第6章——智能工廠設計與仿真學習目標能簡要概括智能工廠的基本特征及其概念演變歷程能清晰描述智能工廠設計、建模及仿真的基本方法與流程能結合實際案例運用仿真軟件進行智能工廠建模與仿真案例導入——哈空列結構件智能車間智能車間整體布局案例對象：哈爾濱空列軌道交通集團，以研制生產懸掛式單軌列車為主營業務實現鋼板預處理、切割分揀、坡口、焊接和涂裝的自動化生產采用了工藝仿真技術手段，對車間進行工藝物流仿真，驗證并優化規劃設計方案，用于指導項目的建設案例導入——哈空列結構件智能車間焊接工序利用率仿真分析獲取最佳工作時長設備數量案例導入——哈空列結構件智能車間涂裝工序利用率分析優化工件輸送裝置的數量物流轉運設備（行車、軌道車）搬運能力分析切割坡口自動分揀線的節拍分析驗證物流設備搬運能力，調整吊車操作人員數量合理設置切割機數量，降低設備投資第6章——智能工廠設計與仿真智能工廠設計與仿真6.1智能工廠定義及特征6.2智能工廠設計6.3智能工廠建模與仿真

6.4智能工廠建設實例6.1智能工廠定義及特征智能工廠概念演變美國IBM于2009年首次提出“智慧工廠”美國Rockwell于2009年提出“智能工廠”2013年，德國在漢諾威工業博覽會上提出“工業4.0”概念中國專家學者提出了以“人-信息物理系統”為核心的新一代智能制造系統德國工業4.0給出的智能工廠架構6.1智能工廠定義及特征智能工廠概念演變《基于云制造的智能工廠架構要求》（GB/T39474）

智能工廠的定義是：通過將人工智能技術應用于產品設計、工藝、生產等過程，使得制造工廠在其關鍵環節或過程中人、機、物、環境、信息等能夠體現出感知、互聯、協同、學習、分析、認知、決策、控制與執行能力，動態地適應制造環境的變化，從而實現提質增效、節能降本的目標。6.1智能工廠定義及特征智能工廠概念演變《智能工廠安全控制要求》（GB/T38129）

智能工廠的定義是：智能工廠是在數字化工廠基礎上，利用物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術加強信息管理和服務，同時集智能手段和智能系統等新興技術于一體，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，以及合理計劃排程，構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。6.1智能工廠定義及特征智能工廠基礎要素智能工廠基礎要素網絡安全人員流程技術數據實現智能工廠的必要手段智能工廠的最基礎元素智能工廠有效運作的依賴自優化、自適應以及生產過程柔性工廠運營的關鍵6.1智能工廠定義及特征智能工廠基本特征生產組織精益化智能精益生產系統示意

生產組織精益化是實施智能工廠的基礎，為智能工廠提供成熟的管理思想、體系與方法工具，強調全過程持續改善，通過采用自動化和準時化等方法，消除各種形式的浪費，不斷提升價值流動效率。6.1智能工廠定義及特征智能工廠基本特征物流供應自動化車間物流執行層面工廠物流運行方面工廠供應鏈管理方面自動化倉儲系統智能配送系統智能物流平臺互聯網技術物聯網技術大數據和人工智能技術數字化平臺手段6.1智能工廠定義及特征智能工廠基本特征物流供應自動化智能工廠物流供應自動化示意6.1智能工廠定義及特征智能工廠基本特征制造過程智能化——核心環節智能工廠制造過程智能化示意6.1智能工廠定義及特征智能工廠基本特征工廠設施綠色化

是智能工廠實現低碳運行和可持續發展的保障，要求在全壽命期內，最大限度節約資源（節地、節能、節水、節材）、減少污染和排放、保護室內外環境，提供適用、健康、安全、高效使用空間的工廠設施系統。運行管理智慧化

以打通企業生產經營全部流程為著眼點，實現從產品設計到銷售，從設備控制到企業資源管理所有環節的信息快速交換、傳遞、存儲、處理和無縫智能化集成。第6章——智能工廠設計與仿真智能工廠設計與仿真6.1智能工廠定義及特征6.2智能工廠設計6.3智能工廠建模與仿真

6.4智能工廠建設實例6.2智能工廠設計智能工廠設計面臨的挑戰打破傳統工廠分段式建設模式適應小批量定制化生產需求的“柔性”重構改變傳統“經驗設計”模式，走向智能化傳統的以經驗為主的設計模式基于建模和仿真的設計模式6.2智能工廠設計智能工廠整體架構國內基于CPS理念提出的智能工廠整體架構6.2智能工廠設計智能工廠整體架構美國國家標準與技術研究院結合基于模型的系統工程并采用IDEF方法，給出了智能工廠建設的迭代模型6.2智能工廠設計智能工廠整體架構智能工廠整體建設實施路徑6.2智能工廠設計實體工廠工藝設計工藝設計內容（1）確定車間的生產綱領，說明產品的規格與產量，確定原材料、燃料、水、電、勞動力等供應條件；（2）擬定車間的生產工藝過程，說明生產工藝流程、主要生產設備和輔助設備的規格及數量，確定車間的面積、設備的平面布置和剖面高度，明確動力、蒸氣、壓縮空氣、電力等需要量和采取的供應方法，擬定安全技術與勞動保護措施；6.2智能工廠設計實體工廠工藝設計工藝設計內容（3）計算工廠原材料和半成品的需求量，以及運輸、通訊、照明、取暖、給排水等需求量，確定必要的工時與勞動力消耗量，計算固定資產、流動資金、產品成本和投資效益；（4）確定全廠生產經營管理體系，明確各車間的生產任務和相互之間的協作聯系，編制生產經營計劃、產品質量檢驗、產品供銷定貨等相關制度，擬定勞動和生產組織及工作制度等。6.2智能工廠設計實體工廠工藝設計工藝設計流程6.2智能工廠設計實體工廠工藝設計價值流分析(VSM)

價值流分析是一種利用繪制企業生產全過程價值流程圖（ValueStreamMapping，VSM），對企業生產全過程中的物料流動情況和信息流動情況進行全面分析，以識別判定物料流動和信息流動過程中存在哪些增值活動與非增值活動的方法。

通過價值流分析把企業的生產理順，需要知道產品的需求節拍和各個工序的生產周期，通過節拍和生產周期的比較分析，可以明確需要改進的環節，從而采取針對性的措施進行調整。6.2智能工廠設計實體工廠工藝設計價值流分析(VSM)某智能工廠設計時的未來價值流圖分析示例6.2智能工廠設計虛擬工廠設計

虛擬工廠是對所有目前和將來生產系統中的產品、過程以及控制進行建模，實現現實生產系統的驗證。

虛擬工廠設計是一個動態更新的過程，能夠把“現實制造”和“虛擬呈現”融合在一起。虛擬工廠類型以控制為中心以生產為中心以設計為中心6.2智能工廠設計虛擬工廠設計虛擬工廠架構虛擬工廠構建過程6.2智能工廠設計虛擬工廠設計虛擬工廠架構虛擬工廠參考架構互聯互通層：實現物理世界與虛擬世界之間的實時信息交互，形成動態更新機制，以保證建立的虛擬工廠滿足使用需求。模型層：為根據物理工廠實際情況建立的虛擬工廠信息模型。應用層：通過信息模型的各種組合，應用層提供不同的虛擬工廠業務功能。6.2智能工廠設計虛擬工廠設計虛擬工廠設計內容虛擬工廠設計主要方面基于信息模型的運行仿真和優化信息模型之間的信息互聯信息模型的設計設計能保證虛擬工廠有效運行的信息模型并管理信息模型的有考慮模型之間的集成，便于信息共享基于互聯的信息模型進行系統仿真分析和評價優化6.2智能工廠設計虛擬工廠設計虛擬工廠設計內容虛擬工廠設計具體內容6.2智能工廠設計虛擬工廠設計虛擬工廠設計流程第6章——智能工廠設計與仿真智能工廠設計與仿真6.1智能工廠定義及特征6.2智能工廠設計6.3智能工廠建模與仿真

6.4智能工廠建設實例6.3智能工廠建模與仿真工廠建模與仿真概念：基于初步的工廠設計方案基礎上，通過計算機軟件工具進行三維建模，搭建出數字化工廠模型，并通過仿真運行實現在生產線物理實體實際建造之前進行生產模擬的過程。目的：預先評估生產系統的生產能力，驗證工藝路線的合理性，確保設備布局和設備使用的合理性，優化智能工廠設計中的資源配置問題和物流的管理問題，分析生產能力和設備的使用率，確定生產瓶頸并進行改善，為生產系統的正常運行做好準備。6.3智能工廠建模與仿真工廠建模與仿真步驟Step1：生產工藝規劃設計

生產工藝是指其在產品制造過程中，以文件形式對產品制造工藝過程、工藝參數、工藝配方、操作方法等內容的記錄。

生產工藝規劃設計則是通過確定生產流程、生產系統構成，對整個生產系統進行合理規劃，包括生產系統的布局，生產設備的選擇和數量，輔助設備的選擇等。6.3智能工廠建模與仿真工廠建模與仿真步驟Step2：借助計算機軟件工具進行生產線建模

生產線建模與仿真分析的關鍵就是生產線的建模是否正確、合理。仿真模型從本質上反映了實際生產系統的生產能力及各個實體協同運行的合理性。生產線建模幾何建模邏輯建模對生產線上所有設備進行三維建模通過邏輯控制實現對生產系統的控制6.3智能工廠建模與仿真工廠建模與仿真步驟Step3：仿真優化

通過建立生產線模型，能夠精確真實模擬生產線的空間布置、運行情況，驗證生產線產能、節拍、存儲等規劃設計要素的合理性，發現系統運行的瓶頸和對方案進行優化，使生產線布局更合理有效。

仿真優化是指對生產線進行建模并完成生產線的仿真，基于所得到的仿真結果進行分析，找出生產線的生產瓶頸，如設備的利用率、生產線在制品數量、某工位的工序能力。6.3智能工廠建模與仿真工廠建模與仿真的主要內容工廠布局與設備建模仿真工廠布局基本原則整體綜合原則移動距離最小原則流動性原則空間利用原則柔性原則安全原則通過仿真運行來評估工廠布局和設備配置的效果，并根據仿真結果進行優化調整6.3智能工廠建模與仿真工廠建模與仿真的主要內容生產流程與工藝建模仿真生產流程建模將生產過程中的各個活動、決策、依賴關系、控制流和信息流等要素以邏輯語言的方式進行表述，通過使用圖形符號、圖表、符號化語言或其他程序語言來完成。工藝建模側重于對生產過程中具體工藝步驟進行描述，涉及加工、裝配、熱處理等過程，確保生產過程的準確性和連續性6.3智能工廠建模與仿真工廠建模與仿真的主要內容倉儲物流系統建模與仿真模擬實際倉儲物流系統的運行狀況，包括貨物的入庫、存儲、揀選、出庫等環節，以及設備的運行、人員的作業等過程。收集和分析各種數據，如作業時間、設備利用率、庫存周轉率等，以評估系統的性能和效率。6.3智能工廠建模與仿真工廠建模與仿真的主要內容對車間內溫度、濕度、氣流速度以及空氣潔凈度的精確控制6.3智能工廠建模與仿真仿真實驗設計一般流程仿真實驗目標設定實驗場景與參數設置仿真運行與參數采集實驗結果分析與優化（1）定義研究問題（2）設定具體目標（3）考慮約束條件（4）明確優先級（5）評估和調整6.3智能工廠建模與仿真仿真實驗設計一般流程仿真實驗目標設定實驗場景與參數設置仿真運行與參數采集實驗結果分析與優化（1）參數設置（2）參數初始化（3）參數調整（4）參數敏感性分析6.3智能工廠建模與仿真仿真實驗設計一般流程仿真實驗目標設定實驗場景與參數設置仿真運行與參數采集實驗結果分析與優化（1）加載模型與參數（2）設置運行條件（3）啟動仿真（4）監控與記錄（5）確定采集數據（6）配置數據采集系統（7）實時采集數據（8）數據處理與保存6.3智能工廠建模與仿真仿真實驗設計一般流程仿真實驗目標設定實驗場景與參數設置仿真運行與參數采集實驗結果分析與優化（1）數據整理與清洗（2）數據可視化（3）性能評估（4）因素分析（5）參數調整（6）方案優化（7）模型改進（8）多方案對比（9）實施優化方案（10）效果驗證（11）迭代優化6.3智能工廠建模與仿真常用的工廠建模與仿真軟件第6章——智能工廠設計與仿真智能工廠設計與仿真6.1智能工廠定義及特征6.2智能工廠設計6.3智能工廠建模與仿真

6.4智能工廠建設實例6.4智能工廠建設實例某公司飛輪儲能裝置智能工廠建設項目項目概況產品：“100KW飛輪儲能裝置”要求：建設一個滿足產品制造工藝、生產產能需求、質量目標、數字化管理等要求的并可直接投產的智能工廠目標：實現年產2000套飛輪儲能裝置（產品規格以200KW為基準，向下覆蓋50KW、100KW飛輪裝置）的部裝、總裝和試驗任務6.4智能工廠建設實例某公司飛輪儲能裝置智能工廠建設項目工藝流程6.4智能工廠建設實例某公司飛輪儲能裝置智能工廠建設項目設計方案——基于精益的工藝設計平面工藝設計布局智能工廠未來狀態價值流分析推演二維設計和三維設計相結合6.4智能工廠建設實例某公司飛輪儲能裝置智能工廠建設項目設計方案——智能物流倉儲設計物流配送方案智能物流系統流程6.4智能工廠建設實例某公司飛輪儲能裝置智能工廠建設項目設計方案——智能生產單元設計實現自動上下料、單元之間的物流運轉通過AGV調度系統、MES系統進行銜接飛輪本體裝配線整體三維布局6.4智能工廠建設實例某公司飛輪儲能裝置智能工廠建設項目設計方案——工藝物流仿真分析工具：PlantSimulation進行工藝物流仿真、ProcessDesigner和ProcessSimulate進行單工位仿真分析主要內容：1）智能車間方案初步確定，繪制車間物料流線圖；2）智能車間工藝物流仿真模型創建，數據驅動模型運轉，測試不同規劃方案；3）產能、物流方案驗證和優化；5）工藝布局、人員布置方案、單工位設計方案驗證和優化。6.4智能工廠建設實例某公司飛輪儲能裝置智能工廠建設項目設計方案——工藝物流仿真分析車間整體仿真邏輯模型車間整體仿真