第6章 智能工厂设计与仿真

第6章——智能工厂设计与仿真学习目标能简要概括智能工厂的基本特征及其概念演变历程能清晰描述智能工厂设计、建模及仿真的基本方法与流程能结合实际案例运用仿真软件进行智能工厂建模与仿真案例导入——哈空列结构件智能车间智能车间整体布局案例对象：哈尔滨空列轨道交通集团，以研制生产悬挂式单轨列车为主营业务实现钢板预处理、切割分拣、坡口、焊接和涂装的自动化生产采用了工艺仿真技术手段，对车间进行工艺物流仿真，验证并优化规划设计方案，用于指导项目的建设案例导入——哈空列结构件智能车间焊接工序利用率仿真分析获取最佳工作时长设备数量案例导入——哈空列结构件智能车间涂装工序利用率分析优化工件输送装置的数量物流转运设备（行车、轨道车）搬运能力分析切割坡口自动分拣线的节拍分析验证物流设备搬运能力，调整吊车操作人员数量合理设置切割机数量，降低设备投资第6章——智能工厂设计与仿真智能工厂设计与仿真6.1智能工厂定义及特征6.2智能工厂设计6.3智能工厂建模与仿真

6.4智能工厂建设实例6.1智能工厂定义及特征智能工厂概念演变美国IBM于2009年首次提出“智慧工厂”美国Rockwell于2009年提出“智能工厂”2013年，德国在汉诺威工业博览会上提出“工业4.0”概念中国专家学者提出了以“人-信息物理系统”为核心的新一代智能制造系统德国工业4.0给出的智能工厂架构6.1智能工厂定义及特征智能工厂概念演变《基于云制造的智能工厂架构要求》（GB/T39474）

智能工厂的定义是：通过将人工智能技术应用于产品设计、工艺、生产等过程，使得制造工厂在其关键环节或过程中人、机、物、环境、信息等能够体现出感知、互联、协同、学习、分析、认知、决策、控制与执行能力，动态地适应制造环境的变化，从而实现提质增效、节能降本的目标。6.1智能工厂定义及特征智能工厂概念演变《智能工厂安全控制要求》（GB/T38129）

智能工厂的定义是：智能工厂是在数字化工厂基础上，利用物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术加强信息管理和服务，同时集智能手段和智能系统等新兴技术于一体，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，以及合理计划排程，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。6.1智能工厂定义及特征智能工厂基础要素智能工厂基础要素网络安全人员流程技术数据实现智能工厂的必要手段智能工厂的最基础元素智能工厂有效运作的依赖自优化、自适应以及生产过程柔性工厂运营的关键6.1智能工厂定义及特征智能工厂基本特征生产组织精益化智能精益生产系统示意

生产组织精益化是实施智能工厂的基础，为智能工厂提供成熟的管理思想、体系与方法工具，强调全过程持续改善，通过采用自动化和准时化等方法，消除各种形式的浪费，不断提升价值流动效率。6.1智能工厂定义及特征智能工厂基本特征物流供应自动化车间物流执行层面工厂物流运行方面工厂供应链管理方面自动化仓储系统智能配送系统智能物流平台互联网技术物联网技术大数据和人工智能技术数字化平台手段6.1智能工厂定义及特征智能工厂基本特征物流供应自动化智能工厂物流供应自动化示意6.1智能工厂定义及特征智能工厂基本特征制造过程智能化——核心环节智能工厂制造过程智能化示意6.1智能工厂定义及特征智能工厂基本特征工厂设施绿色化

是智能工厂实现低碳运行和可持续发展的保障，要求在全寿命期内，最大限度节约资源（节地、节能、节水、节材）、减少污染和排放、保护室内外环境，提供适用、健康、安全、高效使用空间的工厂设施系统。运行管理智慧化

以打通企业生产经营全部流程为着眼点，实现从产品设计到销售，从设备控制到企业资源管理所有环节的信息快速交换、传递、存储、处理和无缝智能化集成。第6章——智能工厂设计与仿真智能工厂设计与仿真6.1智能工厂定义及特征6.2智能工厂设计6.3智能工厂建模与仿真

6.4智能工厂建设实例6.2智能工厂设计智能工厂设计面临的挑战打破传统工厂分段式建设模式适应小批量定制化生产需求的“柔性”重构改变传统“经验设计”模式，走向智能化传统的以经验为主的设计模式基于建模和仿真的设计模式6.2智能工厂设计智能工厂整体架构国内基于CPS理念提出的智能工厂整体架构6.2智能工厂设计智能工厂整体架构美国国家标准与技术研究院结合基于模型的系统工程并采用IDEF方法，给出了智能工厂建设的迭代模型6.2智能工厂设计智能工厂整体架构智能工厂整体建设实施路径6.2智能工厂设计实体工厂工艺设计工艺设计内容（1）确定车间的生产纲领，说明产品的规格与产量，确定原材料、燃料、水、电、劳动力等供应条件；（2）拟定车间的生产工艺过程，说明生产工艺流程、主要生产设备和辅助设备的规格及数量，确定车间的面积、设备的平面布置和剖面高度，明确动力、蒸气、压缩空气、电力等需要量和采取的供应方法，拟定安全技术与劳动保护措施；6.2智能工厂设计实体工厂工艺设计工艺设计内容（3）计算工厂原材料和半成品的需求量，以及运输、通讯、照明、取暖、给排水等需求量，确定必要的工时与劳动力消耗量，计算固定资产、流动资金、产品成本和投资效益；（4）确定全厂生产经营管理体系，明确各车间的生产任务和相互之间的协作联系，编制生产经营计划、产品质量检验、产品供销定货等相关制度，拟定劳动和生产组织及工作制度等。6.2智能工厂设计实体工厂工艺设计工艺设计流程6.2智能工厂设计实体工厂工艺设计价值流分析(VSM)

价值流分析是一种利用绘制企业生产全过程价值流程图（ValueStreamMapping，VSM），对企业生产全过程中的物料流动情况和信息流动情况进行全面分析，以识别判定物料流动和信息流动过程中存在哪些增值活动与非增值活动的方法。

通过价值流分析把企业的生产理顺，需要知道产品的需求节拍和各个工序的生产周期，通过节拍和生产周期的比较分析，可以明确需要改进的环节，从而采取针对性的措施进行调整。6.2智能工厂设计实体工厂工艺设计价值流分析(VSM)某智能工厂设计时的未来价值流图分析示例6.2智能工厂设计虚拟工厂设计

虚拟工厂是对所有目前和将来生产系统中的产品、过程以及控制进行建模，实现现实生产系统的验证。

虚拟工厂设计是一个动态更新的过程，能够把“现实制造”和“虚拟呈现”融合在一起。虚拟工厂类型以控制为中心以生产为中心以设计为中心6.2智能工厂设计虚拟工厂设计虚拟工厂架构虚拟工厂构建过程6.2智能工厂设计虚拟工厂设计虚拟工厂架构虚拟工厂参考架构互联互通层：实现物理世界与虚拟世界之间的实时信息交互，形成动态更新机制，以保证建立的虚拟工厂满足使用需求。模型层：为根据物理工厂实际情况建立的虚拟工厂信息模型。应用层：通过信息模型的各种组合，应用层提供不同的虚拟工厂业务功能。6.2智能工厂设计虚拟工厂设计虚拟工厂设计内容虚拟工厂设计主要方面基于信息模型的运行仿真和优化信息模型之间的信息互联信息模型的设计设计能保证虚拟工厂有效运行的信息模型并管理信息模型的有考虑模型之间的集成，便于信息共享基于互联的信息模型进行系统仿真分析和评价优化6.2智能工厂设计虚拟工厂设计虚拟工厂设计内容虚拟工厂设计具体内容6.2智能工厂设计虚拟工厂设计虚拟工厂设计流程第6章——智能工厂设计与仿真智能工厂设计与仿真6.1智能工厂定义及特征6.2智能工厂设计6.3智能工厂建模与仿真

6.4智能工厂建设实例6.3智能工厂建模与仿真工厂建模与仿真概念：基于初步的工厂设计方案基础上，通过计算机软件工具进行三维建模，搭建出数字化工厂模型，并通过仿真运行实现在生产线物理实体实际建造之前进行生产模拟的过程。目的：预先评估生产系统的生产能力，验证工艺路线的合理性，确保设备布局和设备使用的合理性，优化智能工厂设计中的资源配置问题和物流的管理问题，分析生产能力和设备的使用率，确定生产瓶颈并进行改善，为生产系统的正常运行做好准备。6.3智能工厂建模与仿真工厂建模与仿真步骤Step1：生产工艺规划设计

生产工艺是指其在产品制造过程中，以文件形式对产品制造工艺过程、工艺参数、工艺配方、操作方法等内容的记录。

生产工艺规划设计则是通过确定生产流程、生产系统构成，对整个生产系统进行合理规划，包括生产系统的布局，生产设备的选择和数量，辅助设备的选择等。6.3智能工厂建模与仿真工厂建模与仿真步骤Step2：借助计算机软件工具进行生产线建模

生产线建模与仿真分析的关键就是生产线的建模是否正确、合理。仿真模型从本质上反映了实际生产系统的生产能力及各个实体协同运行的合理性。生产线建模几何建模逻辑建模对生产线上所有设备进行三维建模通过逻辑控制实现对生产系统的控制6.3智能工厂建模与仿真工厂建模与仿真步骤Step3：仿真优化

通过建立生产线模型，能够精确真实模拟生产线的空间布置、运行情况，验证生产线产能、节拍、存储等规划设计要素的合理性，发现系统运行的瓶颈和对方案进行优化，使生产线布局更合理有效。

仿真优化是指对生产线进行建模并完成生产线的仿真，基于所得到的仿真结果进行分析，找出生产线的生产瓶颈，如设备的利用率、生产线在制品数量、某工位的工序能力。6.3智能工厂建模与仿真工厂建模与仿真的主要内容工厂布局与设备建模仿真工厂布局基本原则整体综合原则移动距离最小原则流动性原则空间利用原则柔性原则安全原则通过仿真运行来评估工厂布局和设备配置的效果，并根据仿真结果进行优化调整6.3智能工厂建模与仿真工厂建模与仿真的主要内容生产流程与工艺建模仿真生产流程建模将生产过程中的各个活动、决策、依赖关系、控制流和信息流等要素以逻辑语言的方式进行表述，通过使用图形符号、图表、符号化语言或其他程序语言来完成。工艺建模侧重于对生产过程中具体工艺步骤进行描述，涉及加工、装配、热处理等过程，确保生产过程的准确性和连续性6.3智能工厂建模与仿真工厂建模与仿真的主要内容仓储物流系统建模与仿真模拟实际仓储物流系统的运行状况，包括货物的入库、存储、拣选、出库等环节，以及设备的运行、人员的作业等过程。收集和分析各种数据，如作业时间、设备利用率、库存周转率等，以评估系统的性能和效率。6.3智能工厂建模与仿真工厂建模与仿真的主要内容对车间内温度、湿度、气流速度以及空气洁净度的精确控制6.3智能工厂建模与仿真仿真实验设计一般流程仿真实验目标设定实验场景与参数设置仿真运行与参数采集实验结果分析与优化（1）定义研究问题（2）设定具体目标（3）考虑约束条件（4）明确优先级（5）评估和调整6.3智能工厂建模与仿真仿真实验设计一般流程仿真实验目标设定实验场景与参数设置仿真运行与参数采集实验结果分析与优化（1）参数设置（2）参数初始化（3）参数调整（4）参数敏感性分析6.3智能工厂建模与仿真仿真实验设计一般流程仿真实验目标设定实验场景与参数设置仿真运行与参数采集实验结果分析与优化（1）加载模型与参数（2）设置运行条件（3）启动仿真（4）监控与记录（5）确定采集数据（6）配置数据采集系统（7）实时采集数据（8）数据处理与保存6.3智能工厂建模与仿真仿真实验设计一般流程仿真实验目标设定实验场景与参数设置仿真运行与参数采集实验结果分析与优化（1）数据整理与清洗（2）数据可视化（3）性能评估（4）因素分析（5）参数调整（6）方案优化（7）模型改进（8）多方案对比（9）实施优化方案（10）效果验证（11）迭代优化6.3智能工厂建模与仿真常用的工厂建模与仿真软件第6章——智能工厂设计与仿真智能工厂设计与仿真6.1智能工厂定义及特征6.2智能工厂设计6.3智能工厂建模与仿真

6.4智能工厂建设实例6.4智能工厂建设实例某公司飞轮储能装置智能工厂建设项目项目概况产品：“100KW飞轮储能装置”要求：建设一个满足产品制造工艺、生产产能需求、质量目标、数字化管理等要求的并可直接投产的智能工厂目标：实现年产2000套飞轮储能装置（产品规格以200KW为基准，向下覆盖50KW、100KW飞轮装置）的部装、总装和试验任务6.4智能工厂建设实例某公司飞轮储能装置智能工厂建设项目工艺流程6.4智能工厂建设实例某公司飞轮储能装置智能工厂建设项目设计方案——基于精益的工艺设计平面工艺设计布局智能工厂未来状态价值流分析推演二维设计和三维设计相结合6.4智能工厂建设实例某公司飞轮储能装置智能工厂建设项目设计方案——智能物流仓储设计物流配送方案智能物流系统流程6.4智能工厂建设实例某公司飞轮储能装置智能工厂建设项目设计方案——智能生产单元设计实现自动上下料、单元之间的物流运转通过AGV调度系统、MES系统进行衔接飞轮本体装配线整体三维布局6.4智能工厂建设实例某公司飞轮储能装置智能工厂建设项目设计方案——工艺物流仿真分析工具：PlantSimulation进行工艺物流仿真、ProcessDesigner和ProcessSimulate进行单工位仿真分析主要内容：1）智能车间方案初步确定，绘制车间物料流线图；2）智能车间工艺物流仿真模型创建，数据驱动模型运转，测试不同规划方案；3）产能、物流方案验证和优化；5）工艺布局、人员布置方案、单工位设计方案验证和优化。6.4智能工厂建设实例某公司飞轮储能装置智能工厂建设项目设计方案——工艺物流仿真分析车间整体仿真逻辑模型车间整体仿真