数字孪生技术与工程实践PPT课件（共7章）第4章 数字工厂和数字孪生工厂PPT文件格式下载.pptx

1、运行维护阶段完成所有前期准备工作后，工厂就将投入生产，进入运行维 护阶段。,数字孪生技术与工程实践,离散制造行业,挑战产品知识含量高从设计到量产上市的时 间越来越短生产设备和制造系统日 趋复杂，规划、设计、组装和调试面临日益严 峻的问题,数字化工厂工艺设计平台基于仿真的工规划 设计方法减少设计错误，提 高规划方案的质量，减少工厂工程建设 的时间方便运维。,数字孪生技术与工程实践,流程制造行业,系统生产能力要求越来 越高生产设备日趋复杂，保 证设备无故障运行和优 化运行的压力越来越大优化系统运行参数，实 现节能减排,挑战,数字化工厂提高工厂运行维护 阶段的监控能力通过实时数据采集，和在线分析系统

2、，实时监控基于数据的优化,数字孪生技术与工程实践,数字化工厂（规划设计）,数字化工厂（digital factory）一词最早出现在1998年，在CIM（Computers in Manufacturing）展会上，多个厂家展示了数字化工厂仿真系统，加速数字化工厂的到来。Dwyer John在1999年的一篇论文中指出“制造的所有细节在其发生前被模拟”。日本的Onosato和Iwata提出了虚拟制造技术是“用模型和仿真来替代现实生活中的实体，用3D技术和数字模型来建立数字化工厂”。德国工程师协会（VDI，Association of German Engineers）对“数字化工厂（digit

3、al factory）”下的定义是：“数字化工厂是有关网络工厂的，集成在常用数据管理系统中的数 字模型、数字方法和数字工具的总体概念。其目的在于统一的工厂规划、评估和不断地对所 有重要的工厂生产工艺过程和资源结合产品进行改进。”并发布了与此相关的指导规范：VDI 4499。,数字孪生技术与工程实践,数字工厂,数字工厂（ditital factory）作为支撑工业4.0现有的最重要国际标准之一，是IEC（国际电工 委员会）/TC65（65技术委员会：工业过程测量、控制和自动化）的重要议题。2011年6月，IEC/TC65成立WG16“数字工厂”工作组，西门子、施耐德电气、罗克韦尔自动 化、横河等

4、国际自动化企业，以及我国机械工业仪器仪表综合技术经济研究所等研究机构，都参与了“IEC/TR 62794：2012数字工厂标准”的制定。为更好地指导国内企业开展数字工 厂建设，全国工业过程测量控制和自动化标准化委员会（SAC/TC124）组织国内相关单位，将该标准等同转化为我国国家标准工业过程测量、控制和自动化生产设施表示用参考模型（数字工厂）（GB/Z 32235-2015，2015年12月发布）。GB/Z 32235-2015中对“数字工厂”的定义为：工厂通用模型，用于表示基本元素、自动化 资产，及其行为和关系。注：这个通用模型可以应用于任何实际工厂。,数字孪生技术与工程实践,数字化工厂,

5、数字化工厂（digital factory）是工厂基于数字化制造原理的一个/一套数字模型，这个模型 能在数字空间对实际工厂的运作情况进行仿真模拟或者进行监控；数字化工厂是一个面向工厂全生命周期的概念。在工厂设计规划阶段，利用仿真手段，对将 来的工厂进行分析与优化；在工厂建设阶段，可以指导工厂的建设调试；在工厂运维阶段，可以利用模型结合实际工厂运行数据，对工厂进行管理优化。离散制造和流程制造行业，“数字化工厂”技术应用的重点各不相同。,数字孪生技术与工程实践,数字制造,制造什么What产品设计,CAD,产品制造,Factory Automation,如何制造How数字化,DF/数字化工厂,何时何

6、地制造When/Where,数字孪生技术与工程实践,对数字化工厂规划的需求,制造系统越来越复杂，投资较大。在系统正式建立与运行之前，需要对这些系统建立后所取得的效益及风险进行确实有效的评估；需要在产品设计开发的各个阶段，把握产品制造过程各个阶段的实况，模拟出产品的制造、使用等未来全过程，发现可能存在的问题（可制造性、成本、效益与风险等），以寻求企业整体 全局最优效益;需要在产品正式生产（量产）前，对制造系统的规划和实施进行有效的控制；制造系统变型快，需要准确评估工厂的制造潜能,数字孪生技术与工程实践,技术发展与数字化工厂的形成,数字化工厂是通过建立统一的工艺数 据库来支持规划和工艺人员完成复杂

7、 的生产工程管理和优化任务，是在计 算机辅助工程、虚拟现实技术和仿真 优化技术的基础上发展起来的，数字 化工厂目前已经成为现代制造领域中 的一个新的应用领域。,数字孪生技术与工程实践,数字化工厂规划,利用计算机技术和网络技术，建立虚拟工厂运行环境（虚拟世界的真实工厂反映），实现产 品工艺规划和制造系统的仿真与优化为制造商及其供应商提供了一个数字化制造仿真和分析平台，使企业能够对整个制造过程进 行设计，模拟仿真和管理，并将制造信息及时地与相关部门和供应商进行共享、传递与发布。数字化工厂技术就是在高性能计算机及高速网络的支持下，采用计算机仿真与虚拟/增强现实 技术，以群组协同工作的方式，它概括了对

8、真实制造世界的对象和活动的建模与仿真研究的 各个方面。从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，在计算机上实现产品制造 的本质过程（包括产品的设计、性能分析、工艺规划、加工制造、质量检验，生产过程管理 与控制），通过计算机虚拟模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在 的问题。相关的概念：虚拟制造,数字孪生技术与工程实践,数字化工厂规划的功能分析,数字化工厂规划（或者说数字化工厂系统）是应用数字化工厂技术实现虚拟制造、由计算机 软硬件组成的系统，是现实制造系统在虚拟环境下的映射，是基于模型和仿真的系统。作为在计算机中运行的制造系统，它主要由模型、仿真、控制和支撑环

9、境四个部分组成。模型包括产品模型、制造过程所涉及的物料和中间产品模型、设备模型和其它制造资源模型。仿真是对模型的处理和操作。控制负责对仿真过程进行管理和控制。支撑环境是数字化工厂的运行平台。,数字孪生技术与工程实践,A1,工厂布局,A2,工艺规划,设备几何模型,生产大纲,生产线分 布信息,工艺文档,客户化分析报告（工时、成本、生产效率、设备利用率）；客户化工艺文件；PERT 图；GANTT 图；操作手册；加工指令；,设备参数,工艺参数，操作错误记录,A3,仿真优化,仿真结果,物流、加工、操作动画；轨迹记录；错误日志；,技术要求,几何、结 构数据,工艺要求,生产线 模型,产品数据操作数据,厂房、

10、设备、工装夹具布局图,资源数字模型,设备加工性能,数字化工厂规划的主要功能模块,数字孪生技术与工程实践,针对不同层次的工作,工厂车间层：对车间的设备布局和辅助设备及管网系统进行布局分析，对设备的占地面积和 空间进行核准，为工厂设计人员提供辅助的分析工具。生产线层：这一层主要关心的是，所设计的生产线能否达到设计的物流节拍和生产率，制造 的成本是否满足要求，帮助工业工程师分析生产线布局的合理性、物流瓶颈和设备的使用效 率等问题，同时也可对制造的成本进行分析。加工单元层：这一层主要提供对设备之间和设备内部的运动干涉问题，并可协助设备工艺规 划员生成设备的加工指令，再现真实的制造过程。操作层：对具体的

11、工步进行详细的分析，对加工的过程进行干涉等的分析，进一步可对操作 人员的人机工程方面进行分析。,数字孪生技术与工程实践,工厂数字模型,工厂数字模型（简称工厂DMU，Factory Digital Mock-up），是整个工厂从规划、设计，到 施工、运营和维护的全生命周期相关数字化文档的综合。它不但包括了工厂的三维几何模型，还包括了各类设计文档、施工文档和维护信息。工厂DMU的核心是BIM技术。借鉴产品DMU的概念和技术，将其引入到工厂的规划、设计、建造、运行维护等过程，由此 形成工厂DMU的概念。将工厂作为研究对象，应用数字样机技术来规划和管理工厂的建设，可以为企业节省大量的时间和资源。,数字

12、孪生技术与工程实践,工厂DMU的主要内容,三维几何模型：建筑设计阶段制作完成的建筑模型、工厂布局规划阶段所完成的设备布局模 型，包含了厂房及厂房内所有设备的模型。对工厂的设计有修改时必须及时更新模型，以便 模型能够真实的反应工厂现场真实情况。工厂相关文档：工厂规划设计中产生的设计文档，招标文件、与施工单位签订的合同文件，施工过程中产生的施工文档，再到整个厂房运营过程中的维护记录。,数字孪生技术与工程实践,工厂DMU的应用,在工厂生命周期各个阶段的应用工厂建筑设计中的应用工厂布局规划中的应用工程建设阶段的应用运行维护阶段的应用特点：多专业协同唯一模型和数据的来源,厂房 设计,建筑、结构、管道、电

13、力等,多专业协同 布局规划和物流规划,输送 系统 设计,输送系统布局和物流规划 输送设备单体设计,工艺 系统 设计,生产线设计 工位布局设计,工厂规划,数字孪生技术与工程实践,工厂数字模型支持下的数字化布局方法,工厂数字模型在工厂布局方面的信息集成流程,工厂布局方面的信息集成,数字孪生技术与工程实践,数字化交付,石油化工工程数字化交付标准（GB/T 51296-2018）中对数字化交付定义：以工厂对象为核心，对工 程项目建设阶段产生的静态信息进行数字化创建直至移交的工作过程。包括信息交付的策略制定、基础 制定、方案制定、信息整合与校验以及信息移交和验收。区别于传统工程以“卷册”为核心的交付体系

14、，数字化交付是指以“工厂对象”为核心，将工程设计、采购、施工、制造、安装等阶段产生的数据，进行结构化处理，建立以“工厂对象”为核心的网状关系 数据库，存储于工程数据中心，并基于统一的数据接口完成数据。数字化交付的目标是形成项目建设阶段高质量的数字资产。,数字孪生技术与工程实践,数字化工厂管控车间管控,工厂管控是在工厂投入运行后，对工厂的运作进行管理和控制，保证工厂各项工作的正常 开展，以优化资源使用，实现最大产出。利用数字化手段实现数字化工厂管控，是实现智 能工厂的第一步。在具体构建数字化工厂管控的过程中，制造执行系统（MES）是一个不可忽视的部分制造执行系统（Manufacturing Ex

15、ecution System，简称MES）的概念是由美国先进制造研究协会（Advanced Manufacturing Research，AMR）在1990年首次提出并使用的，其把MES定义为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”，为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源（人、设备、物料、客户需求等方面）的当前状态。,数字孪生技术与工程实践,ISA-95标准,美国仪器、仪表和自动化协会（Instrumentation Systems and Automation Society，ISA）提出了ISA-95国际标准，成为目前MES参考的通用标准，此标准从2000年起陆续