智能工廠數(shù)字孿生與仿真規(guī)劃報告

智能工廠數(shù)字孿生與仿真規(guī)劃報告整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行2023年02數(shù)字孿生簡介目錄CONTENTS01未來工廠簡介04案例介紹03數(shù)字孿生應(yīng)用整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行

時間軸18世紀(jì)末20世紀(jì)初蒸汽機(jī)1970年代初當(dāng)前電力廣泛應(yīng)用自動化、信息化信息物聯(lián)系統(tǒng)工業(yè)1.0創(chuàng)造機(jī)器工廠的“蒸汽時代”工業(yè)2.0將人類帶入分工明確、大批量生產(chǎn)的流水線模式和“電氣時代”工業(yè)3.0應(yīng)用電子信息技術(shù)進(jìn)一步提高生產(chǎn)自動化水平工業(yè)4.0開始應(yīng)用信息物理融合系統(tǒng)(CPS)

復(fù)雜性未來工廠-背景新一輪技術(shù)與管理的迭代發(fā)展催生第四次工業(yè)革命體能智能整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行3未來工廠-背景效益國家效益：20年3萬億美元GDP增量。企業(yè)效益：效率↑20%，成本↓20%，節(jié)能減排↓10%。已印發(fā)互聯(lián)網(wǎng)+國家級智能制造試點(diǎn)示范項目每年推出30個項目。中國制造2025智能制造：是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。智能制造系統(tǒng)架構(gòu)從生命周期、系統(tǒng)層級和智能特征三個維度描述智能制造所涉及的活動、裝備、特征等內(nèi)容。制造是基礎(chǔ)智能是賦能未來工廠-背景《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2018年版）》整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行智能制造是制造業(yè)發(fā)展的主攻方向2012年，浙江在全國率先開展“機(jī)器換人”。2018年，浙江開始實(shí)施“機(jī)器換人”升級版――智能化改造提升行動。2020年7月浙江省發(fā)布浙江發(fā)布《“未來工廠”建設(shè)導(dǎo)則》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)未來工廠-背景整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行整理制作：郎豐利1519制作時間：2023年睿利而行未來工廠2020年8月，浙江省經(jīng)信廳印發(fā)《浙江省培育建設(shè)“未來工廠”試行方案》，并于12月底發(fā)布12家未來工廠名單。未來工廠“未來工廠”：廣泛應(yīng)用數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計、智能化生產(chǎn)、智慧化管理、協(xié)同化制造、綠色化制造、安全化管控和社會經(jīng)濟(jì)效益大幅提升的現(xiàn)代化工廠。未來工廠七大核心要素：02數(shù)字孿生簡介目錄CONTENTS01未來工廠04案例介紹03數(shù)字孿生應(yīng)用數(shù)字孿生簡介數(shù)字孿生簡單說就是在虛擬空間中完成物理對象、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的映射，以反映相對應(yīng)的實(shí)體的全生命周期過程，挖掘歷史規(guī)律，監(jiān)控實(shí)時狀態(tài)，預(yù)測未來趨勢。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于物理工廠中，將大幅推動產(chǎn)品在設(shè)計、生產(chǎn)、管理及維護(hù)等環(huán)節(jié)的變革。數(shù)字孿生是綜合運(yùn)用感知、計算、建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對物理空間進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測、決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬空間的交互映射。2016-2018年，Gartner連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢。2019年，Gartner認(rèn)為數(shù)字孿生處于期望膨脹期頂峰，將在未來5年將產(chǎn)生破壞性創(chuàng)新。數(shù)字孿生技術(shù)數(shù)字孿生簡介數(shù)字孿生正成為全球信息技術(shù)發(fā)展的新焦點(diǎn)數(shù)字孿生數(shù)字孿生+數(shù)字孿生++西門子公司DigitalTwin數(shù)字孿生DigitalTwinP/P/P數(shù)字孿生產(chǎn)品/生產(chǎn)/績效ComprehensiveDigitalTwin綜合數(shù)字孿生PTC公司DigitalTwin數(shù)字孿生DigitalTwin+KSystem數(shù)字孿生+知識體系DigitalTwin+AR數(shù)字孿生+增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)達(dá)索公司VirtualTwin虛擬孿生ProductlifecycleTwin產(chǎn)品全生命周期孿生3DEXPERIENCETwin3DEXPERIENCE孿生ESI公司Physical-BasedVirtualTwin基于物理的虛擬孿生Date-DrivedVirtualTwin數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬孿生HybridTwin混合孿生數(shù)字孿生簡介

數(shù)字孿生正成為跨國企業(yè)業(yè)務(wù)布局的新方向數(shù)字世界物理世界數(shù)字孿生空間傳感器、驅(qū)動器集成層網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議通信層數(shù)據(jù)、模型（數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)）信息層資產(chǎn)功能功能層組織和業(yè)務(wù)流程業(yè)務(wù)層資產(chǎn)層 物（設(shè)備/機(jī)器/產(chǎn)品等）德國工業(yè)4.0參考架構(gòu)應(yīng)用平臺數(shù)字孿生空間模型平臺數(shù)據(jù)平臺圖以數(shù)字孿生體框架為核心的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)Paas系統(tǒng)數(shù)字孿生正成為主要國家數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新抓手美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵。德國工業(yè)4.0參考架構(gòu)將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容。數(shù)字孿生簡介CAx軟件為數(shù)字孿生的出現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)1949年第一代CAM軟件APT問世；1969年NASA推出了第一代CAE軟件COSMIC

Nastran；1973年第一代CAPP系統(tǒng)AuToPros問世；1982年二維繪圖標(biāo)志性工具AutoCAD問世。……21世紀(jì)之前技術(shù)積累期2000-2015年概念提出期美國軍方機(jī)構(gòu)開始提出數(shù)字孿生的相關(guān)概念2003年密歇根大學(xué)Michael

Grieces教授首次提出數(shù)字孿生概念；2010年美國軍方提出數(shù)字線程；2011年洛克希德·馬丁提出數(shù)字織錦；2012年NASA發(fā)布了包含數(shù)字孿生的兩份技術(shù)路線圖?！?020-未來快速發(fā)展期數(shù)字孿生技術(shù)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)都有望迎來爆發(fā)期數(shù)字孿生將加速與AI等新興技術(shù)融合發(fā)展進(jìn)一步應(yīng)用。數(shù)字孿生廣泛應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等新型場景。……2015-2020年應(yīng)用萌芽期工業(yè)軟件巨頭紛紛布局?jǐn)?shù)字孿生業(yè)務(wù)西門子2017年正式發(fā)布了數(shù)字孿生體應(yīng)用模型；PTC2017年推出基于數(shù)字孿生技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案；達(dá)索、GE、ESI等企業(yè)開始宣傳和使用數(shù)字孿生技術(shù)?！瓟?shù)字孿生因建模仿真技術(shù)而起、因傳感技術(shù)而興，并將隨著新一代信息技術(shù)群體突破和融合發(fā)展而發(fā)展壯大。數(shù)字孿生歷程：歷經(jīng)技術(shù)積累、概念提出、應(yīng)用萌芽、快速發(fā)展四個階段數(shù)字孿生簡介工廠數(shù)字孿生-功能在工廠規(guī)劃/升級階段，開展車間規(guī)劃方案的仿真定量評估和分析，科學(xué)地指導(dǎo)車間系統(tǒng)設(shè)計調(diào)整；在生產(chǎn)執(zhí)行階段，建立實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真機(jī)制，實(shí)現(xiàn)同步仿真運(yùn)動和三維虛擬監(jiān)控。工廠數(shù)字孿生-功能工廠數(shù)字孿生平臺郎豐利整理制作基于離散事件理論的工廠仿真分析與優(yōu)化基于三維的工廠建模與仿真?zhèn)戎赜诋a(chǎn)線性能量化分析與優(yōu)化側(cè)重于三維建模、物流與虛實(shí)映射1、產(chǎn)線建模2、布局規(guī)劃3、節(jié)拍分析4、物流設(shè)計5、虛實(shí)映射工廠規(guī)劃與工藝驗證產(chǎn)能評估分析生產(chǎn)設(shè)施布局瓶頸定位分析生產(chǎn)物流資源配置設(shè)計優(yōu)化倉庫暫存設(shè)計物流系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬管控生產(chǎn)可執(zhí)行性驗證與優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控生產(chǎn)執(zhí)行過程監(jiān)控生產(chǎn)異常預(yù)警特殊設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維生產(chǎn)過程實(shí)時顯示教學(xué)培訓(xùn)物流瓶頸仿真分析生產(chǎn)節(jié)拍仿真分析生產(chǎn)資源仿真分析物流路徑仿真分析APS計劃集成仿真生產(chǎn)策略分析工廠數(shù)字孿生-功能數(shù)字孿生工廠開發(fā)一般流程數(shù)字孿生萬物互聯(lián)數(shù)字孿生工廠預(yù)期效果02數(shù)字孿生簡介目錄CONTENTS01未來工廠04案例介紹03數(shù)字孿生應(yīng)用1.虛擬產(chǎn)品（裝備）仿真裝備的操作使用和維修采用實(shí)裝的訓(xùn)練方式普遍存在成本高、難度大、風(fēng)險高、周期長的缺點(diǎn)，利用虛擬裝備技術(shù)將訓(xùn)練的部分內(nèi)容移植到虛擬裝備上，能減少實(shí)裝損耗、縮短培訓(xùn)周期、提高培訓(xùn)質(zhì)量、降低培訓(xùn)成本、提升培訓(xùn)效率、強(qiáng)化培訓(xùn)深度、降低安全風(fēng)險。對物理車間進(jìn)行三維建模，包括產(chǎn)線、立庫、物流、電子看板、操作人員、中央控制室等，定義設(shè)備仿真交互屬性，采用輕量化技術(shù)保證大規(guī)模場景的流暢顯示，從而建立一個與實(shí)際環(huán)境1:1的虛擬工廠環(huán)境。在三維虛擬工廠環(huán)境中，動畫模擬產(chǎn)品從訂單接收到產(chǎn)品交付的全套生產(chǎn)流程，并支持：關(guān)鍵工序的細(xì)節(jié)展示、干涉檢驗人機(jī)交互和虛擬現(xiàn)實(shí)漫游全方位展現(xiàn)數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用效果2.三維虛擬工廠規(guī)劃基于產(chǎn)線工藝設(shè)備布局、節(jié)拍、故障等數(shù)據(jù)，構(gòu)建產(chǎn)線仿真模型，模擬生產(chǎn)與物流過程，計算分析仿真數(shù)據(jù)，獲得反映車間系統(tǒng)效能指標(biāo)，定位改善生產(chǎn)瓶頸，從而科學(xué)定量分析車間規(guī)劃方案，并基于仿真試驗和優(yōu)化算法尋找更優(yōu)的資源配置和生產(chǎn)策略等方案。產(chǎn)能仿真評估與分析瓶頸識別與改善生產(chǎn)線平衡分析關(guān)鍵資源利用率分析產(chǎn)線策略對比分析工位暫存區(qū)容量分析3.產(chǎn)線設(shè)計仿真優(yōu)化在物流系統(tǒng)規(guī)劃或調(diào)整升級階段，通過物流仿真設(shè)計，一方面，直觀呈現(xiàn)未來系統(tǒng)建設(shè)方案和效果，便于方案溝通與評審，統(tǒng)一企業(yè)思想；另一方面，綜合考慮實(shí)際復(fù)雜因素，實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)能力、資源配置、系統(tǒng)參數(shù)的定量評估和仿真優(yōu)化；最終實(shí)現(xiàn)基于經(jīng)驗的規(guī)劃向基于仿真的設(shè)計的轉(zhuǎn)變，大大縮短物流系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)周期。倉庫暫存規(guī)劃配送物流設(shè)計線邊的暫存區(qū)應(yīng)該設(shè)置多大？需要擴(kuò)建多大面積的倉庫？倉庫儲存能力和備貨能力？倉庫位置以及倉儲內(nèi)物料布局？堆垛機(jī)效率？托盤等容器數(shù)量配置？復(fù)雜業(yè)務(wù)流程的梳理？合理的物流設(shè)施配置和布局物流路徑路徑規(guī)劃，發(fā)生擁塞、干涉、交叉頻率？引進(jìn)何種、多大性能設(shè)備？物流系統(tǒng)能力評估優(yōu)化4.物流設(shè)計仿真優(yōu)化5.生產(chǎn)計劃可行性評估有了虛擬工廠模型，就可提前對生產(chǎn)訂單進(jìn)行仿真，基于實(shí)時數(shù)據(jù)還原車間實(shí)時狀態(tài)，基于歷史數(shù)據(jù)提取車間關(guān)鍵特征值和運(yùn)行規(guī)律，預(yù)演未來可能發(fā)生的情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)訂單和計劃的可行性評估等決策支持。產(chǎn)線設(shè)備基于三維虛擬模型，通過與MES、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)集成，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真機(jī)制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維虛擬可視化監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)虛擬工廠與物理工廠融合，即通過在三維虛擬工廠漫游，查看生產(chǎn)計劃執(zhí)行狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、質(zhì)量狀態(tài)、工藝參數(shù)、生產(chǎn)歷史、生產(chǎn)績效等生產(chǎn)實(shí)況和生產(chǎn)實(shí)績。6.在線虛擬監(jiān)控7.實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生車間現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)三維虛擬仿真指令下發(fā)：生產(chǎn)與物料指令、工藝數(shù)據(jù)、質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)等下發(fā)至設(shè)備實(shí)時上傳：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、RFID料盤、AGV、RGV等各種設(shè)備數(shù)據(jù)，物料數(shù)據(jù)及生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)。虛實(shí)融合02數(shù)字孿生簡介目錄CONTENTS01未來工廠04案例介紹03數(shù)字孿生應(yīng)用面向某高端廚電公司電器3廠側(cè)吸式油煙機(jī)全工藝制造過程，構(gòu)建數(shù)字虛擬工廠。1.某高端廚電數(shù)字孿生工廠34基于產(chǎn)線工藝設(shè)備布局、節(jié)拍、故障等數(shù)據(jù)，構(gòu)建產(chǎn)線仿真模型，模擬生產(chǎn)與物流過程，計算分析仿真數(shù)據(jù)，獲得反映車間系統(tǒng)效能指標(biāo)，定位改善生產(chǎn)瓶頸，從而科學(xué)定量分析車間規(guī)劃方案，并基于仿真試和優(yōu)化算法尋找更優(yōu)的資源配置和生產(chǎn)策略等方案。產(chǎn)能仿真評估與分析瓶頸識別與改善生產(chǎn)線平衡分析關(guān)鍵資源利用率分析產(chǎn)線策略對比分析工位暫存區(qū)容量分析產(chǎn)線設(shè)計仿真優(yōu)化基于工廠物流布局、資源、節(jié)拍、故障數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化仿真數(shù)據(jù)，導(dǎo)入生產(chǎn)與物流仿真模型進(jìn)行分析。物流設(shè)計仿真分析基于虛擬工廠的實(shí)時決策管控基于工廠計劃、執(zhí)行、物料、質(zhì)量、資源等環(huán)節(jié)的多維度數(shù)據(jù)，融合仿真預(yù)測和大數(shù)據(jù)分析，支持企業(yè)決策精準(zhǔn)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)質(zhì)量檢測波動虛擬工廠漫游三維虛擬監(jiān)控和異常定位簡介國家智能制造項目，客戶將建設(shè)一個便攜式電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模組精密加工數(shù)字化智能車間在車間規(guī)劃期對設(shè)計方案無法量化評估，期望通過構(gòu)建車間生產(chǎn)線、立體倉庫、AGV物流系統(tǒng)仿真模型，評估分析方案能否滿足預(yù)期需求，并進(jìn)行方案仿真優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)對車間生產(chǎn)與物流過程進(jìn)行仿真模擬，可視化車間設(shè)計方案，統(tǒng)一思想，指導(dǎo)車間建設(shè)評估不同資源數(shù)量、布局、生產(chǎn)策略下產(chǎn)線、物流、立庫的能力，給出較佳方案對車間方案進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到每天38400件加工產(chǎn)品的生產(chǎn)目標(biāo)，獲得精益車間規(guī)劃方案2.某公司精密加工數(shù)字孿生車間項目19條CNC機(jī)加工線，1座數(shù)字化立體倉庫，189臺機(jī)床，97臺機(jī)器人，7臺AGV，單臺機(jī)器人最多負(fù)責(zé)機(jī)床數(shù)4臺生產(chǎn)線仿真驗證與優(yōu)化改善前改善后托盤數(shù)量推薦產(chǎn)線能力優(yōu)化最佳托盤數(shù)量為19個線上托盤數(shù)超過24個會發(fā)生阻塞二線組合模式2、6產(chǎn)能6.66%提升二線組合模式2、3產(chǎn)能6.43%提升排除三線、四線、五線組合方式A

、B

產(chǎn)線平均利用率為62.27%

、88.39%，在生產(chǎn)計劃時優(yōu)先考慮A件盡量安排A件在A1、A3線上加工，產(chǎn)線平衡率能達(dá)到71.7%生產(chǎn)線模型產(chǎn)線布局優(yōu)化產(chǎn)線能力分析立體倉庫驗證與優(yōu)化立體倉庫庫位及堆垛機(jī)使用情況仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計備貨效率驗證一樓堆垛機(jī)利用率為76%，二樓堆垛機(jī)利用率達(dá)到91%，兩者能力均滿足現(xiàn)有規(guī)劃車間的出入庫需求，二樓的原料入庫和成品出庫時應(yīng)就堆垛機(jī)空閑時適時進(jìn)行一樓庫位平均利用率為74.81%，二樓庫位平均利用率為78.37%，能夠滿足車間生產(chǎn)需求，并能應(yīng)對外界環(huán)境原材料到達(dá)和成品運(yùn)走的波動干擾。立體倉庫子模型庫位利用定量評估物流配送能力驗證與優(yōu)化AGV平均利用情況以及各道路通過頻次統(tǒng)計使用頻率最高的道路是AGV運(yùn)輸?shù)谋亟?jīng)之路或者靠近十字路口的道路，某些道路的利用頻次要低一些，有一條道路從未有AGV經(jīng)過，可以取消。AGV物流子模型一、二樓AGV推薦數(shù)量分別為3、4臺，仿真獲得一樓AGV平均利用率為69.6%，二樓平均利用率為76.9%，能夠滿足車間所有