智能制造管理 課件 第九章 智能工廠規(guī)劃與設(shè)計(jì)

第九章智能工廠規(guī)劃與設(shè)計(jì)1智能工廠規(guī)劃原則2智能工廠設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)3智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)智能工廠規(guī)劃原則智能工廠是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳感監(jiān)測(cè)、信息交互集成、人工智能等智能制造相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品及系統(tǒng)在工廠層面的具體應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、綠色化。智能工廠的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，圍繞產(chǎn)品的全生命周期價(jià)值鏈實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和信息技術(shù)在各個(gè)環(huán)節(jié)（研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、物流、銷售、服務(wù)）的融合發(fā)展。9.1.1智能工廠的特征智能工廠規(guī)劃原則智能工廠的規(guī)劃是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本節(jié)基于智能工廠的內(nèi)涵以及智能工廠的特征，分析給出智能工廠規(guī)劃過程中的核心要素主要包括：數(shù)據(jù)采集與分析、互聯(lián)互通、設(shè)備自動(dòng)化體系、制造執(zhí)行系統(tǒng)體系、過程質(zhì)量控制體系、自動(dòng)報(bào)告與決策、主數(shù)據(jù)集成管理。9.1.2智能工廠規(guī)劃要素智能工廠規(guī)劃原則9.1.2智能工廠規(guī)劃要素智能工廠規(guī)劃原則9.1.2智能工廠規(guī)劃要素智能工廠設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)智能工廠是Industrial4.0的主題之一，實(shí)現(xiàn)智能工廠的前提是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠，數(shù)字化工廠有著很豐富的內(nèi)涵，它是基于虛擬仿真制造技術(shù)，以涵蓋產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在虛擬的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的仿真、分析和優(yōu)化的一種生產(chǎn)組織方式，在實(shí)際生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，可以為企業(yè)持續(xù)降低生產(chǎn)成本、提升生產(chǎn)效率、縮短研發(fā)周期。9.2.1智能工廠仿真和數(shù)字化工廠的鏈接工廠設(shè)備數(shù)字化是建設(shè)數(shù)字化工廠最基本的要素，它需要生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以直接為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售等其他環(huán)節(jié)提供直接數(shù)據(jù)支持。工廠物流數(shù)字化是對(duì)整個(gè)物流過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，它實(shí)現(xiàn)智能物流的核心，通過實(shí)現(xiàn)物流過程的透明性、高效性和安全性，包括追蹤產(chǎn)品運(yùn)輸過程、追蹤定位各類運(yùn)輸車輛、配送物料上線等，可以極大地提升企業(yè)資源的利用率。研發(fā)設(shè)計(jì)的數(shù)字化通過高度集成設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)等各業(yè)務(wù)的知識(shí)數(shù)據(jù)，包括CAD/CAPP/CAE/CAM/PLM的集成、虛擬仿真技術(shù)、產(chǎn)品全生命周期管理等來做到全流程的數(shù)字化。生產(chǎn)過程數(shù)字化通過數(shù)字化技術(shù)來解決現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜的車間生產(chǎn)過程管理，主要是對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)以及企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)和產(chǎn)品生命周期管理(PLM)及車間現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。智能工廠設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)數(shù)字化工廠的實(shí)現(xiàn)和建立又離不開仿真技術(shù)的運(yùn)用，它通過將真實(shí)的工換為各種數(shù)據(jù)，以便實(shí)現(xiàn)仿真或虛擬現(xiàn)實(shí)。再基于仿真的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過仿真和優(yōu)化工具的實(shí)用，來執(zhí)行和優(yōu)化規(guī)劃項(xiàng)目。將復(fù)雜的工廠可以分解為不同的層次和單元，在實(shí)際應(yīng)用中通常我們分為四個(gè)層級(jí)來進(jìn)行整個(gè)供應(yīng)鏈的仿真。9.2.2仿真技術(shù)介紹（有限元，運(yùn)動(dòng)模型，離散事件）設(shè)備或工作中心的仿真企業(yè)離不開各種各樣的生產(chǎn)線、設(shè)備、物料、工人、推車等等元素，這是最基礎(chǔ)的仿真，因?yàn)樵乇容^少，也是比較容易實(shí)現(xiàn)的仿真。工廠和制造中心的仿真第二層的仿真會(huì)集成所有第一層的元素，更多的是關(guān)注產(chǎn)品在整個(gè)制造中心的流動(dòng)?？梢酝ㄟ^仿真產(chǎn)品生產(chǎn)周期來重新組織或優(yōu)化生產(chǎn)線。通過工廠仿真，我們可以更清楚地知道產(chǎn)品的流向和浪費(fèi)。對(duì)整個(gè)內(nèi)部供應(yīng)鏈的仿真通過對(duì)整個(gè)企業(yè)內(nèi)所有工廠的協(xié)同優(yōu)化為著眼點(diǎn)，關(guān)注的是整個(gè)企業(yè)內(nèi)部所有生產(chǎn)產(chǎn)品的流動(dòng)及在各個(gè)制造中心的生產(chǎn)和運(yùn)輸情況。各種節(jié)點(diǎn)間彼此協(xié)調(diào)和動(dòng)態(tài)鏈接，從宏觀的角度進(jìn)行企業(yè)內(nèi)部的分析和優(yōu)化。通過虛擬網(wǎng)絡(luò)來共同設(shè)計(jì)產(chǎn)品或生產(chǎn)線，其中不同的參與者可以在同一環(huán)境中協(xié)作并一起工作。對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈的仿真以當(dāng)前企業(yè)為中心，包括所有ENF-TO-END的利益相關(guān)方，從原材料、勞動(dòng)力、能源供應(yīng)商到企業(yè)的所有客戶，甚至是客戶的客戶，進(jìn)行企業(yè)未來戰(zhàn)略上的分析模擬。智能工廠設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)9.2.2仿真技術(shù)介紹（有限元，運(yùn)動(dòng)模型，離散事件）有限元仿真在過去的幾十年中，F(xiàn)EMS逐漸發(fā)展成工程系統(tǒng)建模和仿真中的關(guān)鍵技術(shù)。在開發(fā)一個(gè)工程系統(tǒng)時(shí)，必須要經(jīng)歷一個(gè)非常嚴(yán)格的建模、仿真、可視化、分析、設(shè)計(jì)、原型、測(cè)試和最終的制造過程。FEMS正是基于用簡(jiǎn)單的方法和元素，并通過元素見的相互作用來構(gòu)建復(fù)雜的對(duì)象。它是一種數(shù)值方法，用一種數(shù)學(xué)上的近似理論對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，然后利用有限的未知量去模擬和逼近擁有無限未知量的真實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的不斷增長(zhǎng)，F(xiàn)EMS與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)CAD或計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)CAM緊密地連續(xù)在一起，作為一種計(jì)算機(jī)模擬方法在工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。運(yùn)動(dòng)仿真MS通過運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法、動(dòng)力學(xué)理論科學(xué)以及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，在建模仿真、運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)力學(xué)研究等方面進(jìn)行仿真的技術(shù)，主要應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域。由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程非常復(fù)雜，往往難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述，因此設(shè)計(jì)者為了減少?gòu)?fù)雜的理論分析，經(jīng)常采用以前的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和試錯(cuò)，這樣盲目的是錯(cuò)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期的延長(zhǎng)，而且設(shè)計(jì)的結(jié)果也很可能與真實(shí)情況出現(xiàn)較大的差距。因此借著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械設(shè)計(jì)的精度控制越來越高，運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)得以成為機(jī)械設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)的，重要技術(shù)，不僅可以大幅減少設(shè)計(jì)成本，而且可以無風(fēng)險(xiǎn)的試錯(cuò)，可以非?？旖莸牡玫浇Y(jié)果。離散事件仿真據(jù)對(duì)象的不同，對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行的仿真主要可以分為兩類：連續(xù)制造系統(tǒng)的仿真(CMSS)和離散制造系統(tǒng)的仿真(DMSS)。連續(xù)制造系統(tǒng)的定義是值系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間的變化而變化，是時(shí)間的函數(shù)。而離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)的狀態(tài)是發(fā)生在離散的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，系統(tǒng)狀態(tài)變化只在特定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)生，并且發(fā)生的時(shí)刻具有一定的隨機(jī)性[3]。離散系統(tǒng)的狀態(tài)變化由隨機(jī)事件驅(qū)動(dòng)，隨著特定事件的到來，系統(tǒng)狀態(tài)隨之發(fā)生變化。智能工廠設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)離散事件系統(tǒng)的狀態(tài)變化是由特定的事件或時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的，而且導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)變化的事件可能也不唯一，狀態(tài)變化的方向也不特定，有時(shí)難以用常規(guī)的數(shù)學(xué)表達(dá)式來建模。目前離散系統(tǒng)的模型框架主要有三種：邏輯層次模型、時(shí)間層次模型、統(tǒng)計(jì)性能層次模型。9.2.3離散事件系統(tǒng)仿真介紹與流程在離散事件仿真中，根據(jù)過程的側(cè)重點(diǎn)不同，可將離散事件系統(tǒng)仿真分為面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程的仿真兩種類型。面向?qū)ο蟮姆抡嫣貏e適合于大型復(fù)雜系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)通過客觀世界中固有的事物來構(gòu)建仿真系統(tǒng)。面向過程的仿真面向過程仿真是根據(jù)事件發(fā)生的先后順序?qū)ο到y(tǒng)中對(duì)象的狀態(tài)做出相應(yīng)的改變，并推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化。智能工廠設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)離散事件仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵組成要素主要包括：實(shí)體（是指存在于系統(tǒng)中的最基本的仿真對(duì)象）、事件（是指造成離散系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的特定條件）、活動(dòng)（是指系統(tǒng)在兩個(gè)相鄰狀態(tài)或相鄰事件之間的轉(zhuǎn)移過程）、進(jìn)程（可以用來表示若干事件和活動(dòng)的集合）、仿真時(shí)鐘（在任何仿真系統(tǒng)中都會(huì)有仿真時(shí)鐘，仿真通常都會(huì)加快或者減慢時(shí)間的運(yùn)行從而得到想要驗(yàn)證的結(jié)果）。9.2.3離散事件系統(tǒng)仿真介紹與流程離散事件系統(tǒng)的仿真過程一般包括以下幾個(gè)步驟：1）明確仿真目標(biāo)，提出總體方案；2）收集數(shù)據(jù)，構(gòu)造模型；3）制定方案，改進(jìn)模型；4）設(shè)計(jì)仿真結(jié)果輸出格式。智能工廠設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)目前流行的仿真軟件有很多，但是無論用哪種仿真軟件，都可以采取如右圖所示的系統(tǒng)化仿真建模步驟來進(jìn)行仿真研究，主要步驟包括需求分析、概念設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集、工廠概念模型建立、數(shù)字化仿真建模、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)字化仿真驗(yàn)證、文檔和報(bào)告等步驟。9.2.3離散事件系統(tǒng)仿真介紹與流程智能工廠設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)從上述仿真的基本流程可以看到，最重要也最耗時(shí)間的還是在數(shù)字化仿真建模階段，而且針對(duì)不同的問題，也可以使用不同的仿真軟件，下面簡(jiǎn)單羅列下現(xiàn)今在制造業(yè)比較流行的仿真軟件。（1）MATLAB，這個(gè)軟件是一款基于C語(yǔ)言開發(fā)的一款軟件，現(xiàn)如今被廣泛地用來做理論研究和工廠仿真，支持用戶自定義對(duì)象，自由編程，也可以直接連接外部數(shù)據(jù)，但是暫不支持三維動(dòng)畫效果（2）Flexsim，這款軟件基于JAVA和C++實(shí)現(xiàn)，模型的可視化效果非常好，尤其是三維效果，可視化程度也很高，支持優(yōu)化和自由編程，目前尤其在物流倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)應(yīng)用的非常廣泛。（3）Witness，這款軟件是一款基于VB的仿真軟件，用戶可視化很好，因?yàn)閮?nèi)部基本實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，不需要用戶自由編程，因此對(duì)流程比較穩(wěn)定的仿真效果非常好，也適合初學(xué)仿真的人使用。（4）Vensim，和witness非常像，只是這款軟件基于C/C++，支持仿真，但是不支持三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)和自由編程。（5）Anylogic，基于JAVA架構(gòu)的一款仿真軟件，內(nèi)部設(shè)計(jì)有豐富對(duì)象可以直接調(diào)用，也支持用戶自由設(shè)計(jì)對(duì)象，可以做到基礎(chǔ)對(duì)象和動(dòng)作的模塊化，同時(shí)支持優(yōu)化和JAVA編程，來設(shè)計(jì)不同的事件，三維效果顯示也相當(dāng)不錯(cuò)9.2.4常用仿真軟件智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)為了在當(dāng)前的市場(chǎng)中保持競(jìng)爭(zhēng)力，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)必須能夠?qū)蛻舨粩嘧兓男枨蠛蛣?dòng)態(tài)的商