数字孪生智能工厂总体结构、技术架构、MES+ERP建设方案

数字孪生智能工厂（总体结构、技术架构、MES+ERP）建设方案建设背景PART

01高度离散制造企业的困局

在新一轮科技革命和产业变革的大背景下，以数字化、网络化、智能化为特点的智能制造已成为未来发展趋势。高度离散型制造企业，这种制造模式分散且独立，需要大量的人力物力予以配合，才能完成

产品的生产制造。随着人工成本的提高，机械制

造行业的深度发展，这种制造模式显然不能满足

企业高质量的发展需求。为破解这一困局，积极

借助信息化时代的优势，导入智能制造模式，优化运行系统，提升设备生产制造能力，积极应对

工程机械企业多品种、高效率、高质量、低成本方面的压力与挑战工业4.0与中国制造2025在新一轮科技革命和产业变革的大背景下，以数字化、网络化、智能化为特点的智能制造已成为未来发展趋势。“中国制造

2025”、“德国工业

4.0”、“美国工业互联

网”等制造业国家战略，均旨在构建自身的智能制造体系，特

别是新一代信息技术与制造业的深度融合，以促进制造模式、

生产组织方式和产业形态的深刻变革，改变全球制造业的发展格局。自“中国制造2025”国家制造强国战略发布后，国家又连

续出台“互联网+”、绿色制造、工业强基、智能制造、服务

性制造、智能硬件等相关产业政策，为产业发展、制造企业转型升级提供了明确的路径指导，宽松的环境和优厚的政策支持。p工业基础：工业2.0、3.0、工业4.0p发展背景：在工业化进程中融合发展信息化

p目标：由制造大国逐步发展为制造强国

p政府主导发展政策规划

p基本是政府搭台、研究院所唱戏，企业跟随

p强调智能制造国家智能制造标准体系建设指南建设目标重要意义明确路径1、实现智能制造技术引领和创新驱动；2、是智能制造实现互联互通的必要条件；3、是产品、装备、生产管理等实现智能化的技术保障；4、是促进我国制造业参与竞争国际制高点的重要手段。2021年11月份颁布《国家智能制造标准体系建设指南》1、确定了标准化建设的总体目标及建设路径；2、明确了标准化所涉及的领域，并划分体系；3、对主要核心标准的建设目标给出了定性的指导；4、从组织、人才、合作等方面提供了保障措施。智能工厂规划PART

02智能工厂定义智能工厂是一种赛博(cyber)物理深度融合的生产系统，它通过数字孪生、CPS等的设计与实施，进行工业4.0的横向集成、纵向集成和端到端集成的3大集成，实现制造系统构成可定义、可组合，制造工艺流程可配置、可验证，从而在个性化生产任务驱动下，可自主重构生产过程和场景，构建出高效、节能、绿色、环保、舒适的个性化工厂，降低生产系统组织难度，提高制造效率及产品质量。智能工厂具有自主能力，可采集、分析、判断、规划；通过整体可视技术进行推理预测，利用仿真及多媒体技术，将实境扩增展示设计与制造过程，系统中各组成部分可自行组成最佳体系结构，具备协调、重组及扩充特性，具备自我学习、自行维护能力。智能工厂是数字化工厂的升级，又是智能制造的载体制造设备、系统的实时运

智能状态感知准确感知企业、车间、行状态实时分析对获取的实时运行状态数据进行快速、准确的加工、识别、处理等自主决策按照数据分析的结果，按照设定的规则，自动做出判断和选择精准执行执行决策，对设备状态、车间和生产线的计划做出调整智能工厂总体结构智能工厂总体结构图智能工厂技术架构设计智能工厂总体结构图智能工厂建设核心要素建设数字化工厂产品模型基于三维建模的产品设计★

数字化是实现智能化的前提与条件，数字化集成了产品数据、生产过程和工厂建模的数据库，通过可视化、仿真分析以及文档管理，提高产品质量，缩短产品的设计及生产周期。★ 产品数字化模型是产品仿真分析的基础，是生产制造、工艺加工路线和工艺过程的条件。建设企业知识数据中心实时数据联通的生产执行★ 企业可以借此契机对已有的历史数据进行梳理，沉淀有价值的知识，去除冗余、不规范的数据，把以往的设计知识和经验更好地管理与共享，指导以后的设计和生产工作的开展。数据标准化整理包含图纸模板、BOM、各类项目文档模板、企业标准、业务流程等。建设数字孪生模型工艺仿真使能的生产规划★

从产品设计、生产环节建模，在计算机虚拟空间中实现产品设计、生产加工、装配校验以及废品回收等全生命周期模拟仿真过程，从而通过数字孪生代替样机制造。以此来提供设计质量和提供生产效率，使企业利益最大化，提高市场竞争力。核心功能：基于三维仿真的数字化规划

基于三维仿真的数字化规划ü 通过对整个生产工艺流程建模，在虚拟场景中试生产，优化规划方案。ü 在规划层面的仿真模型实验过程中实现产能分析与评估，通过预测未来可能的市场需求，动态模拟厂房生产系统的响应能力；ü

在装配计划层面的仿真模型中，通过仿真实验进行节拍平衡分析与优化，规划最优的装配任务和资源配置核心功能：基于三维仿真的数字化规划

实现虚拟设计辅助优化决策便于系统展示在项目实施之前：依据设计、装备、工艺等数据模型，对产品未来的制造、乃至全生命周期的过程进行虚拟仿真，达成对未来生产过程的预测、评价、工艺、时序、交期、成本、能耗及人工等进行精准的分析与改进，并完成产线布局及信息化模拟，在项目实施之前即对方案做出最优化的决策。项目投产之后：将实际生产过程的大数据导入虚拟仿真系统，通过优化的控制方案及经验累积，不断地加快研发进度、提升产品质量及生产效率、降低生产成本及能耗、增强企业管理决策与生产控制水平。实际制造过程中：虚拟仿真系统通过与实际工厂生产过程数据的交互，可展示产品制造流程的全方位、多角度、无限接近真实工况的各项信息，以展现生产过程的透明度、提升对企业先进制造能力的可信度。虚拟

仿真核心功能：工业物联网与智能产线

工业物联网与智能产线ü 利用智能装备实现生产过程自动化、机器换人，提升生产效率；同时搭建工业生产物联网，通过网络连入机台，实现机台的生产信息采集、机台互联，以及

自动控制与数据传输，使机台使用率最大化核心功能：工业物联网与智能产线

ü

基于物联网平台集成的现场

设备数据、生产管理数据和外部数据，运用机器

学习、

人工智能等大数据分析与挖

掘技术，建立产品、工艺、设备、产线等数字

化模型，

提供生产工艺与流程优化、

设备预测性维护、智能排产等新型工业应用。工业物联网与智能产线工业生产物联网应用结构核心功能：MES和ERP无缝集成ü

集成

MES

系统与

ERP

系统，实现了客户订单

下达到生产制造、产品交付以及售后追踪的全流

程信息化，实现了生产制造现场与客户的实时交

互。客户的个性化需求可以第一时间到达计划、

制造、商务等相关部门，制造人员就能直接按照

客户的要求进行快速生产和交付，客户也可以随时了解所购买设备的生产进度。ü

生产现场以MES

系统为主线，辅助智能派工、

现场LED

看板等可视化信

息，集成化计划/物流/质量等控制系统，从生产计划下达、物料配送、

作业标准查询、质量管理等维度进行在线管控，

实现了人员、资源实时调度，生产制造现

场与生产管控中心的实时交互MES系统结构图核心功能：公共资源精细化管理公共资源定位系统ü

公共资源定位系统是智能工厂的一个重要支撑。公共制造资源定位平台融合不同的定位方式并满足不同的业务需求的同时，实现基础设施的共用，达到减少重复建设、提高基础设施利用率的目的。ü

通过物联网技术实现对在制品、叉车、人员、设备资源的实时定位、追

踪与监控；ü

实时获取物料和运输工具的状态和位置等信息，并可以通过对这些信息

的分析实现对物料的高效调度；ü

综合运用

WSN、RFID

和

GPS

等多种定位技术，满足不同制造资源的定位需求。核心功能：智能化立体仓库和物流运输系统ü

智能化立体仓库和物流运输系统实现泵车、拖泵、车载泵装配线及部装线所需物料的暂存、拣选、配盘功能，并与AGV

配套实现工位物料自动配送至各个工位。ü

仓储模式采用自动化立体仓库存储（主要储存中小件为主）+垂直升降库存储（主要储存小件为主）+平面仓库储存（主要储存大件等其他特殊物资）很大程度地缓和了自动化立体仓库的出入库作业压力，有效地提高了整个系统的作业能力。智能化立体仓库和物流运输系统结构图核心功能：生产控制中心PCC

PCC系统结构图ü 厂房建设有

PCC

生产控制中心，通过对生产过程中物料、设备、辅助生产资源等数据采集，并集成

PDM\ERP\CRM\MES

等应用系统，实现订单执行与生产现场的集中管理与调度。核心业务包括生产计划与执行管控、质量管控、物流管控，以及生产现场视频监控等。PCC系统应用示意图核心功能：SPC

质量在线检测与分析

SPC系统结构图ü 检员所使用的设备，以工业级平板电脑和PDA

为载体，在总装及部装线全面应用，实现了图形化质检，指导质检员快速、准确定位质检部位及质检标准。ü 通过

GSP、MES、CSM

及

QIS

的整合应用，实现了涵盖供应商送货、零件制造、整机装配、售后服务等全生命周期的质检数字化，以及

SPC

分析、质量追溯等功能SPC

应系统用示意图数字孪生与智能工厂PART

03数字孪生技术

★数字孪生模型是虚拟现实相结合的全新技术。它是把工厂的物理空间用虚拟空间来展示。建立虚拟样机、虚拟制造的特征，能够融合集成结构的几何、物理、行为及规则四维模型。Ø

全时指时间域，既包括设计、建造和运维生命周期，也包括产品设计、生产规划与生产执行等作业周期；Ø

全域指多粒度的空间域，地理上包含地上、地下、地表，管理上包含工厂、车间、设备系统，构造上包含系统、单元、构件；Ø

全要素指全生命周期所有业务涉及的要素，从产品设计、生产规划与生产执行的全生命周期不同阶段。数字孪生技术架构体系数字孪生智慧厂房数字孪生数据底座

室外厂区环境及配套设施厂区厂房、生产车间、办公楼、室外生产管道、地形、景观小品等数字孪生数据底座

室内生产车间及生产设备根据生产车间相关图纸及数据采集，对内部空间结构进行数字孪生数据制作。数字孪生数据底座

生产管线系统纯水系统、废水系统、工艺冷却水系统、中温冷却水系统、排风系统、工艺真空系统、清扫真空系统等生产管线。基于数字孪生智能工厂功能应用设备运维管理厂区可视化管理生产线虚拟演练厂区安全管控厂区可视化管理综合管理可视化ü 设备监测、环境监测等多源物联感知数据在三维空间场景真实位置直观展示，多种监测数据一张图呈现，做到一屏浏览

，一图感知，打破了信息孤岛，提升了数据应用价值。ü 帮助管理人员直观便捷掌控工厂整体运行状态，减轻工作压力，提升工作效率，降低管理成本。消防管理监测火灾报警点设备，监测点设备状态、报警类别、历史报警信息产讯。设备管理监测室内外运行设备，信息发布屏、公共广播、电梯、空调通风、网络设备等，实时展示设备运行状态。安防管理监测安防相关设备视频、入侵、门禁、巡更、无线对讲等，并获取实时状态。运营管理监测停车场、能耗数据、环境数据，并对停车数量、电力消耗、环境参数进行实时展示。厂区可视化管理生产管理可视化ü

通过全栈三维可视化技术来进行精细化建模，打造整个厂区环境，从园区、车间、生产流水线、设备的逐级可视，还原工厂车间布局，生产设备模型，生产工艺等，展示各类设备的空间位置，清晰完整地展现整个工厂环境。ü 按照从原料入厂到成品出仓（含检验）的实际工艺流水线仿真展示生产的整体流程，表现关键设备动作、物料流向、生产流程流畅程度等；对接工艺流程系统，基于

3D场景实时模拟工艺流水线的状态，如正常、故障、拥堵等。通过调节特定工艺流程参数模拟仿真工艺变化，调试生产方案，发现生产线隐含问题，提高实际生产线工作效率。厂区可视化管理仓储管理可视化ü

以数字孪生技术为基础，以可视化、智能化、网络化、集成化理念为目标，实现仓储的库区、仓库、货架、设备等的逐级可视；以仓储监控为重点，集成视频监控、出入库、库存盘点、告警等各种管理系统，构建仓储管理的监控、预警、诊断、分析一体化

的3D可视化平台。设备运维管理ü 厂区设备资产数据在三维场景精准位置直观展示，360°直观浏览，精准掌控厂区生产、应急资产分布情况，赋能厂区设备资产的科学管理。设备可视化管理设备运维管理资产全生命周期管理ü

通过对生产设备的集中监视，汇总生产过程中设备的实时状况，对设备运行和管理情况数据进行统计，形成设备运行情况统计数据库、设备运维知识库，为合理安排设备运行维护，充分发挥设备的利用率，满足设备操作、车间管理和厂级管理的多层需求提供依据。设备运维管理设备远程运维管理ü

通过收集智能设备产生的原始信息，经过后台的数据积累，以及专家库、知识库的迭加复用，进行数据挖掘和智能分析，支撑设备运维专家诊断系统建设，实时了解整体设备内外的运行情况，免去查看翻阅数据纪录的麻烦，为企业提供精准、高效的设备管理和远程运维服务，实现设备运维环境可视化、设备质量问题可追溯，缩短维护响应时间，提升运维管理效率，规避潜在风险。设备运维管理设备巡检ü

基于数字孪生环境，可构建工厂孪生可视化环境，根据需要灵活规划巡检业务，支持主动与被动等多种巡检方式，管理者可实时查看当前园区内巡检工作完成度及人员位置，或利用机器人技术模拟完成虚拟巡检，大大提升实施效率和后期可维护性。厂区安全管控应急救援ü 厂区设备资产数据在数字孪生精准位置直观展示，360°直观浏览，精准掌控厂区生产、应急资产分布情况，赋能厂区设备资产的科学管理。ü 管理多种应急预案，合理规划救援与逃生路线，精准仿真事件处理过程，直观感知现场状况，帮助精准指挥与科学决策，提升厂区应急事件应对效果，保障厂区生产安全厂区安全管控监视视频全景融合ü 针对视频的安装及覆盖场景的不同，匹配适合的视频融合方式，实现分散的视频与三维场景的虚实融合应用。解决浏览不直观、观看不完整等问题，做到室内、室外无缝切换，360度任意视角浏览。视频监控集成技术智能视频融合分析技术生产线虚拟演练智能工厂仿真分析ü 智能工厂的仿真分析是在原有有限元分析理念的基础上，引入数字孪生的概念对整个工厂生产运营做全方位的仿真过程。工厂通过仿真分析、数字孪生，把物理空间全部映射在虚拟空间中去，不用去生产现场，在办公室指挥中心，或在异地手机上可以实时看到现场的生产情况以及生产数据，并对数据进行分析，为管理者提供决策依据。生产线虚拟演练ü

数字化使得现实和虚拟世界无缝连接，创造一个生产过程的数字孪生模型，准确的将现实世界的生产线生产过程以数字化方式表达出来，对复杂的制造体系和生产过程进行快速建模，对产线的生产能力进行评估，实现生产过程和产品全生命周期的智能化和协同化。生产线虚拟演练生产线实时映射ü

在以实体工厂为模型重建的三维虚拟数字空间中，对正在运行的

生产线,建立设备工艺模型、工位间逻辑模型、产品状态模型以及信息系统数据间的关联。通过共享现有的数据库或者接口方式获取现场生产数据，并通过交互联动将现场生产活动数据推送至数字孪生三维场景中，建立生产线数字孪生体对实体的实时动作、行为和状态的映射，通过数字孪生虚实融合实现产线运行的实时

映射,为生产过程监控与决策优化提供基础服务。生产线虚拟演练生产线设备运行监控ü 在三维数字孪生场景中，通过从对接的MES/PLC系统获取设备的运行状态（运行、异常、停止）。当设备处于异常时，可以迅速从MES/PLC系统获取到设备异常在线报警信号，并在三维界面上通过指向性漂浮窗来提示设备报警信号。主要包括：报警信息弹出显示，报警模型镜头定位，报警故障现象记录，报警完善记录查询等，从而实现异常报警信息管理。生产线虚拟演练生产线预测性维护ü 利用智能传感技术实时采集产线故障数据、设备状态参数及物流监控等生产过程数据，通过生产线数字孪生系

统优化决策，预测性维护产线故障,岀具故障分析报告。通过对生产线物理实体实时状态和历史状态的真实反馈，实现孪生体的自主学习、预测分析和优化决策

。生产线虚拟演练生产线工单数据展示ü

结合生产监控数据类型及展示需求，通过鸟瞰视图，全局展示当前线体上的工单数据、料框分布、料框同态、输送装置运动状态及加工设备运动状态等生产现场数据。还可以工单信息漂浮窗的形式更详细地显示该料框具体的工单数据，从而实现对生产数据更便捷的管理。生产线虚拟演练虚拟生产调试ü 在实时映射功能基础上,

建设生产线虚拟调试仿真环境。需要虚拟调试时，将产线设备连接到虚拟调试系统；虚拟调试结束后，可以快速将设备切换到实际产线；为了分析、验证和调整正运行的生产线上的问题，可以随时切换到虚拟环境。虚拟生产仿真环境能够在设备不运行情况下，验证生产线控制程序，避免长时间且昂贵的生产停顿，提高改造效率。生产线虚拟演练历史数据回放ü

数字孪生体需要利用系统的实时运行数据以及历史数据，对数理模型进行修正、更新以及补充。通过融合运行数据和系统机理，更好地进行实时动态评估。ü

系统通过同步读取历史信号数据、信息系统业务数据以及视频监控数据，还原历史状态。ü 利用VR/AR/MR

的

3R

技术对产线历史数据进行回放，在三维虚拟环境中,再现故障发生前,生产线设备的异常以及产品状态；可以根据历史数据时间，调取对应时间的现场视频监控；结合实时信号和信息系统数据，还原历史数据对应的看板信息，辅助管理人员更好地分析故障原因。生产线虚拟演练生产巡检ü 基于物联网技术把生产现场的数据反馈到三维的工厂模型中，可以进行基于虚拟工厂的生产系统巡检，实现各车间生产管理人员的高效安全生产巡检。同时结合

物联网数据和AR技术，实现基于三维增强现实进行生产巡检，巡查数据：产线三维模型、订单数据、工艺数据、环境数据、设备运行数据、预警数据、故障数据、责任人数据。生产线虚拟演练实施方案规划PART

04实施路径阶段划分通过改造、升级、研发、新增等方式实现车间关键重大工艺节点制造设备的自动化、数字化、可视化。建设工厂数据支撑平台、可视化管理平台。以某车间作为试点，在取得成功后推广至全厂。梳理企业业务流程，与办公OA系统、产品全生命周期PLM系统、资源计划管理ERP系统、新建生产执行

MES系统逐步融合，建立企业标准化、数字化的业务管理体系。在关键重大工艺节点应用智能传感的物联网技术，实现物物相连。逐步实现产品生产制造全流程的物料、物流信息化。最终实现单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放达标，在企业全业务流程、研发设计流程、生产流程中深化应用ERP、PLM、MES等系统，逐步应用积累收集的海量数据进行大数据深度挖掘，建设生产规划、研发设计、生产管理、质量管理、运维管理等智慧应用，

建立一套符合企业未来智能工厂生产管控需求、功能全面、集成性高、技术先进及运行稳定的智能工厂数字化平台。第一阶段：强化自动化、数字化基础第二阶段：梳理企业业务流程，提升企业管理的智慧度第三阶段：深度两化融合、打造核心竞争力智能工厂建设实施步骤二期(2.5-3.0)三期(3.0-3.5)四期(迈向4.0)信息化\自动化基础PDM\ERP\MES(1)数字化车间MES(2)智能工厂MES(3)\PLM(1)数字化研发生产资源信息化工艺\装备建模精益化生产智能装备升级工艺\质量数据采集计划排产信息码应用生产可视化自动化物流精细化成本工艺\质量分析物联网\工业总线能源\排放管理智能排产工艺\材料导入智能诊断智能物流成本优化工艺\质量优化智能设计智能优化柔性制造深度协同智能决策远程运维供应链优化远程服务智能制造MES(4)\PLM(2)两化融合10-15%15-30%30-60%60-100%一期(1.X-2.5)信息化实施方案及规划信息化实施方案及规划大数据云平台仿真优化ERPPLMAPPMES综合优化数据应用材料工艺可视过程物料在线管理市场互动物流管理发货管理质量追溯市场管理云共享协同管理生命周期3智能制造信息平台1基础信息平台数据管理数据分析云计算云服务产品仿真生产仿真PDMCRM财务计划工艺制程产品设计图纸管理生产管控客户管理销售管理运行监控仓储管理WMS2数字化制造信息平台基于数据共享及信息安全平台智能服务远程诊断协同制造智能运营广度实施路径具体措施具体措施紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用