量分析产线设计仿真优化基于工厂物流布局、资源、节拍、故障数据，标准化仿真数据，导入生产与物流仿真模型进行分析。物流设计仿真分析基于虚拟工厂的实时决策管控基于工厂计划、执行、物料、质量、资源等环节的多维度数据，融合仿真预测和大数据分析，支持企业决策精准化设备运行状态质量检测波动虚拟工厂漫游三维虚拟监控和异常定位简介国家智能制造项目，客户将建设一个便携式电子产品结构模组精密加工数字化智能车间在车间规划期对设计方案无法量化评估，期望通过构建车间生产线、立体仓库、AGV物流系统仿真模型，评估分析方案能否满足预期需求，并进行方案仿真优化设计目标对车间生产与物流过程进行仿真模拟，可视化车间设计方案，统一思想，指导车间建设评估不同资源数量、布局、生产策略下产线、物流、立库的能力，给出较佳方案对车间方案进行仿真优化设计，以达到每天38400件加工产品的生产目标，获得精益车间规划方案2.某公司精密加工数字孪生车间项目19条CNC机加工线，1座数字化立体仓库，189台机床，97台机器人，7台AGV，单台机器人最多负责机床数4台生产线仿真验证与优化改善前改善后托盘数量推荐产线能力优化最佳托盘数量为19个线上托盘数超过24个会发生阻塞二线组合模式2、6产能6.66%提升二线组合模式2、3产能6.43%提升排除三线、四线、五线组合方式A

、B

产线平均利用率为62.27%

、88.39%，在生产计划时优先考虑A件尽量安排A件在A1、A3线上加工，产线平衡率能达到71.7%生产线模型产线布局优化产线能力分析立体仓库验证与优化立体仓库库位及堆垛机使用情况仿真数据统计备货效率验证一楼堆垛机利用率为76%，二楼堆垛机利用率达到91%，两者能力均满足现有规划车间的出入库需求，二楼的原料入库和成品出库时应就堆垛机空闲时适时进行一楼库位平均利用率为74.81%，二楼库位平均利用率为78.37%，能够满足车间生产需求，并能应对外界环境原材料到达和成品运走的波动干扰。立体仓库子模型库位利用定量评估物流配送能力验证与优化AGV平均利用情况以及各道路通过频次统计使用频率最高的道路是AGV运输的必经之路或者靠近十字路口的道路，某些道路的利用频次要低一些，有一条道路从未有AGV经过，可以取消。AGV物流子模型一、二楼AGV推荐数量分别为3、4台，仿真获得一楼AGV平均利用率为69.6%，二楼平均利用率为76.9%，能够满足车间所有