智能制造数字工厂的规划设计

智能制造数字工厂的规划设计 网络课堂 主讲老师：胡建林

课程目录

第一章 概 述

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第01讲 概 述00:14:4100:00:00

第二章 数字化产品设计系统

第01讲 数字化产品设计系统00:18:2600:00:00

第三章 数字化工厂设计系统

第01讲 数字化工厂设计系统00:18:2300:00:00

第四章 ERP系统

第01讲 ERP系统00:12:0900:00:00

第五章 智能工厂制造运行管理系统

第01讲 智能工厂制造运行管理系统00:39:4000:00:00

第六章 智能运维

第01讲 智能运维00:09:0800:00:00

1.1 信息物理系统CPS

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（System of Systems，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（Digital Twin）：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 数字化工厂设计可以迅速简便地建立、分析和展示可视序号 接口方向 说明 PIM的虚拟制造技术可以通过计算机仿真工厂的制造过程，化的工厂模型，可指导智能在设计阶段发现问题、优化工1 PIM→智能厂房 2 PIM→PLM/CAX 厂房的建设。包括下述信息：艺方案及建设方案。接口信息工厂厂房设计模型；工厂产线设备布局模型等 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。 3 PIM→MOM 接口信息包括：工厂模型；4 MOM→PIM 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 数字化产品设计系统需将产接口信息包括：产品设计信MOM 系统通过设备接口下发制信息。接口信息包括： 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。 接口信息包括：实际生产信息；实际物流信息 包括 制造工艺的仿真及优化结果等 5 PLM/CAX→MOM 品信息向MOM系统进行同步，6 MOM→智能装备 生产指令、加工参数等生产控

息；产品工艺信息；BOM信息等 生产指令 ERP管理系统将生产相关的资智能装备可实时向MOM系统反馈运行信息，供MOM系统7 智能装备→MOM 进行数据采集及生产分析。8 ERP→MOM 接口信息包括：状态信息；报警信息等 源信息发送至MOM系统，指导MOM进行生产安排。接口信息包括：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 智能运维服务系统基于云平MOM系统向ERP管理系统反馈生产信息。接口信息包括：9 MOM→ERP 台构建，智能产品将产品实际运行信息通过产品中安装的智能产品→智生产计划执行进度信息；生10 传感器进行采集并上传至云能运维服务 产计划状态；生产资源使用端，系统通过对云端数据进行信息；生产报工信息等 分析实现远程诊断，依据诊断结果提供运维服务。 智能运维系统通过对云端数据进行分析实现远程诊断，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智能运维服务依据诊断结果判断是否需要MOM→智能运维11 12 案，通过生产追溯实现运维规→智能产品 进行运维，并及时发布。接服务 划。智能运维服务系统从MOM口信息包括：产品运维计划；系统接收到的传输的接口信产品运维提醒等 息包括：产品制造档案信息 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，分析智能运维服务可能存在的缺陷，改进生产13 →MOM 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（Model Based Definition）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