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从3D建模到数字化工作流

      首先模拟,然后生产:随着计算机软件和硬件技术的发展,利用计算机模拟技术描述工厂生产的过程--工作流技术,已经有了长足的进步。本文将对未来机床设备制造业中有关工作流技术的情况加以介绍。 
      利用计算机进行化学反应过程的模拟已经成为一项标准的应用技术了,如同按照物理-化学的基本原理模拟化工生产过程(混合、化学反应、热交换)一样。计算机模拟所得到的数据,可供以后的工艺流程设计使用,将计算机中的3D模型转换为现实的流程设备。在今天,这种“建模-模拟-流程”工艺设计技术已经成为化工企业经常使用的标准技术。

      数据的通用性是数字化工厂的基础:没有数据的协调一致是根本不可能的
      在工作流技术中使用的模拟技术和3D建模技术,也在汽车制造领域以外的化工领域中得到了进一步的发展,形成了“数字化工厂”。建立数字化工厂模型的目的在于将整个工厂的图像(厂房、流程设备等等)作为工厂规划设计的三维技术资料使用。三维工厂规划设计的优点非常明显:工程师可以利用计算机在正式施工前对设计规划方案进行修改,节约规划成本和时间,实现最优化配置。从而可使企业的新产品、新材料比以往任何时候都更快地投放市场,使企业在激烈的市场竞争中保持领先的优势。Ingenics股份公司的总经理Oliver Herkommer先生对不同工业领域中工作流技术的应用目的作了这样的描述:在汽车工业领域中,使用数字化工厂技术的目的在于将汽车生产过程中所需的所有资源与产品挂钩,形成一个IT技术平台。详细一点说就是建立一个统一管理原材料(汽车组成模块和各个零部件)、设备(机床和装备)、工厂(面积)和生产流程(制造工艺)的IT技术平台。当工厂设计规划人员得到这些数据之后,可以缩短工厂规划设计时间、提高工厂规划设计的质量。由于在化工流程生产企业中没有可比的标准工艺流程,因此数字化工厂设计的重点就在于厂房建筑的3D规划设计和流程工艺技术的三维设计了。Herkommer先生说:“数字化工厂设计大大地提高了化工企业工厂规划设计的质量。因为在数字化工厂中流程设备和流程工艺的数据、信息都与工厂厂房最佳地结合在一起了。”ITandFactory公司的领导人Bernd Henrici先生补充说道:“在化工企业和医药制造企业中,数字化工厂还为企业的生产者和工厂设计者提供了企业扩建改造和现代化改造的可能性,方便了他们的决策。厂房建筑和流程设备以及所有的管道都以三维图像的形式展现在人们面前。在这些三维模型中,人们可以对扩建、改造进行详细的研究讨论。同时,流程设备的维护保养人员也可以根据三维模型确定设备维修计划。” 
      VDI专业委员会对“数字化工厂”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。”与此相关的指导规范:VDI 4499。 
      有关数字化工厂的另一种说法是:所有生产设备的组成元素都利用计算机支持的方法保障产品按时、按质、成本低廉地生产出来。值得注意的是:一切都必须保证在真实的设备存在之前完成! 
      数据的通用性是数字化工厂的基础:没有数据的协调一致是根本不可能的。因此,所有的数据都需重新采集到一起,进行集中管理。第一步,也是最重要的一步是解决信息孤岛的问题。即在所有的数据信息孤岛之间建立联系,对有错误的信息数据进行补充、完善,直到所有的用户都可以通过不同的数据接口与整体系统建立联系为止。 
      在信息技术中有两种不同的可以稳定地处理信息数据的方法:一种是中央数据库的方法,即在中央数据库中保存所有的数据。另一种是分散数据库的方法,即在各个数据库之间架起连接的桥梁。两者的区别在于重复信息的处理时间不同。Aveva描述的是以数据应用为主导的性能强大的工作流数据处理方式(例如 Vantage Enterprise NET/VNET)。这种方式所需的大部分费用用于获得正确的信息。研究表明:流程设备寿命周期内85%的费用与信息有关,而这些信息中75%的是技术信息。通过信息处理过程的改进,可以使流程工业企业在项目研发和项目实施过程中体会到计算机辅助支持系统所带来的好处。VNET允许企业保存和采集流程设备在整个使用寿命周期内的所有技术数据。 

      

企业利用那些有质量保证的、熟悉的数据可以完成下列工作: 


■随时利用流程设备数据辅助决策,用于企业内部的合作; 
■使这些数据脱离各个具体的应用情况,形成共享; 
■在产品交接时提供给用户更好的数据; 
■利用这些数据优化技术改进项目。 
虚拟的厂房空间规划 
数字化工厂的基本设想是产品研发与工厂规划同步实施。重点是解决那些事后才被发现的设计规划中的失误,以避免延误产品投放市场的进度。

 

利用Cavio公司的PLM数字化工厂系统可以自动地生成加工工艺文件

      Fraunhofer IPA研究所进行调查得出:利用数字化工厂技术可以节省大约40%的项目规划时间,减少15%项目投资。数字化工厂技术最终实现的并不仅仅是在虚拟空间中对生产系统进行模拟,看到三维立体的图像。通过Daimler Chrysler公司在Sindelfingen建厂的实践中,我们可以清楚地看到数字化工厂带来的好处:在那里,Daimler Chrysler公司的外部合作伙伴和集团公司内部的合作伙伴经常在特定的网络空间里利用三维CAD模型进行讨论,协调相互之间的工作。一些非常细小的细节在动工建厂之前都进行了协调,避免了设计规划中的失误为项目工程带来的经济损失。即可以在工程规划阶段就对整个项目的各个细节进行检验、评估。 
       小结:由于汽车工业领域中有了成形的数字化工厂模型,从而大大地缩短了新型轿车的研发生产周期。化学工业企业也利用了这一技术的优点,在设备零配件的现代化改造,流程设备的维护保养方面也引进了数字化工厂技术,从而实现了通过按动按钮来观察流程设备的运转情况。 
Plant Design数字化工厂系统 
       Intergraph公司研发的Plant Design数字化工厂系统适用于在流程工业、电力工业、石油化工和造船工业等行业中使用。在世界各地的许多大型和小型企业规划项目中,从简单的小型设备改造到大型的全套工厂设备规划设计中,都得到了广泛的应用。利用这套软件可以实现同步的总体规划设计,更好的工艺计划协调,减少错误根源和提高生产能力。该软件系统集成于Intergraph其他的产品中,对企业的工程设计、配套设计、销售和设备整个使用周期内的维护保养有着很大的帮助。 
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