智能工厂方案与体系

智能工厂方案与体系随着产品需求及随之而来的设计制造过程转变，全球制造业发生了前所未有的改变，智能产品的复杂性被视为对创新领导者在制造上的全新挑战，这势必会加速全球竞争。但是，以往的制造技术、制造理念以及对于制造过程的管控能力已经跟不上时代需求，无法承担起产品自主创新的重任，而软件工程和电子技术正在驱动产品创新与制造走向新的水平，这势必会掀起新的产品创新机遇。智能特性作为现行制造系统的核心功能，是构成智能制造系统的核心与主要驱动力。在智能制造系统中，人类的部分脑力劳动被机器所替代，计算机能够模仿人的思维方式，进行条件判断、数据分析、资源管理、调度决策等行为。人类与机器之间的关系也不是对立的，而是相互合作、共同协作的，从而有助于建立起高度柔性的智能系统。智能制造系统不是简单的人工智能系统，而是在人工智能的辅助下，人与机器和谐相处，各自发挥自己的优势，其中人依然是整个过程的核心。智能制造系统的关键体现在智能工厂上，而产品制造从诞生开始，经历了自动化、数字化过程，在此基础上，借助物联网技术可实现设备的互联互通，实现智能工厂架构的纵向集成，并借助跨层级的数据传输能力建立自下而上的数据通道，为绿色、节能且环保的生态型智能工厂的建立提供组件基础。基于此，智能工厂已经初步具有自律、自组织能力，可采集底层数据并对其进行详细分析，还可针对特定条件下的生产情形进行判断以及逻辑推理。同时，通过三维建模等可视化技术，现实物理世界可与虚拟世界进行无缝融合，将仿真融入产品的设计与制造过程中。并且，各个子系统之间能够相互协调、动态重组，整体上具备了自我诊断、自行维护能力，更好地为制造产业提供实现手段。1　智能工厂的体系架构1.1　智能工厂的架构与功能定义智能工厂是实现智能制造的基础与前提，它在组成上主要分为三大部分（见图2-1）。在企业层对产品研发和制造准备进行统一管控，与ERP进行集成，建立统一的顶层研发制造管理系统。管理层、操作层、控制层、现场层通过工业网络（现场总线、工业以太网等）进行组网，实现从生产管理到工业网底层的网络联接，满足管理生产过程、监控生产现场执行、采集现场生产设备和物料数据的业务要求。除了要对产品开发制造过程进行建模与仿真外，还要根据产品的变化对生产系统的重组和运行进行仿真，在投入运行前就要了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量、工期等，为生产制造过程中的流程优化和大规模网络制造提供支持。（1）企业层——基于产品全生命周期的管理层企业层融合了产品设计生命周期和生产生命周期的全流程，对设计到生产的流程进行统一集成式的管控，实现全生命周期的技术状态透明化管理。通过集成PLM系统和MES、ERP系统，企业层实现了全数字化定义，设计到生产的全过程高度数字化，最终，实现基于产品的、贯穿所有层级的垂直管控。通过对PLM和MES的融合实现设计到制造的连续数字化数据流转。（2）管理层——生产过程管理层管理层主要实现生产计划在制造职能部门的执行，管理层统一分发执行计划，进行生产计划和现场信息的统一协调管理。管理层通过MES与底层的工业控制网络进行生产执行层面的管控，操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源（人、设备、物料、客户需求等）的当前状态，同时获取底层工业网络对设备工作状态、实物生产记录等信息的反馈。（3）集成自动化系统自动化系统的集成是从底层出发的、自下而上的，跨越设备现场层、中间控制层以及操作层三个部分，基于CPS网络方法使用TIA技术集成现场生产设备物理创建底层工业网络，在控制层通过PLC硬件和工控软件进行设备的集中控制，在操作层有操作人员对整个物理网络层的运行状态进行监控、分析。智能工厂架构可以实现高度智能化、自动化、柔性化和定制化，研发制造网络能够快速响应市场的需求，实现高度定制化的节约生产。图1　智能工厂的架构1.2　智能工厂的雏形——安贝格数字化工厂西门子基于工业4.0概念创建安贝格数字化工厂的目的是实践工业4.0概念并诠释未来制造业的发展，在产品的设计研发、生产制造、管理调度、物流配送等过程中，安贝格工厂都实现了数字化操作。安贝格数字化工厂突出数字化、信息化等特征，为制造产业的可持续发展提供了借鉴与启迪。安贝格数字化工厂已经完全实现了生产过程的自动化，在生产过程的制造研发方面与国际化的质量标准相对接。安贝格数字化工厂的理念是将企业现实和虚拟世界结合在一起，从全局角度看待整个产品的开发与生产过程，推动每个过程步骤都实现高能效生产，覆盖从产品设计到生产规划、生产工程、生产实施以及后续服务的整个过程，安贝格数字化工厂通过数字化工厂的实践来对未来工业4.0概念做出最佳实践，处于制造业革命的应用前沿（见图2）。图2　安贝格数字化工厂1.建立数字化企业平台如图3所示，在统一的数字化平台上进行企业资源、企业供应链、企业系统的融合管理，建立一个跨职能的层级数字化平台，实现资源、供应链、设计系统、生产系统统一的柔性协调和智能化管控，企业所有层级进行全数字化管控，通过数字化数据的层级流转实现对市场需求的高定制化要求，并实时监控企业的资源消耗、人力分配、设备应1.2　.用、物流流转等生产关键要素，分析这些关键要素对产品成本和质量的影响，以达到智能控制企业研发生产状态、有效预估企业运营风险的目的。2.建立智能化物理网络基于赛博物理网络基础（见图4）集成西门子的IT平台、工控软件、制造设备的各种软硬件技术，建立西门子的工业网络系统。在创建生产现场物理网络的同时，把生产线的制造设备联接到物理网络中，采集设备运行情况，记录生产物料流转等生产过程数据。1.2　.图3　数字化企业平台图4　智能化物理网络在西门子数字化工厂中，所研发、生产的每一件新产品都会拥有自己的数据信息。这些数据信息在研发、生产、物流的各个环节中不断丰富，实时保存在数字化企业平台中。基于这些数据实现数字化工厂的柔性运行，生产中的各个产品全生命周期管理系统、车间级制造执行系统、底层设备控制系统、物流管理等全部实现了无缝信息互联，并实现智能生产。西门子数字化工厂在同一数据平台上对企业的各个职能和专业领域进行数字化规划，数字化工厂应用领域包括数字化产品研发、数字化制造、数字化生产、数字化企业管理、数字化维护、数字化供应链管理。通过对企业各个领域的数字化集成实现企业精益文化的建立，实现企业的精益运营，如图5所示。图5　西门子数字化工厂的数据平台2　智能工厂解决方案要素2.1　产品数字化建模与开发系统产品的研发、设计、制造、质检等组成了产品生产过程，而过程是一系列相关活动组成的有机序列，通过过程才能形成产品并产生效益。为提高制造的成功率和可靠性，在数字化制造中应格外重视工艺过程，即产品加工过程、装配过程及生产系统规划、重组和仿真等技术的研究，以实现生产资源和加工过程的优化及从传统制造向可预测制造转变的目的。出于工艺过程的复杂性，很难用一个模型来描述，所以在工艺过程建模中往往采用多视图和复合过程模型描述。所谓多视图，即从产品信息、开发活动、企业资源和组织结构等多方面分别进行描述，然后通过集成化方法产生模型间的映射机制；复合过程模型是指对过程、产品数据及资源数据的复合描述，也包括复合各种模型的特点，如功能模型中的结构分析，动态模型中的状态转移及对象模型中的封装、继承等特点。按照加工过程的特点，加工过程中的建模和仿真指的是对刀具轨迹进行运动模拟，并判断在刀具与原材料的相对运动过程中是否存在干涉。同时在智能工厂装配环节，通过虚拟装配环境可以有效地提高装配车间现场的现代化管理水平。在车间现场，所提供的三维可视化装配工艺文档（包括装配工艺过程动画、三维模型、装配工装和工具、辅助材料清单等）使装配人员可以更清晰、更快速地理解装配意图，从而减少或部分替代实物试装，提高生产效率，降低生产成本。可以说，产品数字化模型不仅是产品性能仿真的基础，而且是生产系统建立、工艺路线确定和工艺过程建模的基础。产品数字化建模技术主要研究的是在计算机内部采用什么样的数字化模型来描述、存储和表达现实世界中的产品，包括产品的几何形状、结构、性能与行为状态等信息。对机械产品而言，由于产品的几何形状和结构是最基本的信息，因此自三维CAD系统（如NX）出现以后，数字化建模技术首先成功应用在产品的数字化定义和数字化预装配方面。下面以西门子产品数字化建模与开发解决方案NX为例进行详细阐述。NX支持产品开发中从概念设计到工程和制造的各个方面，为客户提供了一套集成的工具集，用于协调不同学科、保持数据完整性和设计意图以及简化整个流程。应用领域最广泛、功能最强大的最佳集成式应用程序套件NX可大幅提升生产效率，帮助客户制定更明智的决策并更快、更高效地提供更好的产品。除了用于计算机辅助设计、工程和制造（CAD/CAM/CAE）的工具集以外，NX还支持在设计师、工程师和更广泛的组织之间进行协同，为此，它提供了集成式数据管理、流程自动化、决策支持以及其他有助于优化开发流程的工具，主要有：·面向概念设计、三维建模和文档的高级解决方案。·面向结构、运动、热学、流体、多物理场和优化等应用领域的多学科仿真。·面向工装、加工和质量检测的完整零部件制造解决方案。NX将面向各种开发任务的工具集成到一个统一的解决方案中，所有技术领域均可同步使用相同的产品模型数据。借助无缝集成，客户可以在所有开发部门之间快速地传播信息和进行流程变更。NX利用Teamcenter软件（SiemensPLMSoftware推出的一款协同产品开发管理（cPDM）解决方案）来建立单一的产品和流程知识源，以协调开发工作的各个阶段，实现流程标准化，加快决策过程。实践表明，NX帮助客户推出了更多新产品，减少了30%以上的开发时间，将设计-分析迭代周期缩短了70%以上，减少了多达90%的计算机数控（CNC）编程时间。如图2-6所示，借助全面的三维产品设计，NX可以帮助客户以更低的成本实现更出色的创新和更高的质量。NX还可让设计团队自由地使用最高效的方法来处理手头的任务，设计师可以借助无缝交换功能来选择线框、曲面、实体参数或直接建模技术。NX包含强大的装配体设计工具，其卓越的性能和能力能够在完整的装配体环境中进行交互式操作，即使是对于最复杂的模型也能胜任。装配体导航、多CAD样机、干涉分析、路径规划和其他工程工具可加快装配体设计并改善质量。对于专业化的设计任务，NX提供了针对特定流程的建模工具，在钣金设计、焊接设计以及电气和机械布线方面优于通用CAD。NX还提供了设计模板，可加快设计速度，实现工程流程标准化。客户可以基于现有模型创建模板，进而在新设计中轻松地重用它们，模板中还可以纳入仿真、制图、验证和其他工程领域的最佳实践。图6　基于NX的设计借助高级自由曲面建模、形状分析、渲染和可视化工具，NX能够交付专用工业设计系统的全部功能，还可提供与NX设计、仿真和制造功能的完整集成。通用的集成工具箱将二维、三维、曲线、曲面、实体、参数和同步建模结合在一起，有助于轻松快速地创建和编辑形状，可在基本形状的基础上轻松地进行构造，或通过逆向工程来参照实物对象，进而创建概念模型。NX的形状分析和验证工具有助于确保设计的完整性、质量和可制造性。同时，NX将机械、电子和电气设计与流程集成到统一的机电产品设计解决方案中。从印制电路板设计到机械封装、电气配线和线缆设计，NX提供了各种工具来支持不同部门之间的协同。机械、电子和控制系统设计师可以使用并行流程来提供高质量产品。工程师们一直都在努力尝试在整个系统的层面更好地了解产品性能。NXCAE（见图2-7）提供了能够更轻松地执行系统仿真的方法。NXCAE是一种现代的多学科环境，其面向的人群包括高级分析师、工作组和设计师。他们需要及时地提供高质量的性能分析以推动做出更明智的产品决策。与无关联的单学科CAE工具不同，NXCAE将一流的分析建模与用于结构分析、热分析、流体分析、运动分析、多物理场分析和优化分析的仿真解决方案集成到一个环境中，它还可以将仿真数据管理无缝集成到分析师工作流程中，因此不会再丢失某些隐蔽的硬盘驱动器中的信息。最后，NXCAE使公司可以将仿真扩展到设