數(shù)字化工廠是面向未來的新型生產(chǎn)組織方式，通過整合信息、優(yōu)化生產(chǎn)流程，為制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了重要的支持和機(jī)遇。數(shù)字化工廠不僅是對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的一次革命，更是未來制造業(yè)的重要支柱。本文將深入探討數(shù)字化工廠的定義、背景與來源，以及基于BIM技術(shù)的數(shù)字化工廠建設(shè)解決方案和案例。

一、數(shù)字化工廠的定義

根據(jù)2018年9月11日中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》，數(shù)字化工廠是由工程建設(shè)階段產(chǎn)生的數(shù)字化靜態(tài)信息、運(yùn)營維護(hù)階段產(chǎn)生的數(shù)字化動(dòng)態(tài)信息、基于工廠對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系及信息管理平臺(tái)構(gòu)成的綜合體。

數(shù)字化工廠旨在通過計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境，整合產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)線運(yùn)維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制的自動(dòng)化、制造執(zhí)行的MES系統(tǒng)、生產(chǎn)管理的ERP系統(tǒng)等的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，以便對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回溯、管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并預(yù)測未來趨勢。其本質(zhì)在于實(shí)現(xiàn)信息的集成，構(gòu)建仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)可視化的綜合網(wǎng)絡(luò)。

二、數(shù)字化工廠的背景和來源

數(shù)字化工廠的出現(xiàn)源于對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)的挑戰(zhàn)和需求。傳統(tǒng)制造工廠面臨著生產(chǎn)效率低下、成本高昂、質(zhì)量難以保證等問題，而數(shù)字化工廠利用先進(jìn)的技術(shù)如傳感器、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和智能化，提高了生產(chǎn)效率、降低了成本、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)字化工廠的出現(xiàn)為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了重要機(jī)遇。

數(shù)字化工廠的興起可以歸結(jié)為以下四點(diǎn)：

1.制造信息化的需求：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)對(duì)于信息化的需求日益增加，數(shù)字化工廠為滿足這一需求提供了解決方案。

2.并行工程的體現(xiàn)：數(shù)字化工廠允許工程建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)階段的信息并行運(yùn)作，從而提高了效率和準(zhǔn)確性。

3.虛擬制造的發(fā)展趨勢：數(shù)字化工廠通過在計(jì)算機(jī)模擬的環(huán)境中完成虛擬生產(chǎn)過程，為實(shí)際生產(chǎn)提供了準(zhǔn)備工作，反映了制造業(yè)發(fā)展的趨勢。

4.計(jì)算機(jī)輔助工程的高級(jí)階段：數(shù)字化工廠是計(jì)算機(jī)輔助工程發(fā)展的高級(jí)階段，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與制造工程相結(jié)合，推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展和升級(jí)。

三、數(shù)字化工廠建設(shè)的主要環(huán)節(jié)

數(shù)字化工廠建設(shè)主要涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃與生產(chǎn)執(zhí)行三大環(huán)節(jié)。

1.產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：利用數(shù)字化建模技術(shù)進(jìn)行三維建模是基礎(chǔ)。通過數(shù)字化建模，可以有效減少物理實(shí)體樣機(jī)制造和人員重復(fù)勞動(dòng)所產(chǎn)生的成本。同時(shí)，通過PDM/cPDM統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同研制和一體化設(shè)計(jì)。

2.生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)：工藝仿真是關(guān)鍵。利用虛擬仿真技術(shù)，對(duì)工廠的生產(chǎn)線布局、設(shè)備配置、生產(chǎn)制造工藝路徑等進(jìn)行預(yù)規(guī)劃，例如大眾汽車公司采用虛擬仿真工藝路徑規(guī)劃來提高生產(chǎn)效率。

3.生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)通。通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品屬性信息的同步更新，保證生產(chǎn)過程的順暢進(jìn)行。

四、基于BIM技術(shù)的數(shù)字化工廠建設(shè)解決方案

建立數(shù)字化工廠平臺(tái)，以三維模型為載體，將數(shù)字化交付的各階段數(shù)據(jù)整合并可視化地展示出來，從而構(gòu)建出與現(xiàn)實(shí)工廠完全一致的數(shù)字化模型。

在數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，整合基礎(chǔ)自動(dòng)化模型、過程控制模型、工藝參數(shù)模型，構(gòu)建與實(shí)際生產(chǎn)流程、設(shè)備和工藝一致的數(shù)字孿生模型。

進(jìn)一步，以數(shù)字化平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過信息交換獲取企業(yè)的生產(chǎn)管理（MES），能源管理（EMS），設(shè)備管理，物流管理等信息化系統(tǒng)的信息，采用不同的圖層和場景展現(xiàn)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，更直觀的協(xié)助公司各級(jí)調(diào)度管理人員及時(shí)掌控企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營信息，滿足公司各級(jí)管理人員需要。


Bentley 三維數(shù)字化工廠行業(yè)解決方案總體架構(gòu)

在三維數(shù)字化工廠平臺(tái)中，工廠的各個(gè)車間、設(shè)備、部件、管道、儀表、閥門等的運(yùn)行參數(shù)與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和綁定，可以實(shí)時(shí)查詢其設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。可以以圖層的形式管理不同類型的數(shù)據(jù)和BIM模型的顯示狀態(tài)，如專門顯示儀表信息的儀表層，同時(shí)還有人員層、設(shè)備層、巡檢層、報(bào)警層、監(jiān)控層、建筑層、管線層、物流層等。在不同的數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上，定制工廠的數(shù)字化運(yùn)維需求，如：工廠綜合展示、資產(chǎn)的透明化管理、智能設(shè)備運(yùn)維信息集成、全場物流調(diào)度管理、智能管網(wǎng)安全監(jiān)控管理、浸入式培訓(xùn)操作考核、應(yīng)急演練仿真、三維生產(chǎn)工藝監(jiān)控和模擬等。

方案詳情：Bentley 數(shù)字化工廠解決方案

五、基于BIM技術(shù)的數(shù)字化工廠建設(shè)案例

1、河北豐南臨港經(jīng)濟(jì)園供熱工程項(xiàng)目——唐山鍋爐廠BIM應(yīng)用

①工程概況

本項(xiàng)目為唐山市豐南區(qū)政府引進(jìn)的重點(diǎn)外資項(xiàng)目，采用工業(yè)余熱利用、屋頂光伏發(fā)電及天然氣應(yīng)急調(diào)峰等多種清潔能源利用方式，通過資源的多維尋優(yōu)、多能互補(bǔ)、智慧調(diào)度，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用、清潔高效的目標(biāo)。本項(xiàng)目計(jì)劃總投資人民幣6億元，覆蓋河北豐南經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)臨港經(jīng)濟(jì)園第二起步區(qū)、化工園、濱海小鎮(zhèn)，為轄區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)、居民及商業(yè)等用戶提供優(yōu)質(zhì)可靠的供熱供暖服務(wù)。



本項(xiàng)目一期規(guī)劃建設(shè)分布式能源主站1座、燃?xì)庹{(diào)壓站一座，DN800DN600的主干線熱水管網(wǎng)管槽長度約為7km，DN600DN300的主干線蒸汽管網(wǎng)長度約為15km。項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后可滿足面積約為301.83萬m2的供暖負(fù)荷，工業(yè)用蒸汽負(fù)荷約為283.5t/h。

②項(xiàng)目解決方案

應(yīng)用BIM技術(shù)，搭建符合項(xiàng)目編制依據(jù)的包含主體建筑的建筑、結(jié)構(gòu)以及機(jī)電等專業(yè)模型，并進(jìn)行模型深化，工程量統(tǒng)計(jì)，以及漫游渲染。

③模型及漫游展示


調(diào)度中心模型


消毒泵房模型


鍋爐房漫游

2、分布式能源集中供熱項(xiàng)目——松陽鍋爐BIM應(yīng)用

①項(xiàng)目概況

本工程為松陽縣分布式能源集中供熱項(xiàng)目一期工程，本次建設(shè)為一期鍋爐房，建筑面積1166.7m2，其中地上面積1005.2㎡，地下面積161.5㎡，占地面積為1005.2㎡。建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年。

圖片

一期建設(shè)1臺(tái)25T/h蒸汽鍋爐，最大供氣能力25T/h；二期根據(jù)實(shí)際需要再建設(shè)2臺(tái)25T/h蒸汽鍋爐，總共為3臺(tái)25T/h蒸汽鍋爐(2用1備)，最大供氣能力50T/h，鍋爐房燃料為天然氣，火災(zāi)危險(xiǎn)性類別為丁類廠房，耐火等級(jí)為地下一級(jí)，地上二級(jí)。

②項(xiàng)目解決方案

本工程BIM技術(shù)應(yīng)用包括：輕量化模型、BIM碰撞檢查、BIM機(jī)電優(yōu)化、BIM正向設(shè)計(jì)、渲染漫游。通過上述BIM技術(shù)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)并解決機(jī)電管線碰撞點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷及門、窗、設(shè)備洞口設(shè)計(jì)漏洞79處，為項(xiàng)目帶來了直接的經(jīng)濟(jì)效益，值得廣泛推廣與應(yīng)用。

③模型及漫游展示


輕量化模型應(yīng)用


除氧器節(jié)點(diǎn)模型


水泵節(jié)點(diǎn)模型


鍋爐房漫游