智能制造管理 课件 第九章 智能工厂规划与设计

第九章智能工厂规划与设计1智能工厂规划原则2智能工厂设计仿真技术与软件工具开发3智能产线设计智能工厂规划原则智能工厂是移动通信网络、数据传感监测、信息交互集成、人工智能等智能制造相关技术、产品及系统在工厂层面的具体应用，以实现生产系统的智能化、网络化、柔性化、绿色化。智能工厂的建设是一项复杂的系统工程，围绕产品的全生命周期价值链实现制造技术和信息技术在各个环节（研发设计、生产制造、物流、销售、服务）的融合发展。9.1.1智能工厂的特征智能工厂规划原则智能工厂的规划是一项复杂的系统工程，本节基于智能工厂的内涵以及智能工厂的特征，分析给出智能工厂规划过程中的核心要素主要包括：数据采集与分析、互联互通、设备自动化体系、制造执行系统体系、过程质量控制体系、自动报告与决策、主数据集成管理。9.1.2智能工厂规划要素智能工厂规划原则9.1.2智能工厂规划要素智能工厂规划原则9.1.2智能工厂规划要素智能工厂设计仿真技术与软件工具开发智能工厂是Industrial4.0的主题之一，实现智能工厂的前提是实现数字化工厂，数字化工厂有着很丰富的内涵，它是基于虚拟仿真制造技术，以涵盖产品全生命周期的数据为基础，在虚拟的环境中，实现整个生产过程的仿真、分析和优化的一种生产组织方式，在实际生产中有着广泛的应用，可以为企业持续降低生产成本、提升生产效率、缩短研发周期。9.2.1智能工厂仿真和数字化工厂的链接工厂设备数字化是建设数字化工厂最基本的要素，它需要生产设备的实时数据，可以直接为产品的设计、研发、生产、运输、销售等其他环节提供直接数据支持。工厂物流数字化是对整个物流过程的数据进行数字化，它实现智能物流的核心，通过实现物流过程的透明性、高效性和安全性，包括追踪产品运输过程、追踪定位各类运输车辆、配送物料上线等，可以极大地提升企业资源的利用率。研发设计的数字化通过高度集成设计、工艺、制造、检测等各业务的知识数据，包括CAD/CAPP/CAE/CAM/PLM的集成、虚拟仿真技术、产品全生命周期管理等来做到全流程的数字化。生产过程数字化通过数字化技术来解决现实中复杂的车间生产过程管理，主要是对制造执行系统(MES)以及企业资源规划(ERP)和产品生命周期管理(PLM)及车间现场自动化控制系统实现数据交互。智能工厂设计仿真技术与软件工具开发数字化工厂的实现和建立又离不开仿真技术的运用，它通过将真实的工换为各种数据，以便实现仿真或虚拟现实。再基于仿真的设计和优化。通过仿真和优化工具的实用，来执行和优化规划项目。将复杂的工厂可以分解为不同的层次和单元，在实际应用中通常我们分为四个层级来进行整个供应链的仿真。9.2.2仿真技术介绍（有限元，运动模型，离散事件）设备或工作中心的仿真企业离不开各种各样的生产线、设备、物料、工人、推车等等元素，这是最基础的仿真，因为元素比较少，也是比较容易实现的仿真。工厂和制造中心的仿真第二层的仿真会集成所有第一层的元素，更多的是关注产品在整个制造中心的流动。可以通过仿真产品生产周期来重新组织或优化生产线。通过工厂仿真，我们可以更清楚地知道产品的流向和浪费。对整个内部供应链的仿真通过对整个企业内所有工厂的协同优化为着眼点，关注的是整个企业内部所有生产产品的流动及在各个制造中心的生产和运输情况。各种节点间彼此协调和动态链接，从宏观的角度进行企业内部的分析和优化。通过虚拟网络来共同设计产品或生产线，其中不同的参与者可以在同一环境中协作并一起工作。对整个供应链的仿真以当前企业为中心，包括所有ENF-TO-END的利益相关方，从原材料、劳动力、能源供应商到企业的所有客户，甚至是客户的客户，进行企业未来战略上的分析模拟。智能工厂设计仿真技术与软件工具开发9.2.2仿真技术介绍（有限元，运动模型，离散事件）有限元仿真在过去的几十年中，FEMS逐渐发展成工程系统建模和仿真中的关键技术。在开发一个工程系统时，必须要经历一个非常严格的建模、仿真、可视化、分析、设计、原型、测试和最终的制造过程。FEMS正是基于用简单的方法和元素，并通过元素见的相互作用来构建复杂的对象。它是一种数值方法，用一种数学上的近似理论对实际的生产系统进行模拟仿真，然后利用有限的未知量去模拟和逼近拥有无限未知量的真实生产系统。随着计算机计算速度的不断增长，FEMS与计算机辅助技术CAD或计算机辅助制造技术CAM紧密地连续在一起，作为一种计算机模拟方法在工程中的应用也越来越广泛。运动仿真MS通过运用机械系统的运动学方法、动力学理论科学以及计算机辅助技术，在建模仿真、运动控制、动力学研究等方面进行仿真的技术，主要应用在机械设计领域。由于机械运动的过程非常复杂，往往难以用准确的数学表达式来描述，因此设计者为了减少复杂的理论分析，经常采用以前的经验，对新的设计方案进行比较和试错，这样盲目的是错，会导致设计周期的延长，而且设计的结果也很可能与真实情况出现较大的差距。因此借着计算机技术的发展和机械设计的精度控制越来越高，运动仿真技术得以成为机械设计人员进行设计的，重要技术，不仅可以大幅减少设计成本，而且可以无风险的试错，可以非常快捷的得到结果。离散事件仿真据对象的不同，对制造系统进行的仿真主要可以分为两类：连续制造系统的仿真(CMSS)和离散制造系统的仿真(DMSS)。连续制造系统的定义是值系统的状态随时间的变化而变化，是时间的函数。而离散事件系统是指系统的状态是发生在离散的时间节点上，系统状态变化只在特定的时间节点发生，并且发生的时刻具有一定的随机性[3]。离散系统的状态变化由随机事件驱动，随着特定事件的到来，系统状态随之发生变化。智能工厂设计仿真技术与软件工具开发离散事件系统的状态变化是由特定的事件或时钟驱动的，而且导致系统状态变化的事件可能也不唯一，状态变化的方向也不特定，有时难以用常规的数学表达式来建模。目前离散系统的模型框架主要有三种：逻辑层次模型、时间层次模型、统计性能层次模型。9.2.3离散事件系统仿真介绍与流程在离散事件仿真中，根据过程的侧重点不同，可将离散事件系统仿真分为面向对象和面向过程的仿真两种类型。面向对象的仿真特别适合于大型复杂系统，强调通过客观世界中固有的事物来构建仿真系统。面向过程的仿真面向过程仿真是根据事件发生的先后顺序对系统中对象的状态做出相应的改变，并推进系统状态发生变化。智能工厂设计仿真技术与软件工具开发离散事件仿真系统的关键组成要素主要包括：实体（是指存在于系统中的最基本的仿真对象）、事件（是指造成离散系统状态发生变化的特定条件）、活动（是指系统在两个相邻状态或相邻事件之间的转移过程）、进程（可以用来表示若干事件和活动的集合）、仿真时钟（在任何仿真系统中都会有仿真时钟，仿真通常都会加快或者减慢时间的运行从而得到想要验证的结果）。9.2.3离散事件系统仿真介绍与流程离散事件系统的仿真过程一般包括以下几个步骤：1）明确仿真目标，提出总体方案；2）收集数据，构造模型；3）制定方案，改进模型；4）设计仿真结果输出格式。智能工厂设计仿真技术与软件工具开发目前流行的仿真软件有很多，但是无论用哪种仿真软件，都可以采取如右图所示的系统化仿真建模步骤来进行仿真研究，主要步骤包括需求分析、概念设计、数据收集、工厂概念模型建立、数字化仿真建模、实验设计、数字化仿真验证、文档和报告等步骤。9.2.3离散事件系统仿真介绍与流程智能工厂设计仿真技术与软件工具开发从上述仿真的基本流程可以看到，最重要也最耗时间的还是在数字化仿真建模阶段，而且针对不同的问题，也可以使用不同的仿真软件，下面简单罗列下现今在制造业比较流行的仿真软件。（1）MATLAB，这个软件是一款基于C语言开发的一款软件，现如今被广泛地用来做理论研究和工厂仿真，支持用户自定义对象，自由编程，也可以直接连接外部数据，但是暂不支持三维动画效果（2）Flexsim，这款软件基于JAVA和C++实现，模型的可视化效果非常好，尤其是三维效果，可视化程度也很高，支持优化和自由编程，目前尤其在物流仓储行业应用的非常广泛。（3）Witness，这款软件是一款基于VB的仿真软件，用户可视化很好，因为内部基本实现了模块化设计，不需要用户自由编程，因此对流程比较稳定的仿真效果非常好，也适合初学仿真的人使用。（4）Vensim，和witness非常像，只是这款软件基于C/C++，支持仿真，但是不支持三维动画设计和自由编程。（5）Anylogic，基于JAVA架构的一款仿真软件，内部设计有丰富对象可以直接调用，也支持用户自由设计对象，可以做到基础对象和动作的模块化，同时支持优化和JAVA编程，来设计不同的事件，三维效果显示也相当不错9.2.4常用仿真软件智能产线设计为了在当前的市场中保持竞争力，生产线设计必须能够对客户不断变化的需求和动态的商