🚀前言

在数字化浪潮席卷全球的今天，智能制造已成为各行各业转型升级的必经之路。作为工业4.0的重要组成部分，数字孪生技术的迅速发展，为制造业带来了前所未有的机遇与挑战。通过创建虚拟模型与实际物理系统之间的实时映射，数字孪生不仅能够实现对生产过程的全面监控与优化，还能在产品设计、生产调度和运维管理等方面提供深刻的洞察和支持。

本期文章将以“数字孪生打造电子电器智能制造工厂”为案例，深入探讨这一前沿技术在电子电器制造领域的应用场景与实践经验。我们将分析如何通过数字孪生实现生产效率的提升、资源的优化配置以及产品质量的保障，助力企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

🚀一、案例：数字孪生打造电子电器智能制造工厂

🔎1.行业背景

随着时代的变迁，电子电器产业逐渐成为国家和地区经济发展的重要支柱。电子电器产品具备高技术、高附加值和高创新性的特点，能够为经济增长提供坚实基础。同时，随着人们生活水平的提升和消费需求的增加，电子电器产品的市场需求持续扩大，给产业带来了广阔的发展空间。

在这一过程中，数字孪生技术的应用日益广泛。数字孪生技术能帮助企业实现生产的数字化、智能化和自动化，提升生产效率和产品质量，降低生产成本。同时，通过虚拟化的生产流程和实验环境，数字孪生能够提前发现潜在问题和风险，节省时间和资源，增强企业的竞争力。

此外，数字孪生还可以实现产品的智能化管理，提升产品体验和用户满意度，诸如智能家居、智能穿戴和智能医疗等创新产品，都是数字孪生技术应用的典型案例。

🔎2.项目说明

某电子电器(天津)有限公司，是一家大型合资企业，专注于空调机、微波炉、吸尘器、压缩机和电机等产品的生产与销售。公司经过多年发展，已成为全球范围内的跨国公司，科研、生产和服务网络遍布全球。

目前，公司已经初步实现了生产现代化和智能化，完成了工业4.0升级改造，涵盖了SRM、PLM、ERP、CRM、MES、WMS、APS等多个智能管理系统，涉及物料采购、产品设计、生产管理等领域。

企业领导希望引入先进技术，建立一套可视化监控系统。通过数字化手段，将企业资产、生产流程、设备和人员信息整合到平台上，并进行可视化监控和管理。具体功能包括：

• 通过传感器采集设备数据，如开关状态、运行时间和效率。
• 利用三维可视化系统实时展示数据，供领导和业务人员查看。
• 模拟生产线运行状态，帮助优化生产管理。
• 通过图表形式展示设备效率、能耗、员工考勤等，全面反映企业运营情况。

🔎3.行业特点

电子电器制造行业的特点如下：

1. 离散型制造：具有多种生产模式（批量制造、多品种小批量、单件生产），生产过程中频繁切换模式，操作繁琐且错误代价高。
2. 订单驱动：以订单和合同为核心，生产流程紧密围绕订单需求展开，质量、价格、性能、交货期、售后服务成为竞争的关键。
3. 多种行业标准：行业内存在ISO、QS、欧标、美标等多种标准，各环节监管严格。
4. 产品生命周期短：技术和产品创新频繁，导致产品生命周期短。
5. 生产过程不连续：生产任务被分解为多个加工任务，生产周期短且容易出现改单、插单的情况。
6. 零部件复杂性：产品零部件繁多，型号复杂，要求高配套性。
7. 高质量要求：电子电器产品对质量的要求极高。
8. 追溯性要求：需要追踪原材料来源、生产过程信息，甚至通过序列号追踪每个产品。
9. 供应链管理难度大：供应商众多，原材料分类管理复杂。
10. 生产计划复杂：需考虑材料可替代性、成本、库存、补货周期等因素，生产计划制定繁琐。
11. 小批量多样化：产品种类多，批量小，返工频繁，难以进行准确的成本核算。

鉴于这些特点，电子电器行业要求在研发到生产的整个过程中实现快速响应，并缩短产品开发周期，以便在激烈的市场竞争中脱颖而出。

🔎4.项目需求

🦋4.1 打造数字孪生工厂

数字孪生工厂是实现智能制造的重要手段。它通过三维可视化展示生产空间和流程，帮助企业更好地掌握生产状况并提升效率。具体需求如下：

• 建设数字孪生工厂：包括车间、生产线、设备、物料等物理空间和元素，构建完整的数字孪生环境。
• 三维可视化展示：利用虚拟现实技术对生产环节进行三维可视化，增强对生产流程的理解和掌控。
• 物联网监控：通过物联网技术，实时监控车间、生产环节、物料流动等，及时获取生产状态数据，提高生产效率。

🦋4.2 生产管理系统数据与设备数字孪生

数字孪生工厂需与生产管理系统对接，并将其与智能设备及传感器连接，形成实时的数据采集与汇聚网络。相关数据包括：

• 设备数据：运行时间、温度、压力、湿度、电力消耗等。
• 生产管理数据：生产线、工位、工作内容、员工信息等。
• 通过可视化监管系统，将上述数据实时展现，便于全面监控和分析。

🦋4.3 数据多形式可视化监管

数字孪生工厂需要对数据进行多维度的可视化展示，帮助管理者实时分析生产过程。常见的可视化方式包括：

• 设备运行效率：通过折线图展示设备的运行效率，帮助管理者判断设备是否达标，并做出调整。
• 设备能耗情况：通过柱状图显示设备的能耗情况，便于对比不同设备的能耗，并进行优化管理。
• 员工考勤状态：利用智能识别技术实时记录员工到岗、离岗、请假等信息，并通过透明展示，确保员工按时出勤。

通过这些可视化数据，企业能够直观了解生产全貌，优化管理决策。

🦋4.4 生产流程的模拟与优化

数字孪生技术可以创建虚拟实验室，对生产流程进行模拟，并在演练过程中不断优化，以达到最佳生产效率和质量。通过比较历史数据和新数据，企业能够：

• 评估生产效率：分析流程中的瓶颈和提升空间。
• 优化产品质量：通过数据分析，改进生产流程和产品质量。

这些虚拟模拟和数据分析将帮助企业优化生产决策，减少实际生产中的错误和浪费。

🦋4.5 工厂重点区域及亮点内容三维可视化展示

通过数字孪生技术，企业可以全景展示各个生产空间，使客户直观了解生产环境及流程。具体展示内容包括：

• 生产流程和产品展示：通过三维可视化技术展现企业产品和生产流程，帮助客户更好地了解企业实力和生产能力。
• 品牌形象和文化展示：通过展示过往的生产总结和员工活动，向客户传递公司的品牌文化和企业价值。
• 明星产品虚拟化展示：利用虚拟现实技术展示公司明星产品的特点和优势，提高客户的购买意愿和品牌忠诚度。

通过这一全方位的虚拟展示，企业不仅能提高客户的信任感，还能增加市场竞争力。

🔎5.设计思路

本项目旨在开发一套智能工厂3D数字孪生可视化及数据采集展示系统，实现对工厂多个生产管理领域的三维可视化管理。该系统涵盖了生产运营、资材管理、生产管控、硬件设备、品质管控、仓储运输等方面的监控与展示。智能工厂系统架构如图5-2所示。

🦋5.1 打造数字工厂李生体

通过三维建模工具对工厂的各个空间进行3D渲染建模，实现多种展示功能，具体包括：

• 参观空间及路线展示：使用三维建模工具精准建模工厂的车间、办公区、仓库等区域，参观者可以通过虚拟现实设备或实时三维展示界面参观工厂，了解布局、设备和生产流程。

• 标杆产品生产运营总览：将标杆产品的生产过程进行三维建模，并展示每个生产环节的状态、生产效率、工艺参数等关键信息。管理者可以查看实时生产进度、产能利用率等指标，调整展示的时间范围，以获得详细数据。

• 生产进度和生产达成展示：基于实时生产数据，利用三维建模展示生产进度和目标达成情况。通过预警信息和推送，帮助管理者及时识别问题，调整生产计划，确保生产目标达成。

• 品质管控展示：利用三维建模展示品质控制的关键指标和流程，如不同批次的品质数据和不良品率等。通过实时数据展示和预警推送，确保质量问题得到及时处理。

• Loss数据的实时展示：将生产过程中的Loss数据（如能源消耗、人力投入等）进行三维可视化，帮助管理者识别资源浪费点，优化生产效率和节约资源。

• 相关数据统计与查询：系统支持多维度的数据统计和查询。用户可以选择不同指标（如产量、设备利用率、品质数据等）进行深入查询，并生成图表和报告，辅助决策分析。

🦋5.2 线上孪生展示

线上孪生展示通过整合生产管理系统数据和硬件设备数据，模拟和展示生产过程。这一展示形式能帮助企业实时监测生产状态、分析潜在问题，并根据数据做出决策。流程包括以下五个步骤：

1. 数据采集：从生产管理系统获取生产数据（如订单信息、设备状态、生产进度、质量指标等），同时通过硬件设备上的传感器采集温度、压力、湿度等实时数据。

2. 数据整合：将来自生产管理系统和硬件设备的数据进行整合处理，形成一个综合的数据集，便于进一步分析和建模。

3. 建模与仿真：利用整合后的数据集，创建一个虚拟的生产过程模型。该模型应能够实时反映实际生产线情况，并根据实时数据进行调整，确保反映真实的生产过程。

4. 可视化展示：将虚拟生产过程模型以图形化或可视化的形式展示，例如通过仪表盘、图表、动画等形式，清晰呈现生产状态、关键指标和潜在问题。

5. 实时监测与分析：通过线上孪生展示，企业可以实时监控生产过程中的关键指标和状态。借助数据分析技术，识别异常情况，提供预警和改进建议，确保生产运行的高效性和稳定性。

🔎6.功能展示

🦋6.1 数字工厂驾驶舱

数字工厂驾驶舱（见图5-4）是一个集成数据展示与实时监控的核心工具，其关键功能包括：

• 数据汇聚与整合：汇集生产过程中的各种数据（传感器数据、设备数据、工艺参数等），通过统一数据平台进行整合与分析，提供全面的生产过程视图。

• 孪生展示：通过数字孪生技术，将实际生产过程和设备状态等信息进行实时模拟和展示，使管理者能够在虚拟环境中观察和分析生产过程的状态、变化与潜在问题。

• 实时监控与警报：实时监控生产过程中的关键指标与状态，系统基于预设规则和阈值，发出警报和通知，帮助管理者及时响应和调整。

• 模拟与优化：通过数字孪生模型进行仿真和优化实验，探索更好的生产方案和决策，提升生产效率、优化资源利用并降低风险。

• 数据分析与决策支持：提供数据分析与决策支持功能，帮助管理者从海量数据中提取有价值的信息，以仪表盘、报表、图表等形式展示，辅助决策。

🦋6.2 SMD生产管理驾驶舱

为满足SMD（表面贴装技术）生产的需求，构建了SMD生产管理驾驶舱（见图5-5~图5-8），其功能包括：

• 虚拟生产线体：根据SMD产线布局、生产流程和工艺设计，打造线上虚拟生产线，满足工厂的实际生产需求。

• 系统联动与数据对接：通过对接SMD生产管理系统和设备边缘网关，实时获取生产与设备数据，实现远程监控与管理，提升生产效率与质量。

• 持续优化与改进：不断优化和完善SMD生产驾驶舱，以适应生产需求变化，提高生产效率，确保产品质量。

🦋6.3 产品制造管理驾驶舱

产品制造管理驾驶舱（见图5-9~图5-10）的核心功能包括：

• 虚拟生产线与空间体：根据实际工厂布局与生产流程构建虚拟的产品制造空间数字孪生体，帮助管理者更好地掌握生产过程。

• 实时数据与系统联动：对接生产管理系统和设备边缘网关，实时获取生产数据和设备状态，实现自动化控制，优化生产效率。

• 数字孪生与虚拟模拟：通过数字孪生技术，实现虚拟模拟，帮助管理者更加深入了解生产过程，提高生产效率。

🦋6.4 产品包装管理驾驶舱

产品包装管理驾驶舱（见图5-11~图5-12）关键功能如下：

• 虚拟包装生产线体：根据产品包装线布局、流程与工艺设计，打造线上虚拟包装生产线，确保实时监控与数据反馈。

• 系统联动与智能分析：与生产管理系统、设备边缘网关对接，实时获取包装数据，实现智能分析与改进建议，提高生产效率与包装质量。

• 提高生产效率：通过数字孪生体监控和分析，优化生产过程，提升企业效益。

🦋6.5 资材管理驾驶舱

资材管理驾驶舱（见图5-13~图5-14）的功能特点包括：

• 虚拟管理空间体：构建线上虚拟资材管理空间，帮助管理者实时监控和管理资材的采购、存储、使用等环节。

• 数据联动与高效管理：通过与资材管理系统和设备边缘网关的对接，实现数据联动，提升资材管理效率与质量。

• 优化生产需求：帮助企业更好地管理和调配资材，满足生产需求，提升供应链效率。

🦋6.6 产品展示驾驶舱

线上产品展示驾驶舱（见图5-15~图5-16）有助于更好地展示公司产品信息，其功能包括：

• 产品信息展示：提供产品的图片、描述、价格等信息，帮助客户更清晰地了解产品。

• 客户需求匹配：允许客户按价格、品牌、功能等维度筛选产品，满足不同客户的个性化需求。

• 提升销售业绩：通过全面展示产品信息，提高客户的购买意愿，从而推动销售增长。

🦋6.7 仓储管理驾驶舱

仓储管理驾驶舱（见图5-17）的核心功能包括：

• 线上仓储管理孪生空间：通过数字孪生技术建立虚拟仓储管理空间，提升仓库管理效率。

• 库存与出入库管理：帮助管理者实时掌控仓库库存、进出库情况，生成质量、安全、成本、配送等报表，支持库存分析。

• 提升展示能力：为管理者提供直观的仓储展示，帮助更有效地管理仓储过程。

🦋6.8 多媒体休息空间驾驶舱

为员工打造舒适的多媒体休息空间（见图5-18~图5-19），其功能包括：

• 设备远程管控与展示：通过数字孪生技术实现对电视、投影仪、音响等设备的远程监控、管控与展示，提升员工的休息体验。

• 保障安全与舒适：提供一个更加安全、舒适的休息空间，提升员工的工作满意度与幸福感。

🦋6.9 虚拟生产管理

虚拟生产管理通过数字孪生技术构建了一个模拟生产环境（见图5-20），其主要功能包括：

• 3D建模与流程模拟：通过3D建模与流程模拟对生产空间、设备与环境进行仿真，帮助管理者优化生产流程。

• 系统对接与无缝协作：与生产管理系统和设备管理系统对接，创建多维度的生产环节、设备和流程模型，便于进行数据驱动的决策。

• 虚拟实验室与优化：借助虚拟实验室模拟生产管理过程，优化生产参数控制，提高生产效率和质量。

🔎7.应用成效

数字孪生技术通过对工厂内各物理空间、生产设备、运输设备等进行三维建模，复原生产工段、重要设备、运转流程等，带来了显著的应用成效。具体包括：

• 实时展示与监控：数字孪生不仅能实时展示工厂的生产状态、质检状态、包装状态，还能精准展示各类产品的生产过程，以及工厂的多元企业文化。

• 生产过程透明化：通过与生产管理、设备管理等系统对接，实时反映生产过程、生产进度、设备运行等信息。当设备出现异常（如故障、短路冲击、过载、过温等）时，系统会立即发出警报，帮助管理者直观掌握设备运行状态，迅速发现故障并进行抢修，最大程度减少生产中断时间。

• 质量管控与追溯：系统集成了各质量检测系统的数据，对进料、在制、成品、发货等环节进行全程监控，辅助生产质量的纠正和追溯，确保产品质量。

• 车间管理与生产进度把控：支持车间点选查看功能，管理者可以详细查看当前车间的在岗工人、订单数据等，实时掌握生产数据、把握生产进度，从而有效降低运营成本，提高生产效率。

🔎8.实施过程

数字孪生工厂项目的实施过程可以分为以下几个主要环节：

🦋8.1 需求分析与确定

• 目标：深入分析和研究工厂的需求，了解其物理空间结构、项目建设目标、范围、应用场景、功能需求等，以确保项目的可行性和有效性。
• 行动：根据需求分析结果，明确数字孪生工厂的实施方案、目标和计划，为后续实施提供清晰的方向。

🦋8.2 数字孪生模型构建

• 目标：数字孪生模型是项目的核心内容，它作为虚拟载体，帮助展现数字工厂与数据之间的关系。
• 行动：根据数据采集情况，构建真实、准确、复杂的数字孪生模型，选择合适的建模技术，确保模型能够全面反映工厂的实际情况。

🦋8.3 数据采集与整合

• 目标：采集并整合工厂的各类生产数据，为数字孪生系统提供数据支持。
• 行动：需要对生产单元系统和设备数据进行全面采集和整合，确保数据的完整性和准确性，同时考虑数据的质量、安全性和存储要求。

🦋8.4 算法模型设计与集成

• 目标：设计适用于数字孪生工厂的数据分析与预测算法，精确描述生产过程。
• 行动：选择合适的算法模型，进行集成，并利用该模型进行数据分析、预测建模，为数字孪生模型的评价提供支持。

🦋8.5 系统实施与应用

• 目标：实现数字孪生工厂的系统集成、开发和应用，确保其可操作性和长期稳定性。
• 行动：进行系统的开发、集成和实施，配备技术和管理人员负责维护，确保系统的可靠性和稳定性。