數(shù)字化工廠架構(gòu)解讀生產(chǎn)數(shù)字李生

工藝是設(shè)計(jì)到制造的紐帶；在數(shù)字化工廠中，結(jié)構(gòu)化工藝更是中樞神經(jīng)，定義與驅(qū)動(dòng)數(shù)

字化工廠高效運(yùn)作。制造企業(yè)在MBD全三維數(shù)字化環(huán)境中，定義與驗(yàn)證結(jié)構(gòu)化工藝，

為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)中的人和機(jī)器傳遞一次性準(zhǔn)確的工藝信息，最終支撐智能制造。

本篇將重點(diǎn)闡述基于當(dāng)前數(shù)字化工廠規(guī)劃(大工藝)技術(shù)和結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)，

如何深入開(kāi)展生產(chǎn)制造的數(shù)字?jǐn)伾ㄔO(shè)，以及數(shù)字李生當(dāng)前的能力狀

態(tài)。

一、生產(chǎn)制造數(shù)字?jǐn)伾亩x

1

數(shù)字學(xué)生的官方定義

按照官方定義，數(shù)字李生(DigitalTwin)：是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)

行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空

間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字李生是一種

超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴(lài)的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映

射系統(tǒng)。針對(duì)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，該裝備系統(tǒng)既可指代企業(yè)交付給客戶(hù)的產(chǎn)品，也可

指代企業(yè)的生產(chǎn)工廠，甚至整個(gè)企業(yè)。

在最新2020年工業(yè)與信息化部指導(dǎo)編寫(xiě)的《信息物理系統(tǒng)建設(shè)指南(2020)》中，

對(duì)數(shù)字字生的組成進(jìn)行了細(xì)致定義，如下圖所示：

數(shù)字?jǐn)伾?DigitalTwin)包括：

1，物理實(shí)體：真實(shí)世界的實(shí)物產(chǎn)品。

2,信息虛體(數(shù)字季生體(DigitalTwins))：即虛擬世界的虛擬產(chǎn)品，包括數(shù)

字模型、攣生數(shù)據(jù)、攣生主線、數(shù)字?jǐn)伾?wù)等。

3,交互對(duì)接：虛擬和實(shí)物產(chǎn)品間的數(shù)據(jù)和信息交互。

2

西門(mén)子數(shù)字學(xué)生總體定義

西門(mén)子總體愿景是為制造企業(yè)打造數(shù)字字生，全面覆蓋整個(gè)企業(yè)的全業(yè)務(wù)流程和

產(chǎn)品的全生命周期。鑒于制造企業(yè)的復(fù)雜度和數(shù)字?jǐn)伾夹g(shù)的狀態(tài)，西門(mén)子首先

從產(chǎn)品、生產(chǎn)和運(yùn)維三個(gè)階段來(lái)分別打造數(shù)字李生，然后通過(guò)數(shù)據(jù)主線（Digital

Thread）進(jìn)行這些數(shù)字李生貫通，最后隨著技術(shù)的成熟去構(gòu)建制造企業(yè)的全面綜

合的一體化數(shù)字季生。

1.產(chǎn)品（Product）數(shù)字李生：指真實(shí)產(chǎn)品與虛擬產(chǎn)品（對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成的模型化表

達(dá)、對(duì)產(chǎn)品本身內(nèi)在機(jī)理的虛擬表達(dá)）組成的相互作用系統(tǒng)。

2.生產(chǎn)（Production）數(shù)字李生：指真實(shí)生產(chǎn)與虛擬生產(chǎn)（虛擬的制造產(chǎn)品/對(duì)象，

虛擬的工藝、虛擬的工廠/生產(chǎn)系統(tǒng)）組成的相互作用系統(tǒng)。

3.運(yùn)維（Performance）數(shù)字李生：指真實(shí)產(chǎn)品與虛擬產(chǎn)品（對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行

狀態(tài)、運(yùn)行功效的虛擬表達(dá)）組成的相互作用系統(tǒng)。

3

西門(mén)子生產(chǎn)數(shù)字學(xué)生的界定

在生產(chǎn)數(shù)字李生的系統(tǒng)中，主要包含制造產(chǎn)品、制造工藝、制造工廠這三個(gè)方面

要素進(jìn)行物理與虛擬的對(duì)應(yīng)。

L制造產(chǎn)品：包含原材料、采購(gòu)件、過(guò)程件/在制品、半成品、成品等被加工制

造對(duì)象（物料）實(shí)物以及虛擬表達(dá)。（虛擬產(chǎn)品表達(dá)更多是對(duì)產(chǎn)品變形/組合過(guò)

程及制造特性）

2.制造工藝：包含產(chǎn)品制造過(guò)程中所采用的各種工藝過(guò)程（機(jī)加/鎖金/焊接/噴涂、

裝配/維修/調(diào)試、熱表/鍛鑄/特種加工等）的完整表達(dá)。（制造工藝在企業(yè)中是無(wú)

形非實(shí)物的智力資產(chǎn)，制造工藝的虛擬表達(dá)更多就是工藝知識(shí)的全數(shù)字/結(jié)構(gòu)化

表達(dá)）

3.制造工廠：包含制造企業(yè)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的所有生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)施、儀器、工裝等生產(chǎn)

資源的實(shí)物及虛擬表達(dá)。（虛擬工廠不僅只是工廠外形的表達(dá)，更多是工廠的工

作邏輯、生產(chǎn)邏輯、運(yùn)行狀態(tài)的全面表達(dá)）

正如前面文章的闡述，MBD技術(shù)發(fā)展，使得制造產(chǎn)品、制造工藝、制造工廠的

數(shù)字化虛擬表達(dá)的技術(shù)日益成熟；數(shù)字化工廠的發(fā)展使得生產(chǎn)制造系統(tǒng)實(shí)物硬件

更加數(shù)字化；實(shí)物更加易于數(shù)字化虛擬表達(dá)而且易于與數(shù)字化虛體進(jìn)行交互。由

真實(shí)和虛擬的"制造產(chǎn)品、制造工藝、制造工廠〃組成的生產(chǎn)制造系統(tǒng)的數(shù)字李生，

開(kāi)展虛擬生產(chǎn)和真實(shí)生產(chǎn)，以及相互指導(dǎo)與反饋優(yōu)化，來(lái)提高數(shù)字化工廠的制造

產(chǎn)能、效率和質(zhì)量。

4

西門(mén)子的閉環(huán)數(shù)字學(xué)生

在數(shù)字季生發(fā)展的初期階段，實(shí)物和虛擬的世界往往只是鏡像或相互參考印證的

關(guān)系。隨著各種產(chǎn)品及生產(chǎn)制造設(shè)備/儀器的數(shù)字化智能化發(fā)展，實(shí)物和虛擬的

產(chǎn)品/工藝/工廠之間的相互關(guān)聯(lián)更加實(shí)時(shí)連接甚至直接相互作用，可以說(shuō)是閉環(huán)

的數(shù)字字生。

西門(mén)子在傳統(tǒng)的全集成自動(dòng)化（TIA）的技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,

把西門(mén)子開(kāi)環(huán)的產(chǎn)品/生產(chǎn)/運(yùn)維數(shù)字李生逐步打造成閉環(huán)的數(shù)字?jǐn)伾?虛擬模

型*物理資產(chǎn)數(shù)據(jù)*虛實(shí)互連）。如下圖所示。

黃20厘1產(chǎn)a

虛擬世界連接物理世

MindSph

.便里

111_帙物理力

MindSpMer的環(huán)連饅府科

一設(shè)E盛善

光科

的JW生

mendix超

?

因此本篇將從開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩個(gè)層級(jí)來(lái)闡述生產(chǎn)數(shù)字學(xué)生。開(kāi)環(huán)數(shù)字?jǐn)伾兄攸c(diǎn)闡

述生產(chǎn)數(shù)字季生體（DigitalTwins,即虛體部分）的應(yīng)用與能力，即單獨(dú)考慮基于產(chǎn)

數(shù)字?jǐn)伾w的仿真分析技術(shù)；閉環(huán)數(shù)字李生更多講述虛實(shí)結(jié)合之后的數(shù)字?jǐn)伾?/p>

（DigitalTwin,即虛實(shí)聯(lián)合體）的應(yīng)用與能力，即基于物聯(lián)網(wǎng)軟硬結(jié)合后的相關(guān)技

術(shù)。最后暢想一下整個(gè)制造企業(yè)基于虛實(shí)工廠對(duì)客戶(hù)直連制造的生產(chǎn)模式的支撐。

二、生產(chǎn)數(shù)字李生體（Digitaltwins）

在多數(shù)制造企業(yè)內(nèi)，對(duì)于生產(chǎn)制造系統(tǒng)的管理與使用還是采用傳統(tǒng)的方式，不透明、不

精細(xì)、不優(yōu)化。具體表現(xiàn)如卜圖的幾個(gè)方面：

?生產(chǎn)系統(tǒng)不透明：通過(guò)傳統(tǒng)的表格方式管理資產(chǎn)清單，僅僅記錄數(shù)量與價(jià)值；對(duì)于資

產(chǎn)真正實(shí)體形態(tài)，工作位置、加工能力說(shuō)明、工作或維修的狀態(tài)等都不清楚，而且隨著

工廠的調(diào)整，不下現(xiàn)場(chǎng)，根本不知道工廠的狀態(tài)。

?生產(chǎn)產(chǎn)能不自知：對(duì)于工廠的產(chǎn)能只是模糊的概念，新增產(chǎn)能時(shí)只能大概估計(jì)；提升

產(chǎn)能只能通過(guò)“大干幾百天〃或加班加點(diǎn)，而不是消除產(chǎn)能瓶頸或任務(wù)合理化。

?生產(chǎn)布局不優(yōu)化：習(xí)慣性按功能區(qū)擺放，一張類(lèi)似辦公桌布局圖來(lái)確定設(shè)備布局。沒(méi)

有綜合考慮工藝流、物流、生產(chǎn)節(jié)拍等因素。

?工藝脫離車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)：工藝員設(shè)計(jì)工藝時(shí)，難以全然明晰由設(shè)備/工裝等組成復(fù)雜生產(chǎn)現(xiàn)

場(chǎng)環(huán)境對(duì)工藝過(guò)程的影響。過(guò)度關(guān)注給工人編制工藝規(guī)程卡，而缺乏保障工藝一次正確

性的能力。

?機(jī)器人還不是柔性設(shè)備：企業(yè)購(gòu)買(mǎi)機(jī)器人時(shí)購(gòu)買(mǎi)了廠商提供的PLC程序，口后不能根

據(jù)生產(chǎn)任務(wù)調(diào)整等優(yōu)化或改變PLC程序，成為一臺(tái)固化的自動(dòng)化設(shè)備。

?工人只是高度柔性的設(shè)備：工作現(xiàn)場(chǎng)缺乏人性化考慮，對(duì)工作強(qiáng)度、工作舒適度等方

面基于人因工程的分析和優(yōu)化。

基于產(chǎn)數(shù)字季生體的仿真分析技術(shù)，可以很大程度上解決上述制造企業(yè)面臨的問(wèn)題。

1

工廠三維建模與可視化

有人還在質(zhì)疑，建立工廠的三.維模型有意義嗎？還沒(méi)有游戲或電影制作工具的效果清晰

好看。其實(shí)制造企業(yè)工廠三維建模的環(huán)境已經(jīng)成熟：一方面企業(yè)需求越來(lái)越明顯，另一

方面數(shù)字化建模技術(shù)和應(yīng)用越來(lái)越豐富。

大家可能觀察到，有些企業(yè)在采購(gòu)生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，要求設(shè)備供應(yīng)商同時(shí)提供一套帶三維模

型的數(shù)字化設(shè)備，不僅只是三維造型，還包含能力參數(shù)說(shuō)明手冊(cè)等相關(guān)內(nèi)容。現(xiàn)在生產(chǎn)

線集成商在給企業(yè)提供交鑰匙工程，也會(huì)提供一套數(shù)字化的生產(chǎn)線，讓企業(yè)后續(xù)可持續(xù)

使用。

業(yè)界生產(chǎn)線設(shè)計(jì)/工廠建模工具已經(jīng)成熟，例如西門(mén)子的NXLineDesigner,能夠利用豐

富可擴(kuò)充的生產(chǎn)線資源庫(kù)，基于參數(shù)化的快速設(shè)計(jì)定制化的生產(chǎn)線；不僅實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的

三維可視化，甚至關(guān)聯(lián)展示相關(guān)信息；同時(shí)三維模型可輸出工程圖紙，用于生產(chǎn)線的生

產(chǎn)制造。

采用點(diǎn)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)歷史資產(chǎn)快速3D可視化：除了自己從零開(kāi)始為每個(gè)廠房新建模型外,

還可以為現(xiàn)有的工廠進(jìn)行快速掃描建模，用于工廠的整體直接可視，也可為未來(lái)生產(chǎn)線

逐步調(diào)整優(yōu)化過(guò)程中逐步建模提供背景：在NXLineDesigner可以實(shí)現(xiàn)新建的三維模型

和點(diǎn)石掃描模型組合在起；隨著工廠的持續(xù)優(yōu)化改造，這些點(diǎn)石的模型逐步被新三維

模型取代。

工廠三維模型，一方面實(shí)現(xiàn)全球資產(chǎn)的數(shù)字化管理，讓任何人在任何地點(diǎn)查看企

業(yè)工廠景況；另外這些模型可以直接為工廠仿真/工藝仿真提供模型基礎(chǔ)，也是

生產(chǎn)數(shù)字學(xué)生的基礎(chǔ)：甚至可以基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)集成獲取實(shí)時(shí)數(shù)

據(jù)，實(shí)現(xiàn)全球分布式工廠的實(shí)時(shí)信息觸手可及，實(shí)時(shí)巡視；通過(guò)靜態(tài)描述與實(shí)時(shí)

動(dòng)態(tài)相結(jié)合全方位多層次實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造系統(tǒng)的透明化。

例如：福特汽車(chē)與西門(mén)子開(kāi)展合作，已經(jīng)開(kāi)始為全球諸多工廠建立的數(shù)字化模型，

并溝通過(guò)與MOM集成，以及逐步采用1。7技術(shù)把生產(chǎn)設(shè)備信息放到Mindsphere

平臺(tái)管理分析，并最終集成到Intosite平臺(tái)中進(jìn)行展現(xiàn)。Intosite就是類(lèi)似Google

earth一樣對(duì)全球工廠進(jìn)行可視化展現(xiàn)的工具。

總之工廠三維建模與可視化技術(shù)可以很大程度上解決"生產(chǎn)系統(tǒng)不透明〃問(wèn)題。

2

工廠價(jià)值流分析與仿真驗(yàn)證

數(shù)字化工廠不是簡(jiǎn)單的用自動(dòng)化和數(shù)字化設(shè)備儀器取代原有生產(chǎn)硬件，而是追求

更加精益的高效柔性制造工廠。在數(shù)字化工廠策劃籌建時(shí)，就必須在數(shù)字化為環(huán)

境里進(jìn)行全面分析和驗(yàn)證。數(shù)字化工廠仿真工具（例如：西門(mén)子的PlantSimulation）

能夠低成本幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

SIEMENS

優(yōu)化度劇2?

價(jià)值流分析：可以幫助制造企業(yè)進(jìn)行精益價(jià)值流分析，繪制當(dāng)前價(jià)值流圖，站在企業(yè)的

層面，對(duì)信息流、實(shí)物流分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品全價(jià)值鏈增值過(guò)程中潛在的、對(duì)客戶(hù)不增值的浪

費(fèi)活動(dòng)，并制定策略，進(jìn)行改進(jìn)，形成全新的價(jià)值流圖。價(jià)值流分析不僅僅對(duì)現(xiàn)有工廠

進(jìn)行基于產(chǎn)能或交貨準(zhǔn)確率策略進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也可對(duì)新工廠導(dǎo)入新產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行決策輔

助，選擇總體價(jià)值最大化的產(chǎn)品組合進(jìn)行該工廠生產(chǎn)，

產(chǎn)能優(yōu)化：工廠仿真工具能夠?qū)ιa(chǎn)資源進(jìn)行對(duì)象量化管理（例如每臺(tái)資源量化的產(chǎn)能

信息），對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)行的邏輯量化表達(dá)（先后順序/工時(shí)/人員/設(shè)備/資源要求等），結(jié)合

相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)工廠的虛擬運(yùn)行（周期可長(zhǎng)可短，可快可慢），因此可快速知曉

產(chǎn)能與產(chǎn)能瓶頸；并且通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)工藝組合或調(diào)整產(chǎn)能瓶頸，最終滿足產(chǎn)能需求或?qū)?/p>

現(xiàn)產(chǎn)能提升。

仿真優(yōu)化時(shí)，可考慮眾多生產(chǎn)因素進(jìn)行優(yōu)化組合來(lái)提升產(chǎn)能：人員要求和配備；生產(chǎn)線

節(jié)拍和利用率生產(chǎn)能力，性能；工作時(shí)間和換班模式；瓶頸、系統(tǒng)故障；布局安排、計(jì)

劃和先后順序。這涉及到制造企業(yè)生產(chǎn)控制策略、處理原則的設(shè)定，例如：產(chǎn)能優(yōu)先、

交貨準(zhǔn)確率優(yōu)先等。

對(duì)于復(fù)雜的組合，工廠仿真工具提供多種優(yōu)化能力：試驗(yàn)管理ExperimentDesign；遺傳

算法GeneticAlgorithm；特征值FactorAnalysis；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NeuralNetworko通過(guò)這些

優(yōu)化策略主動(dòng)尋找最優(yōu)的組合方案。

物流與產(chǎn)線布局優(yōu)化：工廠仿真工具不僅分析關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)能需求，計(jì)算重要資源（工裝/

托盤(pán)/AGV小車(chē)/倉(cāng)儲(chǔ)貨格）的具體數(shù)量需求；同時(shí)按照具體的工藝流和工廠布局進(jìn)行虛擬

運(yùn)行，可對(duì)車(chē)間內(nèi)/工廠內(nèi)全面物流系統(tǒng)及產(chǎn)線布局進(jìn)行校核優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整產(chǎn)線或物

流布局，可減少物流不均衡、瓶頸、浪費(fèi)等情況；甚至通過(guò)合理物流和布局，來(lái)達(dá)到產(chǎn)

能最大或精益等目標(biāo)。

結(jié)合工廠的三維模型，還可對(duì)各種資源的位置干涉性、通過(guò)性；這不僅只考慮靜態(tài)下的

空間干涉，還包括移動(dòng)設(shè)備在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，或帶門(mén)設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的干涉性、通過(guò)性。

降本綠色：而且通過(guò)帶有成本信息和能耗信息的工廠的虛擬運(yùn)行，能夠快速計(jì)算出產(chǎn)品

/生產(chǎn)成本（折舊+原材料+生產(chǎn)+停機(jī)+……）,甚至工廠能耗信息、，為工廠的精益成本控制

和綠色節(jié)能運(yùn)行提供決策支持。

總之工廠仿真驗(yàn)證技術(shù)可以很大程度上解決“生產(chǎn)產(chǎn)能不自知〃和“生產(chǎn)布局不優(yōu)化"問(wèn)題。

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工藝仿真與驗(yàn)證

正如前面章節(jié)所述，工藝員設(shè)計(jì)工藝時(shí)，難以全然明晰由設(shè)備/工裝等組成復(fù)雜生產(chǎn)現(xiàn)

場(chǎng)環(huán)境對(duì)工藝過(guò)程的影響。過(guò)度關(guān)注給工人編制工藝規(guī)程卡，而缺乏保障工藝一次正確

性的能力。

基于MBD的結(jié)構(gòu)化工藝，以BOP為核心，有效組織三維的產(chǎn)品模型、工廠模型、資源

模型等，為工藝的仿真與驗(yàn)證工具提供的三維仿真環(huán)境與結(jié)構(gòu)化工序信息的基礎(chǔ)。工藝

的仿真與驗(yàn)證工具讓工藝員身處在完全雷同生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)境況的虛擬環(huán)境，進(jìn)行工藝的設(shè)計(jì)

思考和試錯(cuò)、驗(yàn)證調(diào)整，就像已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多次的試制生產(chǎn)一樣，出來(lái)就是滿足現(xiàn)場(chǎng)需求

的一次正確性的工藝。

以裝配維修工藝為例，工藝的仿真與驗(yàn)證工具（例如：西門(mén)子Processsimulate）在虛擬環(huán)

境中對(duì)裝配/維修過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，是否會(huì)發(fā)生干涉，以及工裝在動(dòng)態(tài)使用過(guò)程中對(duì)裝配

過(guò)程的影響，從而確定最優(yōu)的裝配順序和工裝的使用方法。甚至在復(fù)雜的裝配環(huán)境中，

自主給工藝員推薦最優(yōu)可行的安裝路徑。這種仿真對(duì)于?越復(fù)雜的產(chǎn)品、越復(fù)雜的生產(chǎn)/

維修環(huán)境收益最大。

同時(shí)可基于仿真驗(yàn)證后的最優(yōu)裝配維修工藝，形成可視的視頻、交互式作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，甚

至結(jié)合AR進(jìn)行應(yīng)用，讓操作工人更準(zhǔn)確理解工藝，更正確執(zhí)行工藝，提高生產(chǎn)效率與

質(zhì)量。

總之工藝仿真與驗(yàn)證技術(shù)可以最大限度上解決“工藝脫離車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)〃問(wèn)題。

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機(jī)器人編程與虛擬調(diào)試

機(jī)器人用于生產(chǎn)的場(chǎng)景越來(lái)越多，但企業(yè)購(gòu)買(mǎi)機(jī)器人時(shí)購(gòu)買(mǎi)了廠商提供的PLC程序，日

后不能根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)調(diào)整等優(yōu)化或改變PLC程序，成為一臺(tái)固化的自動(dòng)化設(shè)備。

在數(shù)字化工廠環(huán)境，多品種切換或者新品種的引入都會(huì)要對(duì)機(jī)器人的PLC程序進(jìn)行切換、

調(diào)整、優(yōu)化。機(jī)器人仿真與虛擬調(diào)試工具（例如西門(mén)子P5Robot）能夠快速滿足這一需求，

使機(jī)器人真正成為高柔性自動(dòng)化裝備。

機(jī)器人仿真與虛擬調(diào)試工具，不僅只是簡(jiǎn)單的離線編程；更重要的是對(duì)復(fù)雜工況、多機(jī)

器人協(xié)作、甚至人機(jī)協(xié)作環(huán)境下進(jìn)行保障機(jī)器人和人的安全；同時(shí)能夠自動(dòng)識(shí)別工件曲

面，優(yōu)化機(jī)器人的最優(yōu)工作姿勢(shì)、能耗節(jié)省等相關(guān)因素。

機(jī)器人仿真與虛擬調(diào)試工具，對(duì)含機(jī)器人協(xié)作或生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬調(diào)試，可以在虛擬環(huán)

境下提前進(jìn)行全方位的調(diào)試，驗(yàn)證機(jī)械操作順序、校核PLC控制代碼、機(jī)器人控制程序

和HMI、測(cè)試安全互鎖裝置、執(zhí)行系統(tǒng)診斷測(cè)試等，在硬件還沒(méi)有到位之前就能得到正

確的PLC、控制策略等。最終提升機(jī)器人協(xié)作效率和減少生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)試準(zhǔn)備時(shí)間，確

保一次正確性。

總之機(jī)器人編程與虛擬調(diào)試技術(shù)可以最終消除“機(jī)器人還不是柔性設(shè)備〃現(xiàn)象。

5

人因工程分析

在數(shù)字化工廠中的工人，是最為珍貴的高度柔性的設(shè)備，必須讓工人能持續(xù)穩(wěn)定

健康工作；如何設(shè)計(jì)工藝、如何設(shè)計(jì)工位、清晰知曉工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等非常關(guān)鍵。

結(jié)合工藝和工位下進(jìn)行人因工程分析，能夠有效解決這一問(wèn)題。

西門(mén)子PSHuman就能提供一個(gè)三維的環(huán)境來(lái)對(duì)工人在操作過(guò)程中的身體狀態(tài)進(jìn)

行合理分析（結(jié)合人機(jī)交互性評(píng)估，對(duì)工位的布局，人機(jī)交互可行性進(jìn)行模擬,

人體的操作姿態(tài)，人體受力，人體的可視、可達(dá)性進(jìn)行評(píng)估，從而對(duì)產(chǎn)品、資源

（設(shè)備、工裝、工具等）、人體三者之間的協(xié)同進(jìn)行全面模擬。），分析當(dāng)前工

位設(shè)計(jì)與工藝方法的人因效果；通過(guò)優(yōu)化工藝方法（可操作性/可達(dá)性等）或工

位布局/工裝結(jié)構(gòu)等優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保更加高效安全健康工作。

西門(mén)子PSHuman具有最為豐富和標(biāo)準(zhǔn)的人體模型庫(kù)；同時(shí)可與各種運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)

備相結(jié)合來(lái)快速定義人的操作運(yùn)動(dòng)，提高整個(gè)仿真分析的效率。

人因工程分析對(duì)于工藝調(diào)整優(yōu)化、工位布局優(yōu)化等方面具備相當(dāng)大的助益。

總之人因工程分析技術(shù)完全消除“工人只是高度柔性的設(shè)備〃問(wèn)題。

三、閉環(huán)的生產(chǎn)數(shù)字?jǐn)伾?DigitalTwin)

基于工廠實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證

西門(mén)子一直深入研究閉環(huán)數(shù)字?jǐn)伾膬r(jià)值應(yīng)用，構(gòu)建了“基于工廠實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證〃

場(chǎng)景，來(lái)驗(yàn)證其業(yè)務(wù)價(jià)值和可行性。

主體場(chǎng)景是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)UOT)邊緣端，把關(guān)注的眾多數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

(Mindsphere)上，然后把這些數(shù)據(jù)傳遞到PlantSimulation中進(jìn)行分析驗(yàn)證，支撐決策再

作用到實(shí)際工廠中.

?基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在Plant的虛擬工廠中，實(shí)時(shí)顯現(xiàn)工廠的運(yùn)作狀態(tài)；

是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)際狀態(tài)，不是視頻或圖片，

?Plant的虛擬工廠中有工廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以更加準(zhǔn)確的進(jìn)行未來(lái)生產(chǎn)的預(yù)測(cè)或

業(yè)務(wù)優(yōu)化處理，或緊急查單等情況的最正確處理。

?可以在Plant的虛擬工廠模擬回放一段時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行

歷史回放，有利于找出生產(chǎn)問(wèn)題的根本原因，而不是通過(guò)問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)的猜測(cè)或詢(xún)問(wèn)。

總之，基于Mindsphere云平臺(tái)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù),導(dǎo)入PlantSimulation進(jìn)行仿真,

對(duì)實(shí)時(shí)/歷史業(yè)務(wù)復(fù)現(xiàn)與分析，針對(duì)關(guān)鍵歷史事件對(duì)數(shù)字化雙胞胎進(jìn)行優(yōu)化校準(zhǔn),

挖掘更多行業(yè)數(shù)據(jù)價(jià)值。

2

基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)閉環(huán)控制

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)反饋到三維的工廠模型中，可以進(jìn)行基于虛擬

工廠的生產(chǎn)系統(tǒng)巡檢，實(shí)現(xiàn)各車(chē)間生產(chǎn)管理人員的高效安全生產(chǎn)巡檢。同時(shí)結(jié)合

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于三維增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行生產(chǎn)巡檢，巡查數(shù)據(jù)：產(chǎn)線

三維模型、訂單數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)各運(yùn)行數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、故障數(shù)

據(jù)、貢任人數(shù)據(jù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建生產(chǎn)數(shù)字季生，結(jié)合各種預(yù)測(cè)式維修、人工智能、遠(yuǎn)

程控制、AR等先進(jìn)技術(shù)，還可以在更多的場(chǎng)景發(fā)揮巨大價(jià)值。下面舉幾個(gè)實(shí)例。

第一個(gè)實(shí)例是基于物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與效率/質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)合分析，沉淀經(jīng)驗(yàn)：分析

質(zhì)量或效率最佳的物聯(lián)網(wǎng)獲取機(jī)床工作狀態(tài)信息，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)；反之總結(jié)教訓(xùn)。結(jié)

合AI的深度學(xué)習(xí)和設(shè)備實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自主調(diào)整工作狀態(tài)參數(shù)達(dá)到最

住效果。下圖所示的實(shí)例是某汽車(chē)企業(yè)，采用機(jī)器視覺(jué)，監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線上的每一個(gè)

鍍金產(chǎn)品，然后把數(shù)捱上傳到Mindsphere平臺(tái)上AI進(jìn)行品質(zhì)分析?，獲取到產(chǎn)品

品質(zhì)最好時(shí)的生產(chǎn)線各種參數(shù)狀態(tài)，最后實(shí)時(shí)調(diào)整和監(jiān)控生產(chǎn)線，使其始終處于

最佳的工作狀態(tài)。幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：

?采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)機(jī)床設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)專(zhuān)業(yè)分析APP進(jìn)行故

障預(yù)測(cè)預(yù)警

?設(shè)置維修閾值條件，對(duì)達(dá)到該閾值的設(shè)備執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的維修程序。

?通過(guò)人工智能自動(dòng)調(diào)整設(shè)備工作狀態(tài)。

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第二個(gè)實(shí)例是某企業(yè)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)工廠共用工具/資源的位置和狀態(tài)進(jìn)行

監(jiān)控，采用移動(dòng)客戶(hù)端工業(yè)APP進(jìn)行展示與查找，能大大節(jié)省復(fù)雜工廠環(huán)境下

工人查找物料的時(shí)間浪費(fèi)。同時(shí)在材料下料車(chē)間中對(duì)余料的尋找和再次優(yōu)化利用

（例如板料優(yōu)化排布利用/棒料綜合使用）。

第三個(gè)實(shí)例是傳統(tǒng)污水處理行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵

設(shè)備（鼓風(fēng)機(jī)）的穩(wěn)定運(yùn)行，遠(yuǎn)程診斷和復(fù)位；基于AR/VR的設(shè)備遠(yuǎn)程設(shè)備維

修和指導(dǎo)；根據(jù)階梯電價(jià)動(dòng)態(tài)調(diào)整關(guān)鍵設(shè)備工藝參數(shù)，在保證出水質(zhì)量的前提下

節(jié)省能耗；通過(guò)海量運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，挖掘隱臧在數(shù)據(jù)背后的工藝參數(shù)“密碼〃。

四、基于享生工廠的用戶(hù)直連制造（C2M）

C2M是英文Customer-to-Manufacturer（用戶(hù)直連制迨）的縮寫(xiě)；C2M模式,是指用戶(hù)

直連制造商，即消費(fèi)者直達(dá)工廠，強(qiáng)調(diào)的是制造業(yè)與消費(fèi)者的銜接。這是眾多制造企業(yè)

追求的模式，企業(yè)與用戶(hù)緊密連接，企業(yè)準(zhǔn)確把握需求與訂單，用戶(hù)清晰制造自己個(gè)性

化產(chǎn)品的狀態(tài)。

西門(mén)子按照C2M思想，綜合運(yùn)用西門(mén)子各種數(shù)字化技術(shù)，尤其是數(shù)字李生技術(shù)，搭建

了一個(gè)類(lèi)似九宮格的李生工廠（實(shí)際工廠通過(guò)幾個(gè)PLC等進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬），模擬C2