虛擬仿真打開智能工廠“黑箱” 讓制造身臨其境
http://www.debgrams.com 2015-06-24 08:30 來源：中國電子報
提到三維的虛擬仿真技術，人們可能會想到阿凡達等3D大片，其實在制造業，虛擬仿真技術已經生根開花。尤其是對于未來的智能工廠而言，虛擬仿真技術將成為企業優化生產流程的利器。未來企業通過構建三維數字化的工廠，能夠對公司的整體的設計、制造鏈條進行可視化，精細化管理，徹底打開制造過程管理的“黑箱”。
讓制造身臨其境
“隨著信息物理融合系統以及物聯網的發展，數字化工具嵌入到產品設計、研發、生產規劃、生產工程、生產實施以及服務的整個價值鏈，給制造業帶來了巨大的變化。未來的工廠將能夠把生產、供應鏈以及單個客戶的偏好實時地融合起來。” 西門子大中華區首席執行官、西門子（中國）有限公司總裁兼首席執行官赫爾曼向人們表述了未來智能工廠的能力。
汽車行業一直站在制造業的高端，其工廠也越來越智能化。作為離散工業代表，汽車行業也在不斷應用著最先進的數字化技術。虛擬仿真技術在汽車行業應用得非常深入，尤其是在高度自動化的生產線領域。
在中國汽車市場，柯馬（上海）工程有限公司是一家主要的車身焊接、動力總成裝配和加工設備供應商，并于2011年開始制造機器人。在為汽車原始設備制造商制造生產線時，柯馬（上海）經常被客戶要求進行生產線和作業單位模擬測試。柯馬（上海）機械工程師工藝工程經理Riccardo Piegaia表示，通過使用虛擬仿真的軟件工具，能在短時間內模擬更多的生產場景，模式測試的主要目的是規劃和驗證該生產線。據了解，通過模式測試，可以預先對生產線進行有效改進和優化，節省工程時間，從而有助于減少車間中的返工次數，避免浪費降低成本。
例如，模擬測試有時會顯示，由于需要使用某些特定的焊接工具，應更改某個零部件的設計。“我們模擬了所有的BiW（白車身）作業單元，從點焊開始，一直到螺柱焊、激光焊接等更加先進的技術。雖然激光焊接成本遠遠高于點焊，但在汽車制造完成后的車身可見區域，前者比后者更加美觀。通過使用軟件進行模擬測試，我們向一位客戶交付了一個車頂焊接工作站。” Riccardo Piegaia說。
記者了解到，通過應用虛擬仿真技術，工程速度和可視化程度都能得到提升。目前柯馬（上海）公司還能通過采用虛擬仿真技術進行3D機器人模擬測試，而且還實現了整個生產線的可視化，并培育了一個龐大的3D模擬團隊，包括幾十位模擬工程師。
讓流程了如指掌
當今的工廠正面臨著來自生產操作方面越來越大的挑戰，工廠自身狀態和內外部環境的不斷變化，正嚴重威脅著生產操作的安全性和企業的盈利能力。一些不能控制的意外事故通常造成“開車”的延遲，產品的無謂浪費，嚴重的設備損壞，甚至造成災難性的后果。
對于流程工業（也稱過程工業）而言，由于生產規模大、投資額度高、生產制造具有連續性，工廠一旦“開車”即面臨非常高的生產安全風險，環境污染壓力越來越大等，因此，流程工業企業更需要實現透明化生產，提高生產效率和設備利用率，降低碳排放。 通過最小化停機時間和最大化設備利用率提高盈利能力。
“中國的過程工業面臨著縮短上市時間、促進數字化生產、實現透明化生產與改善自身效率等諸多領域的問題與壓力。” 西門子（中國）有限公司執行副總裁兼過程工業與驅動集團總經理林斌認為，“生產工藝升級改造是問題的關鍵所在。我們面臨的主要挑戰就是如何提升生產力、生產效率和生產靈活性。中國的生產企業正在尋求諸如數字化工廠和集成解決方案等此類方法與方案。相關市場的明確需求就是需要縮短產品上市周期和實現透明化生產。”
對于實現透明化生產，目前，借助于虛擬仿真技術，流程工業的生產環節可以以三維方式呈現在電腦屏幕，便于工人培訓。一旦工人熟練掌握工藝流程對設備的誤操作率就會降低，進而提高了設備利用率和安全生產系數，這對流程工業而言是至關重要的。施耐德高級技術顧問徐曉燕告訴記者，在工廠正式“開車”前和“開車”后，企業員工通過計算機上的高保真模擬器，可以積累工藝經驗和故障診斷經驗，提高處理緊急狀況或異常工況的能力，進而提高工廠的安全性，延長工廠設備的實際投產時間。這種虛擬仿真技術能夠讓操作員身臨其境地在工廠里工作，隨著越來越多的操作員對工藝過程有著更加深入的了解，操作員的知識水平和技術水平也隨之提高，企業可以縮短“開車”、“停車”時間，甚至提早“開車”，并減少“開車”實際需要的時間。
當然，培訓僅僅是虛擬仿真技術應用效果的一部分，在實際生產運行和維護中同樣能產生效益。記者了解到，虛擬仿真技術可以讓高度復雜的過程工廠通過三維方式非常逼真地顯示出來的同時，工廠數據也可實時更新，這樣不僅可以有助于于工程設計和監控，還可以有助于運行。服務和維護工作也可以更高效地計劃、模擬和執行。一些應用了虛擬仿真技術的工業軟件既可以用于對操作人員進行沉浸式培訓，又可以作為交付工具完成與第三方應用程序交換數據，還可以進行實時協作。其最大的優勢在于能夠以較低的成本和人工費用，提供工廠文檔的實時更新，并保證生命周期各階段內的完全透明。
還有一些應用了虛擬仿真技術的工業軟件其實質是一個基于嚴格計算的全面而成熟的動態過程模擬系統，并運用了基于機理的技術和嚴格的熱力學數據，可提供準確而可靠的計算結果，可用于解決從工程研究到操作員培訓系統等工作中所遇到的最為棘手的動態模擬問題。用戶通過這些軟件可以進行工藝設計、安全分析、控制策略選擇、工廠控制系統校驗、操作員培訓、工廠改進等一系列工作。
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