智能制造数字工厂的规划设计Word文档格式.docx
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信息物理系统CPS定义：
通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。
信息物理系统CPS的本质：
就是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。
CPS的四大核心技术要素：
“一硬、一软、一网、一平台”
感知和自动控制（硬）：
智能感知技术、虚实融合控制技术；
工业软件（软）：
嵌入式软件技术、MBD技术、CAX/MES/ERP软件技术；
工业网络（网）：
现场总线技术、工业以太网技术、无线技术、SDN；
工业云和智能服务平台（平台）：
边缘计算、雾计算、大数据分析。
CPS的层次：
单元级、系统级、SoS级（SystemofSystems，系统之系统级）
单元级CPS：
单元级CPS能够通过物理硬件、自身嵌入式软件系统及通信模块，构成含有“感知-分析-决策-执行”数据自动流动基本的闭环，实现在设备工作能力范围内的资源优化配置，如智能轴承、关节机器人等。
系统级CPS：
由多个最小单元CPS（单元级）通过工业网络实现更大范围、更宽领域的数据自动流动，实现了多个单元级CPS的互联、互通和互操作。
如智能生产线、智能车间、智能工厂。
SoS级CPS：
通过大数据平台，实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操作，促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动，在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。
1.2 智能工厂
1.3 数字工厂
数字工厂：
是以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生产周期的新型生产组织方式。
数字工厂主要解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”，实现产品生命周期中的设计、制造、装配、物流等各方面的功能，降低设计到生产制造之间的不确定性，在虚拟环境下将生产制造过程压缩和提前，并得以评估和检验，从而缩短产品设计到生产转化的时间，并且提高产品的可靠性与成功率，是智能工厂的基础。
数字工厂是现代制造技术与计算仿真技术相结合的产物，其本质是实现信息的集成。
智能工厂：
智能工厂是在工厂数字化的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术，加强信息管理和服务；
清楚掌握产销流程，提高生产过程的可控性，减少生产线上的人工干预，及时正确地采集生产线数据，以及合理的生产计划编排与生产进度；
集绿色智能的手段和智能系统等新兴技术于一体，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂，是工业4.0的具体体现。
数字孪生（DigitalTwin）：
是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
在产品的设计阶段，利用数字孪生可以提高设计的准确性，并验证产品在真实环境中的性能；
在产品的制造阶段，利用数字孪生可以加快产品导入的时间，提高产品设计的质量、降低产品的生产成本和提高产品的交付速度。
在产品服务阶段，对产品的状态进行实时跟踪和监控，并根据产品实际状态、实时数据、使用和维护记录数据对产品的健康状况、寿命、功能和性能进行预测与分析，并对产品质量问题进行提前预警、定位、零部件更换、产品维护、产品升级甚至是报废、退役等。
1.4 数字工厂集成架构
数字工厂智能构件集成架构
数字工厂智能构件数据集成说明
序号
接口方向
说明
1
PIM→智能厂房
数字化工厂设计可以迅速简便地建立、分析和展示可视化的工厂模型，可指导智能厂房的建设。
包括下述信息：
工厂厂房设计模型；
工厂产线设备布局模型等
2
PIM→PLM/CAX
PIM的虚拟制造技术可以通过计算机仿真工厂的制造过程，在设计阶段发现问题、优化工艺方案及建设方案。
接口信息包括制造工艺的仿真及优化结果等
3
PIM→MOM
PIM的生产仿真、物流仿真数据可发送至MOM系统，指导实际作业生产。
接口信息包括：
工厂模型；
加工车间的生产仿真分析结果；
加工车间的物流仿真分析结果等
4
MOM→PIM
MOM系统产生的生产信息、物流信息等可反馈至PIM系统，供PIM系统进行仿真优化。
实际生产信息；
实际物流信息
5
PLM/CAX→MOM
数字化产品设计系统需将产品信息向MOM系统进行同步，接口信息包括：
产品设计信息；
产品工艺信息；
BOM信息等
6
MOM→智能装备
MOM系统通过设备接口下发生产指令、加工参数等生产控制信息。
生产指令
7
智能装备→MOM
智能装备可实时向MOM系统反馈运行信息，供MOM系统进行数据采集及生产分析。
状态信息；
报警信息等
8
ERP→MOM
ERP管理系统将生产相关的资源信息发送至MOM系统，指导MOM进行生产安排。
ERP主数据；
生产计划/生产订单信息；
生产计划更改、撤销等变更数据；
原材料、半成品、成品库存信息等
9
MOM→ERP
MOM系统向ERP管理系统反馈生产信息。
生产计划执行进度信息；
生产计划状态；
生产资源使用信息；
生产报工信息等
10
智能产品→智能运维服务
智能运维服务系统基于云平台构建，智能产品将产品实际运行信息通过产品中安装的传感器进行采集并上传至云端，系统通过对云端数据进行分析实现远程诊断，依据诊断结果提供运维服务。
11
智能运维服务→智能产品
智能运维系统通过对云端数据进行分析实现远程诊断，依据诊断结果判断是否需要进行运维，并及时发布。
产品运维计划；
产品运维提醒等
12
MOM→智能运维服务
智能运维服务系统接收到智能产品发送的实时运行信息后，查看智能产品的制造档案，通过生产追溯实现运维规划。
智能运维服务系统从MOM系统接收到的传输的接口信息包括：
产品制造档案信息
13
智能运维服务→MOM
MOM系统可以对智能运维系统反馈的产品故障信息与生产档案信息进行比对，分析可能存在的缺陷，改进生产过程。
智能运维服务系统的接口信息包括：
智能产品的故障信息；
智能产品的维修信息
2.1 数字化产品设计平台
数字化产品设计系统是通过三维CAD设计、PDM/PLM系统进行产品数据管理、CAE技术进行产品创新设计以及仿真验证等，将CAD、CAE、CAPP、CAM、PLM系统集成应用，构建产品数字化设计平台，保证产品开发周期过程中产品数据的统一性、一致性。
建立数字化产品设计平台可消除数字化产品设计信息孤岛，打通数字化产品设计的数字化信息流，实现企业提高研发创新能力，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，提升了产品研发核心竞争力的目的。
数字化产品设计系统架构
数字化产品设计平台的建设思路
（1）实现基于模型定义（MBD）的产品设计，基于MBD的工艺设计、工艺仿真。
MBD（ModelBasedDefinition）是指将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的数字化定义方法。
（2）建立产品设计知识库、模型库、专家系统，包括产品设计标准、规范、模型、标准零部件库、外购件配套件库、研究报告、设计计算书等。
（3）实现基于模型的工艺设计，建立工艺衍生模型，形成用于制造的工艺设计文件、零部件加工和装配等生产活动的模型。
（4）建立工艺知识库和专家系统，建立典型零件工艺路线库、工艺参数库、切削数据库、各设备资源库等工艺知识库，应用知识推理技术、实现工艺路线、工艺卡片、工艺文件、数控程序的自动或半自动生成。
（5）根据业务需求，适时开展协同设计，在协同平台和一系列设计标准的支持下，实现跨地域、跨组织的协同设计。
允许供应商、客户参与设计，更好地满足客户对产品的需求和供应商对客户需求的快速响应。
（6）开展产品设计创新活动，企业建立双创平台调动企业全体员工和社会资源积极参与新产品、新工艺、新技术研发和创新。
（7）推行产品设计管理流程，将产品开发作为一项投资进行管理，产品开发一定要基于市场需求的创新，实施并行设计，实现跨部门的协同，结构化的开发流程，充分注重零件的可重用性。
2.2 PLM/PDM
PDM（ProductDateManagement）产品数据管理：
是一门用来管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关过程的技术。
PLM（ProductLife-CycleManagement）产品全生命周期管理：
是PDM的升级版本，功能范围更广。
PLM指从人们对产品的需求开始，到产品淘汰报废的全部生命周期的管理，包括从产品战略、产品市场、产品需求、产品规划、产品研发、产品生产、产品上市、产品服务到报废整个生命周期的管理。
SysLM系统生命周期管理：
它是在产品生命周期管理的基础上进行拓展，负责产品与系统模式、工程流程，尤其是沿着供应链方向的数据交换，授权、更改管理以及配置管理。
PLM的主要内容：
（1）产品发展战略：
在对客户需求，市场、竞争对手、技术发展进行调研的基础上制定产品发展战略和产品发展规划。
（2）文档管理：
提供产品设计、模拟仿真、实验验证、工艺设计、数控编程所产生的图档、文档、实体模型安全存取、版本发布、自动迁移、归档、签审、浏览、圈阅和标注，以及全文检索、打印、网络发布等一套完整的文档管理方案，共提供多媒介的外部支持。
（3）PLM有完整的集成性：
它构建了一个灵活性比较高的集成平台，PLM将CAD、CAE、CAPP、CAM、产品设计是知识库和专家系统、工艺设计知识库和专家系统、工艺设计知识库和专家系统全面集成，实现数据共享。
同时PLM系统也是设计系统与ERP、MES的集成平台。
（4）知识库和专家系统：
如产品设计、分析计划、工艺设计都需要相应的知识库和专家系统。
这些系统受PLM的管理，并实现与对应的设计系统集成。
（5）产品结构管理：
PLM系统一般采用视图控制法来对某个产品结构的各种不同划分方法进行管理和描述，如工程应用BOM（EBOM）、制造BOM（MBOM）、质量BOM（QBOM）、成本BOM（CBOM）等。
BOM（BillofMaterial）是指构成一个物料项的所有子物料项的列表。
（6）变更管理；
任何设计变更都将被记录，数据的修订过程可以被跟踪和管理，它建立在PLM核心功能之上，提供一个打包的方案来管理变更请求、变更通知、变更策略，以及变更的执行和跟踪等一整套方案。
（7）配置管理：
建立在产品结构管理功能之上，根据客户需求，在一系列配置规则、配置参数的引导下，进行产品配置。
它使产品配置信息可以被创建、记录和修改，允许产品按照特殊要求被建造。
（8）工作流和过程管理：
PLM系统的工作流与过程管理提供一个控制并行工作流程的计算机环境。
利用PLM图示化的工作流编辑器，可以在PLM系统中，建立符合各企业习惯的并行的工作流程。
（9）项目管理：
管理项目计划、执行情况和控制等活动，以及这些活动的相关资源管理，并将它们与产品数据和流程关联在一起，最终达到项目的进度、成本和质量的管理。
（10）协同设计：
实现了基于互联网的软件和服务，能让产品价值链上的每个环节的每个相关人员不论在任何时候，认可地点都能够协同第对产品进行开发、制造和管理。
PLM系统：
极大地提高了产品全生命周期数据管理的标准化、及时性、准确性、数据的共享性、系统间的集成性，PLM为企业创造了巨大的价值，实现了知识共享、提高了零部件的可重用性、高度集成性。
2.3 CAD/CAE/CAM
计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）：
使用信息处理系统完成诸如设计或改进零、部件或产品的功能，包括绘图和标注的所有活动。
CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。
CAD的功能可归纳为四大类：
数字建模、工程分析、动态模拟和自动绘图。
一个完整的CAD系统，应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成，重点侧重产品设计。
计算机辅助工程CAE（ComputerAidedEngineering）：
是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。
CAE现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。
CAE的功能：
（1）应用数据模型，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性和设计指标的准确性。
（2）采用各种优化技术，在可行域中找出产品设计最佳方案。
（3）CAE所创建的虚拟样机，能预测产品在整个使用周期内的可靠性，甚至产品与产品、产品与环境等之间的相容性。
（4）模拟各种试验方案，减少过去所需要的实验次数和时间，缩短设计周期，降低开发成本。
（5）在产品制造或工程施工前与实现发现潜在的问题。
（6）进行工程或设备事故分析，查找事故原因。
（7）知识的获取是现场设计的关键，只有CAE才能真正提高设计者的知识技能。
计算机辅助制造CAM（computerAidedManufacturing）：
是利用计算机将产品的设计信息自动转换成制造信息，以控制产品的加工、装配、检验、试验和包装等全过程，并对与这些过程有关的全部物流系统进行控制。
如机床加工：
它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是机械刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序，CAM重点侧重制造过程。
2.4 CAPP
计算机辅助工艺过程设计CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）：
是指借助于计算机软硬件技术和工艺知识库、工艺设计专家系统，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件加工的总工艺过程、零件加工工艺路线和工艺卡的制作。
工艺过程设计方式：
1.检索式工艺过程设计系统是针对标准工艺的，将设计好的零件标准工艺进行编号，储存在计算机中，当制定某零件的工艺过程时，可根据输入的零件信息进行搜索，查找合适的标准工艺。
2.派生式工艺过程设计就是利用零件的相似性原理，认为特征相似的零件具有相似的工艺过程。
最典型的零件特征相似性表达是零件的成组工艺编码。
通过检索相似典型零件的工艺过程，加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。
数字化产品设计与外部系统的集成
3.1 数字化工厂设计内容
数字化工厂设计是指在计算机虚拟环境中，建立关于工厂的全面的信息库，并以与实际工厂相同的三维工厂信息模型的形式呈现。
通过与计算机仿真技术的结合，数字化工厂设计对工厂生产制造全流程包括设计、制造、装配、质量控制、产品检测等各个阶段进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到产品的全生命周期。
数字化工厂设计在设计、建造阶段能够给设计、施工、管理人员提供方便，通过有效的数字化交付，也将延伸到工厂的运维阶段，形成支撑工厂运维管理的工厂数据仓库、工厂信息资产管理平台和可视化运营管理平台，实现工厂全生命周期的信息管理。
数字化工厂设计主要内容：
工厂信息模型PIM；
生产工艺规划仿真；
物流仿真
3.2 工厂信息模型PIM
工厂信息模型（PlantInformationModeling）或者建筑信息模型（BuildingInformationModeling）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，通过三维建筑模型，实现工程监理、物业管理、设备管理、数字化加工、工程化管理等功能。
将建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等项目参与方在同一平台上，共享同一建筑信息模型。
利于项目可视化、精细化建造。
PIM不再像CAD一样只是一款软件，而是一种管理手段，是实现建筑业精细化，信息化管理的重要工具。
PIM具有以下八大特点：
（1）可视化
（2）协调性
（3）模拟性
（4）优化性
（5）可出图性
（6）一体化性
（7）参数化性
（8）信息完备性
PIM在全生明周期的应用
阶段划分
基本应用
方案设计
场地分析
建筑性能模拟分析
设计方案比选
初步设计
建筑、结构专业模型构建
建筑结构平面、立面、剖面检查
面积明细表统计
施工图设计
各专业模型构建
竖向净空优化
冲突检测及三维管线综合
虚拟仿真漫游
建筑专业辅助施工图设计
施工准备
施工深化设计
施工方案模拟
构件预制加工
施工实施
虚拟进度和实际进度对比
工程量统计
设计与材料管理计
质量与安全管理
竣工模型构建
运营
运营系统建设
建筑设备运行管理
空间管理
资产管理
3.3 生产工艺仿真设计
生产工艺仿真设计要求在三维虚拟环境中真实再现具体的工艺过程，允许用户通过改变相关参数对生产的工艺过程进行模拟和评估，从而检验并优化生产工艺设计。
生产过程仿真具体功能应包含：
布局规划与仿真；
零件流的静态分析与动态仿真；
装配过程平衡；
复杂的物流操作仿真；
机器人及复杂运动仿真；
零件加工仿真；
人力资源仿真；
人机工效仿真；
生产物流系统仿真；
控制软件测试仿真；
生产动作测试仿真。
仿真设计的一般流程：
（1）问题定义
对问题本身做出明确的定义。
（2）确定目标
确定如何达成某个目标，并考虑如何测量。
（3）建立概念模型
建立系统模型。
（4）采集数据
输入数据可以对现实系统调研，也可以通过经验进行估算和计算。
（5）建立模型
将之前建立的系统概念模型利用建模软件转变成计算机仿真模型。
（6）验证和认证模型
确定所建立的模型是否在逻辑上准确反映概念模型以及是否在计算机上可以正确运行并得到结果。
（7）模型试验和结果分析
基于被认证有效的仿真模型，可将各种不同的替代方案输入模型来进行比较各种方案的优劣。
3.4 物流仿真设计
物流仿真设计要求在三维虚拟环境中模拟工厂物流的全过程，验证物流方案的合理性。
物流设计功能应允许用户在不同的生产工艺方案中自定义原材料、燃料、外购件等物料的采购运进、入库验收和储存等初始信息，按照规定的工艺过程经过基本制造的加工和转移活动，最终形成一定价值的产成品，同时模拟将之包装、存放、搬运、输送至成品库或用户等一系列物流实体运送的转运过程。
物流仿真设计应包含：
总平面布局、车间布置；
仓储仿真；
作业调度仿真；
供应与配送仿真；
物料和成品库存控制仿真；
交通体系仿真；
现场监控体系仿真等。
WMS仓库管理系统（WarehouseManagementSystem），是通过入库业务、出库业务、仓库调拨、库存调拨和虚仓管理等功能，对批次管理、物料对应、库存盘点、质检管理、虚仓管理和即时库存管理等功能综合运用的管理系统，有效控制并跟踪仓库业务的物流和成本管理全过程，实现或完善企业的仓储信息管理。
该系统可以独立执行库存操作，也可与其他系统的单据和凭证等结合使用，可为企业提供更为完整企业物流管理流程和财务管理信息。
WCS仓库调度（控制）系统（WarehouseControlSystem），系统应用在仓库管理，协调各种物流设备如输送机、堆垛机、穿梭车以及机器人、自动导引小车等物流设备之间的运行，采用C/S架构，主要通过任务引擎和消息引擎，优化分解任务、分析执行路径，为上层系统的调度指令提供执行保障和优化，实现对各种设备系统接口的集成、统一调度和监控。
3.5 建设阶段
1）施工过程模拟
在工厂信息模型的基础上关联施工进度计划时间维度，形成4D的施工过程模拟，以可视化的形式展现虚拟建设全过程。
施工过程模拟在检验施工进度计划的合理性同时，也应模拟复杂技术方案，验证施工技术的可行性或模拟出解决方案。
2）工程进度监控
通过分析定期收集的数据，预测预测施工进度的发展趋势，进行动态进度控制。
随时掌握施工个过程持续时间，与设计变更等影响施工量变化的因素相结合，给出应变措施。
以可视化的方式对比展现工程量计划与实际完成量，重要单项工程实体形象进度展现。
3.6 运维阶段
1）设备资产可视化管理
在设备档案的基础上，通过收集设备运行数据，建立标准、统一、完备的设备信息数据库，将数据库中内容与工厂信息模型相关联，为调度运行、设备管理、维修和维护提供可视化信息支持，提升对主要设备和固定资产的运营管控水平。
设备完整性管理应包含设备档案管理、备品备件管理、工器具管理、设备变更管理、设备巡点检、故障维修管理、预防性维护管理和设备知识库等功能。
2）生产运营指挥辅助
通过工厂信息模型与生产动态数据的集成，将实时生产状态信息与相关信息模型结合并以三维可视化方式动态展现，使生产状态信息更加明确、即时，为MOM等系统的生产指挥控制提供辅助支持。
生产运营指挥辅助应包含生产装置情况、生产达标情况、财务指标、健康安全环保与能耗、质量管理信息、供应链上下游信息等相关信息的三维可视化功能。
3）安全应急辅助
安全应急辅助是为事故、灾害和紧急事件提供应急服务的功能，通过将包括灾害报警、预案启动、设备操作、经济分析、方人员调度、车辆物资管理、处置救援等相关信息的可视化实时展示，提高安全应急的管理水平，为工厂安全提供保障服务。
安全应急辅助应包含危险源/隐患管理、应急资源管理、应急预案管理、应急响应流程导引，应急处置联动分析、应急辅助决策设计、消防能力评估、事故模拟推演等功能的可视化展示。
4）可视化培训
利用工厂信息模型的可视化优势，提供以模型为基础的可视化培训功能，在条件允许的情况下延伸至虚拟现实或增强现实的可视化模式，为智能工厂员工提供培训服务。
可视化培训应包含设备结构及拆装、工艺及操作方法、设备维护维修、快速安全疏散、安全应急处理等功能。
5）决策分析支持
向决策者提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案的环境，调用各种信息资源和分析工具，通过数据、模型
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