智能制造管理 課件 第九章 智能工廠規(guī)劃與設(shè)計

第九章智能工廠規(guī)劃與設(shè)計1智能工廠規(guī)劃原則2智能工廠設(shè)計仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)3智能產(chǎn)線設(shè)計智能工廠規(guī)劃原則智能工廠是移動通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳感監(jiān)測、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)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，圍繞產(chǎn)品的全生命周期價值鏈實現(xiàn)制造技術(shù)和信息技術(shù)在各個環(huán)節(jié)（研發(fā)設(shè)計、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)備自動化體系、制造執(zhí)行系統(tǒng)體系、過程質(zhì)量控制體系、自動報告與決策、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，實現(xiàn)智能工廠的前提是實現(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，實現(xiàn)整個生產(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)備的實時數(shù)據(jù)，可以直接為產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)、運輸、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)字化是對整個物流過程的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化，它實現(xiàn)智能物流的核心，通過實現(xiàn)物流過程的透明性、高效性和安全性，包括追蹤產(chǎn)品運輸過程、追蹤定位各類運輸車輛、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)計的數(shù)字化通過高度集成設(shè)計、工藝、制造、檢測等各業(yè)務(wù)的知識數(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)實中復(fù)雜的車間生產(chǎn)過程管理，主要是對制造執(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)場自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。智能工廠設(shè)計仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)數(shù)字化工廠的實現(xiàn)和建立又離不開仿真技術(shù)的運用，它通過將真實的工換為各種數(shù)據(jù)，以便實現(xiàn)仿真或虛擬現(xiàn)實。再基于仿真的設(shè)計和優(yōu)化。通過仿真和優(yōu)化工具的實用，來執(zhí)行和優(yōu)化規(guī)劃項目。將復(fù)雜的工廠可以分解為不同的層次和單元，在實際應(yīng)用中通常我們分為四個層級來進行整個供應(yīng)鏈的仿真。9.2.2仿真技術(shù)介紹（有限元，運動模型，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，因為元素比較少，也是比較容易實現(xiàn)的仿真。工廠和制造中心的仿真第二層的仿真會集成所有第一層的元素，更多的是關(guān)注產(chǎn)品在整個制造中心的流動?？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。對整個內(nèi)部供應(yīng)鏈的仿真通過對整個企業(yè)內(nèi)所有工廠的協(xié)同優(yōu)化為著眼點，關(guān)注的是整個企業(yè)內(nèi)部所有生產(chǎn)產(chǎn)品的流動及在各個制造中心的生產(chǎn)和運輸情況。各種節(jié)點間彼此協(xié)調(diào)和動態(tài)鏈接，從宏觀的角度進行企業(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。對整個供應(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，進行企業(yè)未來戰(zhàn)略上的分析模擬。智能工廠設(shè)計仿真技術(shù)與軟件工具開發(fā)9.2.2仿真技術(shù)介紹（有限元，運動模型，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)一個工程系統(tǒng)時，必須要經(jīng)歷一個非常嚴(yán)格的建模、仿真、可視化、分析、設(shè)計、原型、測試和最終的制造過程。FEMS正是基于用簡單的方法和元素，并通過元素見的相互作用來構(gòu)建復(fù)雜的對象。它是一種數(shù)值方法，用一種數(shù)學(xué)上的近似理論對實際的生產(chǎn)系統(tǒng)進行模擬仿真，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生產(chǎn)系統(tǒng)。隨著計算機計算速度的不斷增長，F(xiàn)EMS與計算機輔助技術(shù)CAD或計算機輔助制造技術(shù)CAM緊密地連續(xù)在一起，作為一種計算機模擬方法在工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。運動仿真MS通過運用機械系統(tǒng)的運動學(xué)方法、動力學(xué)理論科學(xué)以及計算機輔助技術(shù)，在建模仿真、運動控制、動力學(xué)研究等方面進行仿真的技術(shù)，主要應(yīng)用在機械設(shè)計領(lǐng)域。由于機械運動的過程非常復(fù)雜，往往難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達式來描述，因此設(shè)計者為了減少復(fù)雜的理論分析，經(jīng)常采用以前的經(jīng)驗，對新的設(shè)計方案進行比較和試錯，這樣盲目的是錯，會導(dǎo)致設(shè)計周期的延長，而且設(shè)計的結(jié)果也很可能與真實情況出現(xiàn)較大的差距。因此借著計算機技術(shù)的發(fā)展和機械設(shè)計的精度控制越來越高，運動仿真技術(shù)得以成為機械設(shè)計人員進行設(shè)計的，重要技術(shù)，不僅可以大幅減少設(shè)計成本，而且可以無風(fēng)險的試錯，可以非?？旖莸牡玫浇Y(jié)果。離散事件仿真據(jù)對象的不同，對制造系統(tǒng)進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)隨時間的變化而變化，是時間的函數(shù)。而離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)的狀態(tài)是發(fā)生在離散的時間節(jié)點上，系統(tǒng)狀態(tài)變化只在特定的時間節(jié)點發(fā)生，并且發(fā)生的時刻具有一定的隨機性[3]。離散系統(tǒng)的狀態(tài)變化由隨機事件驅(qū)動，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鐘驅(qū)動的，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，有時難以用常規(guī)的數(shù)學(xué)表達式來建模。目前離散系統(tǒng)的模型框架主要有三種：邏輯層次模型、時間層次模型、統(tǒng)計性能層次模型。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)中對象的狀態(tài)做出相應(yīng)的改變，并推進系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化。智能工廠設(shè)計仿真技術(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：實體（是指存在于系統(tǒng)中的最基本的仿真對象）、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（是指系統(tǒng)在兩個相鄰狀態(tài)或相鄰事件之間的轉(zhuǎn)移過程）、進程（可以用來表示若干事件和活動的集合）、仿真時鐘（在任何仿真系統(tǒng)中都會有仿真時鐘，仿真通常都會加快或者減慢時間的運行從而得到想要驗證的結(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，改進模型；4）設(shè)計仿真結(jié)果輸出格式。智能工廠設(shè)計仿真技術(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行仿真研究，主要步驟包括需求分析、概念設(shè)計、數(shù)據(jù)收集、工廠概念模型建立、數(shù)字化仿真建模、實驗設(shè)計、數(shù)字化仿真驗證、文檔和報告等步驟。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，最重要也最耗時間的還是在數(shù)字化仿真建模階段，而且針對不同的問題，也可以使用不同的仿真軟件，下面簡單羅列下現(xiàn)今在制造業(yè)比較流行的仿真軟件。（1）MATLAB，這個軟件是一款基于C語言開發(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畫效果（2）Flexsim，這款軟件基于JAVA和C++實現(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，目前尤其在物流倉儲行業(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，因為內(nèi)部基本實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，不需要用戶自由編程，因此對流程比較穩(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，但是不支持三維動畫設(shè)計和自由編程。（5）Anylogic，基于JAVA架構(gòu)的一款仿真軟件，內(nèi)部設(shè)計有豐富對象可以直接調(diào)用，也支持用戶自由設(shè)計對象，可以做到基礎(chǔ)對象和動作的模塊化，同時支持優(yōu)化和JAVA編程，來設(shè)計不同的事件，三維效果顯示也相當(dāng)不錯9.2.4常用仿真軟件智能產(chǎn)線設(shè)計為了在當(dāng)前的市場中保持競爭力，生產(chǎn)線設(shè)計必須能夠?qū)蛻舨粩嘧兓男枨蠛蛣討B(tài)的商