控制工程师如何协助快速的改变生产线能力？早已经使用PLM软件的用户声称，通过3D建模、过程仿真和模拟试车，可以提高技术能力。
2008年会是产品生命周期管理（PLM）软件可以满足控制工程师需求的关键之年吗？
三维建模和工作单元仿真，今天可以提供实实在在的好处。汽车原始设备制造商和航天公司正在追求更多的功能，并且驱使供应商也加入它们的行列。机器制造商和系统集成商则在探讨三维生产线仿真如何可以帮助赢得订单并且加快工作速度。但是那些资深用户想要的却更多，而小型公司希望只是采用一部分功能。所有的厂商都被要求更加具有柔性、更有效率，他们正在寻求具备此类功能的集成软件，PLM软件的供应商则在努力快速做出反应。
3D信息对于理解、修改以及确认流程非常有效。来源：西门子PLM软件
“PLM环境的目标是建立可以为多个领域的用户使用的模型和仿真，将3D信息转化成有效的沟通机制。” Giuliano Mendonca说道，他是Embraer的产品开发工程师。这是一家位于巴西圣保罗的商用、民用和军用飞行器制造商，公司使用达索系统的Catia V5产品建模软件，并且使用基于关系设计和装
PLM是一种战略商务方法，由多种软件进行支持，目标是实现协同创造、管理、分配以及分享产品数据，包括CAD/CAE（计算机辅助设计/工程）数据和制造数据。
“从软件的角度，使用CAD/CAE工具可以帮助确定要制造‘什么’。接下来，这会自动传递给制造执行系统（MES）来管理实际生产。PLM的主干解决方案可以提供这些工具和流程的整合和管理。” PLM解决方案方面咨询公司CIMdata的研究总监Ken Amann说道。
PLM最终起源于20世纪80年代为工程部门开发的产品数据管理（PDM）应用，但是它的范围现在已经演化成涵盖从产品设计到制造、维护、再设计的工作流和过程。流程建模和制造仿真是关键元素，因此昵称“数字制造”。
充满自信，应对挑战
这些工具和软件的好处在于，可以为生产线设计提供更大的柔性。西门子PLM软件Tecnomatix市场副总裁Alain Iung说：“我们拥有快速做出变革的能力，并且非常自信。”无论是对于生产的产品出现什么改变，引入新产品、子装配线上的任何出乎意料的变化、或者是持续改进的最佳实践，处理问题的能力都是关键。每一个手工任务和工作单元仿真和建模的单点解决方案，都可以使用机器人来实现。CAD系统可以提供设备模型、行为和自动单元的机械仿真。下一步就是从多个单元和模拟控制中集成数据，为PLM创造系统级别的方法。
“工厂仿真、物料流、如何优化厂房、物料应该如何正确的放在指定位置，所有这些都要弄清楚工厂才能有利可图。”Iung说：“基于仿真方法的单独解决方案是不够的，你可以进行完美的规划、设计完美的工作单元和产品，但是你还是需要看到系统未来会有什么变化。客户对于更好的产品信息捕捉和流程重用这类的东西总是很感兴趣，只有使用集成的解决方案才可能让他们满意。”
位于底特律的北美Kuka系统公司，是Kuka集团的系统整合部门，它了解变化的情况以及对于柔性的需要。公司的客户主要在汽车、航空和其他生产－转化类的行业。公司的工程总监Jim Pacyga说：“我们有1000项工作，可能每年只能做50个。现在的工程情况是，在我们设计流程的时候，人们也在设计产品。我们所需要的工具必须能使这些流程同时进行。事实上，在赢得订单之前，我们需要在流程确认阶段之前弄明白OEM厂商的情况。”
Kuka的开发工程师团队在一起审视其他行业的最佳实践，寻找已被证实的和新的技术，并且提出流程模型。Pacyga说：“我们的内部流程已经可以使我们非常高效，但是3D建模和仿真工具还可以让事情进行的更快。我们使用工具突破极限。”
Kuka的工程师使用Tecnomatix过程设计软件和过程仿真软件来创建克莱斯勒白车身工厂运营的（如下图）的虚拟系统显示（如右图）。来源：Kuka系统北美公司
Kuka系统使用西门子的Tecnomatix过程设计软件和过程仿真软件，创建了叫做虚拟系统或者VSR的三维系统模式。Kuka的高级过程计划专家Dennis Capa说，在汽车工业工作意味着“我们必须在生产线上为汽车计划第四个模型，即便产品设计师们也不知道这个模型是什么样子。”
当新项目开始的时候，Kuka的工程师不必一定要画草图。“Kuka对于开发原代码很在行，再购买通讯软件，或者翻译其他工程软件。这可以让Kuka利 用我们工厂里当前的信息以及之前工作里的历史数据，” Capa说,“我们也访问不同供应商的网站，下载可以获取的数据（模型）信息，这样这些就不需再次创建。由于最近技术的飞速发展，可以获得的信息非常多，我们的工作就是找到数据然后高效使用。”
对于用户来说，集成性更好的PLM软件将会减少对定制转换器和网络搜索的需求。达索系统和罗克韦尔自动化宣称，在去年下半年，他们试图将Delmia自动化PLM软件和罗克韦尔RS Logix集成。罗克韦尔的Martin Canell说，他们的客户已经做好了集成的准备。“这并没有什么新的东西，他们正在（或者已经）建立他们自己的工作流和标准运行流程。我们要做的就是真正的完成这些工作，帮助构建真实的系统，使他们可以以软件的架构进行管理，并且从信息之中获得收益。”
如何为柔性做计划
一项由Aberdeen集团在2007年11月发布的报告，显示了最优秀的制造商是如何使用数字制造工具和技术，以及这些成功的经验如何才能适应其他厂商。“在改善制造计划的时候，公司都非常看重性能框架”，研究和服务总监Chad Jackson说，“先进和后进的区别在于，先进者使用并行产
并行开发在产品设计阶段考虑制造过程计划。“这种方法使公司能够在产品设计周期的早期，通过与产品工程师、制造工程师以及制造人员在协同的环境下合作，分享知识，以验证制造能力并开发生产流程。这样做的结果是，设计工作完成的更加迅速、效率更高，产量增加，同时产品推向市场的时间也缩短了”，Jackson说。
通用汽车就是这样一家优秀公司，它正在“越来越多的依赖数字过程模型，用于启动流程和制造执行”，GME IS&S制造工程总监Richard Woodhead如是说。他的团队负责通用汽车全球的IT基础设施。这些基础设施非常重要，帮助制造工程师独立工作，在全球11座设计中心、13家工程中心和超过160个工厂中进行最佳实践。
在Delmia全球客户会议的一场演讲中，Woodhead说：“很多自动化厂商正在对它们的流程进行根本性的重新设计。过去的七八年中，我们已经取得了巨大的进步。我们曾经使用二维的绘图环境，需要大量的人工，把数据放在抽屉或者当地的文件系统中进行管理。现在，我们已经取消了一切手工绘图的工程，绝大部分纸质和制造清单也不再需要。”
Woodhead认为这是“我们商务流程的根本性变革”，是“那些努力推动数字化制造的全球副总裁们奋斗”的结果。他说，通用汽车需要全球统一的多供应商架构和应用计划，以满足各个地区的需要。所以这也意味着，除了与达索系统合作之外，通用汽车同样也使用西门子/UGS解决方案。
“我们开始于产品工程，然后是制造工程。现在我们的数据库和可视架构已经深入到工厂，当然还有IT/网络架构”，Woodhead说：“制造工程的环境要比产品工程负责，这就要求我们有多个合作伙伴，他们应该是业内最优秀的。一个重要的问题是，可以无缝集成吗？”
答案是肯定的。Woodhead和其他专家都认为回报十分丰厚。虚拟的三维环境帮助通用汽车：
■ 创建系统的数字虚拟评估，保证产品和过程设计可以满足通用汽车的制造要求；
■ 首先进行数字制造，这样就不再需要多次生产实际的元件、汽车、刀具或者装配流程；
■ 不需要在生产过程中调整；以及
■ 分享指定工厂人员的经验，而不需要额外的旅行。
“我们已经创建了虚拟评估实验室，在那里来自工厂的团队可以进行数字设计评审，而制造团队可以使用数字制造工具和信息来确认他们的工作”，Woodhead说：“两三年前，在某个项目启动之前，我们都要飞到现场几十甚至上百人。虚拟技术已经帮助我们进行了巨大转变，现在我们的核心流程已经有超过90％由人工变为数字化。”
我们的转变现在正转向机器的虚拟试车。Woodhead说：“使用虚拟控制和试车，我们的机会巨大。很骄傲的是，我们可以验证软件中的控制逻辑，不需要运行机器流程就将PLC和HMI整合。”
虚拟试车
机器的虚拟试车是建模软件的重要目标，一部分原因是它连接了制造的不同领域。“在美国，设计工程师拥有的权力最大，”Delmia副总裁Peter Schmidt说：“如果他们说改变产品，那么生产线也要改变。在日本，则是制造部门权力更大。他们会说，‘向我证明设计的改变不会影响生产，这样的话我才让你做’。虚拟试车就解决了这个问题。”
在去年出版的生产工程期刊的一篇论文中，作者Gunther Reinhart和Georg Wünsch探讨了面向机电生产系统虚拟试车的经济应用。文章中，他们谈到：“像虚拟试车这样的方法，目标是既能够驱动控制软件工程，还能够在生产设备设计过程的早期执行重要任务。”作者分析了虚拟试车的技术和经济可升级能 力，还提供了可升级模拟环境的技术概念。
达索系统Delmia 解决方案工程咨询师Valérie Duclair说，在对控制应用进行测试、除错保证系统运行的时候，控制工程师经常要扮演重要的角色。有时，他们无法保证生产按时启动，也无法保证生产表现尽如人意。她补充说，误差的风险和反应时间，对于产量和利润非常重要。
Delmia V5自动化软件和Delmia PLM描述软件，使虚拟试车在今天成为现实。智能设备构建模块可以允许控制工程师“建立并确认机电智能设备的数据库，掌握虚拟试车的知识，以提高生产率，” Duclair说：“它帮助人们为虚拟环境做好准备，在工厂进行实际集成的几周之前就对其进行除错和确认。”她说软件可以帮助用户：
■ 在虚拟环境下对PLC代码进行除错和确认；
■ 通过模拟失效，比如传感器故障、机械失效、紧急停机和电子关机，来确认所有假定反应方案在真实情况下的表现；
■ 改进生产表现；以及可以与市场上的任何型号PLC兼容，包括罗克韦尔自动化、三菱电机、欧姆龙、施耐德电气和西门子的产品。
虚拟试车已经可以和个人自动工作单元协作的很好，但是与多单元的机械和电子控制系统在
西门子正在与客户合作，在“Project Archimedes”项目下开发虚拟试车和其他PLM“使用案例”。达索系统和罗克韦尔自动化协作，承诺在上半年取得重要的成果，尽管两家公司并没有说明将会开发出哪些特殊功能。
在通用汽车，Woodhead说，全方面集成—包括虚拟试车系统与MES系统的集成—仍然还是一个挑战。他的公司正在努力进行生命周期特征管理，从设计到生产，从焊接再到数字设计的最大可能重用。
“我们需要更好的利用PDM（产品数据管理），问询和可视化系统可以帮助工程师快速找到相关数据并把它们融入其中，”他说。通用汽车也在寻找数字数据的增值使用和维护。“比如，我们将焊接数据传送到工厂底层，但是我们却要和流程磋商更新工厂的数据。”
Kuka系统控制项目经理Rod Brown说，他们正在寻找一套在仿真中已证实的细节运营工序，包括多模型、循环次数、产量等等。我们也看到不同的工具在帮助自动从仿真中获取信息，比如汽缸内径和冲程，这些都可以帮助硬件设计工程师。
供应商认为用户也在追寻软件中更多的智能，包括直接安装在模拟器上的所有设备。他们希望在计算机上模拟PLC程序和人机界面；希望具备在虚拟环境下将IO与信号数据匹配的能力；希望所有的项目数据汇集在一处，这样可以方便的管理电子和机械数据以及工作流；希望面向制造建模、更精确的仿真以及针对特别环境提前制定工作流；他们还希望软件的单价可以降下来。
但是要实现所有这些希望，用户今天都必要进行投资—一个并不太大的内部改动也许就需要全员的努力。驱动也许来自三维的视频游戏和网上的虚拟世界，也可能来自需要更快做出变化的竞争压力：因为越来越多的制造商正在认识到PLM软件的优势，希望应用这些软件来提高生产线的设计柔性。
“并行”提高柔性
Aberdeen集团2007年11月的报告“数字制造计划—产品和流程的并行开发”，对于使用产品开发驱动来提高制造计划和生产线设计柔性，给出了下列建议。报告鼓励公司投入并行工程，通过：
■ 制造材料清单（mBOM）：最优秀的公司在设计阶段并行开发mBOM 和工程材料清单（eBOM），整个流程都被压缩了。在工程PDM系统中创建mBOM ，可以简化变更。
■ 工厂、生产线和工作单元设计：最优秀的公司不会等到设计结束之后，才开始规划工厂。他们会开始的更早，节约项目的时间。并且，通过集中管理和控制工厂计划，你可以更容易跟踪产品变更。
■ 工作指导，通过增加3D：最优秀的公司更喜欢建立基于三维的文档，或者在他们的文档中嵌入三维。这不仅提升了这些工程资产的价值，还使得压缩开发中制造计划阶段变得更容易。最后，他们实行集中管理和控制，可以更容易的跟上产品变化的速度。
■ 自动编程：在设计发布之前开始编程，对其结果进行集中管理。不仅是离线编程自动化，还要通过虚拟自动试车确认运行。
在如下网址阅读完整报告www.aberdeen.com/c/FP/ASP/benchmark/4203-RA-digital-manufacturing-planning.asp
-逐步实现虚拟试车
Delmia V5自动化软件和Delmia PLM显示软件使自动工作单元的虚拟试车变成现实，包括下列方面：
1. 从自动仿真/工作单元构建器（RSU/WBU）软件包中获取确认过的工作单元，为每一台机械设备（智能设备）生成内部逻辑（IL）；
2. 整合与PLC相关 的其他智能设备（控制设备），确定工作单元线缆；
3. 可选：确定控制次序并确认工作单元行为；
4. 确定与PLC连接的IO；
5. 确认PLC标准模式；
6. 确认所有的假想反应方案。
