虚拟仿真打开智能工厂“黑箱”

提到三维的虚拟仿真技术，人们可能会想到阿凡达等3D大片，其实在制造业，虚拟仿真技术已经生根开花。尤其是对于未来的智能工厂而言，虚拟仿真技术将成为企业优化生产流程的利器。未来企业通过构建三维数字化的工厂，能够对公司的整体的设计、制造链条进行可视化，精细化管理，彻底打开制造过程管理的“黑箱”。

让制造身临其境

“随着信息物理融合系统以及物联网的发展，数字化工具嵌入到产品设计、研发、生产规划、生产工程、生产实施以及服务的整个价值链，给制造业带来了巨大的变化。未来的工厂将能够把生产、供应链以及单个客户的偏好实时地融合起来。” 西门子大中华区首席执行官、西门子（中国）有限公司总裁兼首席执行官赫尔曼向人们表述了未来智能工厂的能力。

汽车行业一直站在制造业的高端，其工厂也越来越智能化。作为离散工业代表，汽车行业也在不断应用着最先进的数字化技术。虚拟仿真技术在汽车行业应用得非常深入，尤其是在高度自动化的生产线领域。

在中国汽车市场，柯马（上海）工程有限公司是一家主要的车身焊接、动力总成装配和加工设备供应商，并于2011年开始制造机器人。在为汽车原始设备制造商制造生产线时，柯马（上海）经常被客户要求进行生产线和作业单位模拟测试。柯马（上海）机械工程师工艺工程经理Riccardo Piegaia表示，通过使用虚拟仿真的软件工具，能在短时间内模拟更多的生产场景，模式测试的主要目的是规划和验证该生产线。据了解，通过模式测试，可以预先对生产线进行有效改进和优化，节省工程时间，从而有助于减少车间中的返工次数，避免浪费降低成本。

例如，模拟测试有时会显示，由于需要使用某些特定的焊接工具，应更改某个零部件的设计。“我们模拟了所有的BiW（白车身）作业单元，从点焊开始，一直到螺柱焊、激光焊接等更加先进的技术。虽然激光焊接成本远远高于点焊，但在汽车制造完成后的车身可见区域，前者比后者更加美观。通过使用软件进行模拟测试，我们向一位客户交付了一个车顶焊接工作站。” Riccardo Piegaia说。

记者了解到，通过应用虚拟仿真技术，工程速度和可视化程度都能得到提升。目前柯马（上海）公司还能通过采用虚拟仿真技术进行3D机器人模拟测试，而且还实现了整个生产线的可视化，并培育了一个庞大的3D模拟团队，包括几十位模拟工程师。

让流程了如指掌

当今的工厂正面临着来自生产操作方面越来越大的挑战，工厂自身状态和内外部环境的不断变化，正严重威胁着生产操作的安全性和企业的盈利能力。一些不能控制的意外事故通常造成“开车”的延迟，产品的无谓浪费，严重的设备损坏，甚至造成灾难性的后果。

对于流程工业（也称过程工业）而言，由于生产规模大、投资额度高、生产制造具有连续性，工厂一旦“开车”即面临非常高的生产安全风险，环境污染压力越来越大等，因此，流程工业企业更需要实现透明化生产，提高生产效率和设备利用率，降低碳排放。 通过最小化停机时间和最大化设备利用率提高盈利能力。

“中国的过程工业面临着缩短上市时间、促进数字化生产、实现透明化生产与改善自身效率等诸多领域的问题与压力。” 西门子（中国）有限公司执行副总裁兼过程工业与驱动集团总经理林斌认为，“生产工艺升级改造是问题的关键所在。我们面临的主要挑战就是如何提升生产力、生产效率和生产灵活性。中国的生产企业正在寻求诸如数字化工厂和集成解决方案等此类方法与方案。相关市场的明确需求就是需要缩短产品上市周期和实现透明化生产。”

对于实现透明化生产，目前，借助于虚拟仿真技术，流程工业的生产环节可以以三维方式呈现在电脑屏幕，便于工人培训。一旦工人熟练掌握工艺流程对设备的误操作率就会降低，进而提高了设备利用率和安全生产系数，这对流程工业而言是至关重要的。施耐德高级技术顾问徐晓燕告诉记者，在工厂正式“开车”前和“开车”后，企业员工通过计算机上的高保真模拟器，可以积累工艺经验和故障诊断经验，提高处理紧急状况或异常工况的能力，进而提高工厂的安全性，延长工厂设备的实际投产时间。这种虚拟仿真技术能够让操作员身临其境地在工厂里工作，随着越来越多的操作员对工艺过程有着更加深入的了解，操作员的知识水平和技术水平也随之提高，企业可以缩短“开车”、“停车”时间，甚至提早“开车”，并减少“开车”实际需要的时间。

当然，培训仅仅是虚拟仿真技术应用效果的一部分，在实际生产运行和维护中同样能产生效益。记者了解到，虚拟仿真技术可以让高度复杂的过程工厂通过三维方式非常逼真地显示出来的同时，工厂数据也可实时更新，这样不仅可以有助于于工程设计和监控，还可以有助于运行。服务和维护工作也可以更高效地计划、模拟和执行。一些应用了虚拟仿真技术的工业软件既可以用于对操作人员进行沉浸式培训，又可以作为交付工具完成与第三方应用程序交换数据，还可以进行实时协作。其最大的优势在于能够以较低的成本和人工费用，提供工厂文档的实时更新，并保证生命周期各阶段内的完全透明。

还有一些应用了虚拟仿真技术的工业软件其实质是一个基于严格计算的全面而成熟的动态过程模拟系统，并运用了基于机理的技术和严格的热力学数据，可提供准确而可靠的计算结果，可用于解决从工程研究到操作员培训系统等工作中所遇到的最为棘手的动态模拟问题。用户通过这些软件可以进行工艺设计、安全分析、控制策略选择、工厂控制系统校验、操作员培训、工厂改进等一系列工作。