新锐丨虚拟工厂,2025智能制造新路径

前言:基于新一代信息技术,提出了虚拟工厂建设框架。将虚拟现实技术引入智能制造,用数据将虚拟与现实连接,这或许是实现中国制造 2025 的创新路径。

新锐丨虚拟工厂,2025智能制造新路径

全球未来工业的发展

工业 4.0、中国制造 2025 是全世界各个国家针对未来工业的发展,都提出了各自的战略规划,智能制造是其中的核心。然而如何打通制造企业各个环节,实现设计、生产、销售、售后等多部门的快速协作,依然是世界性难题。

而虚拟现实技术在制造企业中打造出的“虚拟工厂”,让任何人都可以利用移动终端,通过互联网,进入“工厂”,查看准确、完整、实时的信息,快速协作,这也许会为全世界的先进制造业发展提供新的路径。

新锐丨虚拟工厂,2025智能制造新路径

虚拟工厂是实现智能工厂的第一步

构建虚拟工厂则是实现智能工厂目标的基础。所谓虚拟工厂,是把“现实制造”和“虚拟呈现”融合在一起,通过遍布全厂的海量传感器采集现实生产制造过程中的所有实时数据,这些数据数量非常巨大,可实时、快速地反映生产中的任何细节。

基于这些生产数据,在计算机虚拟环境中,应用数字化模型、大数据分析、3D 虚拟仿真等方法,可对整个生产过程进行仿真、评估和优化,使虚拟世界中的生产仿真与现实世界中的生产无缝融合,利用虚拟工厂的灵活可变优势,来促进现实生产。

构建虚拟工厂是一个多学科交叉与融合的过程。虚拟工厂划分为基础包和技术包:其中基础包有基于数字化制造、基于模型的系统工程、知识挖掘等技术;技术包包括工厂建模中信息模型、仿真模型,工艺设计,生产线设计,物流设计,边缘计算、机器智能和虚拟现实或是增强现实与系统集成技术。通过系统集成,它们与企业其它不同的异构系统集成,例如企业资源计划(ERP)、供应链管理(SCM)、高级计划与排程(APS)、产品生命周期管理(PLM)与制造执行系统(MES)等。

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虚拟工厂关键点

第一是物理工厂与虚拟工厂同步运行,物理工厂生产时的数据参数、生产环境等都会通过虚拟工厂反映出来,这需要采集的生产数据实时可用,并通过连续、不中断的数据通道交互。

第二是虚拟与现实结合,利用三维可视化技术将生产场景真实展现出来,生产数据实时驱动三维场景中的设备,使其状态与真实生产场景一致,从而让管理者充分了解整个生产场景中各设备的运行状况,达到监测、查看、分析的目的。

第三是通过大数据与分析平台,将云端中汇集的海量数据转化、分析、挖掘,帮助工厂制定更明智的决策,快速提高生产效率、降低成本和改善质量等目标。

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建立虚拟工厂三大技术支撑

一是基于建模和仿真方法的虚拟生产技术,通过构建基于虚拟现实和增强现实的人机交互方式,实现人与虚拟世界的互动。

二是物理工厂获取信息的技术,它基于工业物联网和大数据分析来展示相关结论和洞察力。

三是虚拟世界控制现实的技术,虚拟工厂是信息系统整体的有机结合。在虚拟世界,基于数据和模型驱动仿真模型,应用各种机器学习、深度学习等新一代人工智能下的高级算法,为工厂调度和控制、订单处理、任务排队、设备预防维护等方面的应用得到最优解。

在现实空间,通过决策推理、知识挖掘等自学习的工业大数据,把由仿真模型验证的数据和加工指令送给生产现场设备或生产线,调度器根据生产计划准确无误地进行生产,现场设备或生产线的控制采用了工业物联网技术,由直接与仿真模型的仿真器相连的遥控操作完成。

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虚拟数字化工厂与传统工厂的差异

传统工厂:人工统计,效率低且不准确

在传统的中小型工厂中,对于设备生产数据的采集,几乎完全依靠人工完成。流动的人员、散落的数据,导致数据的保存成了一个巨大的问题。同时人工统计的效率也非常的低,不能进行实时生产数据更新。

此外,数据对于设备而言有着时效性和历史数据参考性的关键作用,从底层操作工的数据记录 – 数据分析 – 数据反馈 – 管理者的决策,中间的环节让数据的时效性大大降低,同时人工的记录统计也会造成数据不准确等问题,而且庞大的数据计算分析,对于人力是一个非常大的耗损。

数字化工厂:设备联网,数据自动上传反馈

而在数字化工厂中,物联网的概念就被运用到每一台设备上。设备与设备之间,早也不是信息孤岛,而是将人、设备,通过数据建立紧密联系。一个工厂管理者可以在手机或者 PC 终端观测到每一台设备的实时数据,而且可以随时收到设备的状态提醒。

除了收集、计算、反馈等“去工人化”的功能,设备联网之后,还有一大好处就是数据的存储。大量历史数据,包括设备损失数据,也给后期工厂设备的很多操作都提供了参考意义。之后,再遇到工厂的人员流动,这些数据依然可以随时调用并完善保存。

传统工厂:设备意外停机频发,造成大量损失

除了数据的管理问题,传统工厂还有一大痛点,那就是经常遭遇意外停机。意外停机不仅造成了生产的停滞,而且对于设备造成的隐性破坏不可估量。

为了预防设备的意外停机,工厂通常安排了 24 小时的轮班工人巡检,造成了工厂人力耗损严重。每时每刻的巡检也并不能全面检测到可能导致设备意外停机的各种因素。

由于害怕意外停机带来的严重损失,很多工厂也会购买大量的备用零部件,以防止意外停机的维修需要,而现实情况又是一些设备的意外停机故障周期很长,导致大量的备用零部件并没有派上用场,造成成本浪费。

数字化工厂:设备意外停机预警通知,让设备时刻保持最佳运行状态

数字化工厂的运转过程中,设备的一切都被随时监控反馈,而意外停机发生之前,设备的某些参数会发生变化,此时设备就能在参数发生变化时及时进行预警通知,让设备故障在发生之前被发现及运维。从而保证工厂设备时刻处于最佳运行状态。

即使是故障已经发生了,也能在过去的设备故障统计里立即找到合适的解决方案,把损失降到最低。这也就是数字化工厂实现的重要一步,让预知未来成为智能工厂的一部分。

新锐丨虚拟工厂,2025智能制造新路径

结尾

智能工厂虚拟仿真技术对于智能制造非常重要。智能制造从数字化、智能化技术和装备将贯穿产品的全生命周期,推动产品的生产过程产生了重大变革,从而努力实现中国制造 2025 的创新路径。

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