先进制造业·导读
介绍一种数字孪生电子智能制造工厂的实现，数字孪生虚拟工厂与实际工厂的采集数据通过 MES 管理系统有机结合，可实时完成新产品导入、产量监控、产线监控（产品条码监控、设备故障报警和质量监控）、物流监控等，真正实现信息化数字化制造。
01电子智能制造
工业 4.0 又可称为智造化（自动化+物联化+信息化+智能化），是为适应多品种少批量生产方式而横空出世的高新技术，工业 4.0 实现方法步骤为：第一步自动化、第二步物联化、第三步信息化（数字化）、第四步智能化，如图 1 所示。现代电子工业产业升级是以数字化电子智造工厂为目标，必须与虚拟仿真结合才真正实现数字化。 图 1 工业 4.0 实现方法步骤 1.1 信息化制造（数字化制造）
信息化制造主要是信息化管理的应用，主要包括：MES（制造执行系统）和 ERP（企业资源计划）等，如图 2 所示。现场各种设备数据和信息传送到 EMS 系统上，EMS 完成工厂内部生产的信息化管理（产量、读码、工艺流程、物流、质量、看板、监控等）；EMS 要传送到 ERP，完成工厂外部的信息化管理（市场、财务、物流等）。
图 2 信息化制造（数字化制造）
1.2 工业物联网
数字化和工业物联网是支撑信息化制造的基石，而大数据和人工智能的技术是工业 4.0的智能制造的最有前途的发展方向。MES 数据是通过工业物联网传输的。工业物联网目标是实现物与物联接和物与人联接。
在传统自动化网络基础上，电子工业物联网主要解决是互连、无线传输和感知等问题，主要包括：
1）现场总线 FCS：连接各种生产线和仓库物流系统的各种设备的控制系统，例如：SMT生产线 Ethercat 总线、机器人总装线 CC-Link 总线、仓库 Lonwork 总线连接等。
2）无线物联网络 IoT：主要完成仓库 RFID 无线监控（巡控）和物流 AVG 车 5G 无线监控的信息化管理，实现物与物、物与人联接。
3）工业以太网络 Ethercat：实现车间管理端与制造端的连接，MES 工作站可连接各种生产线主（线）控机、仓库物流系统主控机、无线工业物联网主控机、车间工作站、工艺工作站等。
4）工厂因特网络 Ethernet：实现工厂管理端与车间管理端的连接，ERP 工作站可连接MES 工作站、销售工作站、财务工作站等，并可连接云计算网络平台和大数据平台。
02数字孪生电子智造虚拟 VR 工厂
数字化电子智造工厂必须与虚拟仿真结合，才能真正实现新产品导入的数字化模拟生产和信息化监控。新产品导入的数字化模拟生产可有效地实现工业 4.0 要求的产品定制，虚拟生产监控可与 MES 管理系统有机结合，真正实现信息化数字化制造。MES 数字化电子智能制造虚拟工厂的功能如表 1 所示。
表 1 MES 数字化电子智能制造虚拟工厂的功能
03新产品导入的数字化模拟生产
在 SMT 虚拟 VR 工厂（如图 3 所示）的环境中，首先基于工艺类型（共 8 种）和 PCB正反面类型（共 8 种），选择产线类型和数量；再进行多条产线的同时生产、产品结构变化和物流仿真.，发现问题，实现工艺流程的优化。
图 3 SMT 虚拟 VR 工厂
根据不同的工艺类型（共 8 种），进行多条产线的 EMS 控制的多车 AGV 同时物流过程仿真，模拟 EMS 信息在工厂网络中的信号同时流动，并驱动多条产线同时工作。
3.1 MES 信息化生产监控
传统生产监控系统是通过摄像机录下视频，人工目视监控，没有数据交互，属于事后检查，达不到信息化制造要求。MES 信息化生产监控系统，可将 MES 系统数据（生产设备通过现场总线等工业物联网传到 MES）传送到 SMT 虚拟 VR 工厂，可实时完成产量监控、产线监控、产品（条码）监控、设备故障报警、物流监控等。相对视频录像监控，虚拟 VR工厂监控是实时数字化驱动，准确全面，也可通过手机 APP 实时监控。
（1）EMS 数据提取
实时提取或按节拍定时提取工厂 EMS 数据库的数据，转换成 EMS 数字化 VR 生产监控实时数据， 主要参数有：工艺类型、PCB 正反面、当前节拍、产线代码、每条产线节拍产量等。
（2）产量监控
如图 4 所示，按工艺类型、EMS 数字化 VR 生产监控实时数据和节拍，多条产线同时模拟工作，显示产量监控表，漫游到某产线，可详看:节拍产量、节拍产量累计、节拍日统计、日统计。
图 4 产线产量监控
（3）产线和产品监控
产线监控：基于 PCB 二维码的信息，实时展现实体工厂有多少生产线在工作，某生产线正在加工什么板子（图 5），缺料设备在实体工厂中的位置和类型。
产品监控：每个 PCB（二维码）在生产线什么位置，因生产故障产生的 NG 板号。
图 5 MES 生产线产品条码监控
（4）设备监控
多条产线按工艺类型同时模拟工作，按 EMS 缺料的产线的设备，报警闪烁 ，漫游到该报警设备，详看报警信息。基于实体工厂的设备故障报警数据，虚拟 VR 工厂可实时展现故障设备在实体工厂中的位置和故障类型，便于派人处理，并且可看处理结果，再通知 MES调整生产节拍，如图 6 所示。
图 6 设备故障或缺料报警
（5）物流监控
基于 MES 所设置的日周转节拍，实时展现 AGV 车的运行情况。基于 AGV 故障 5G 无线传感信息，展现故障 AGV 车在实体工厂中的位置。
3.2 MES 控制机电联动联调
基于 MES 制定的生产流程，虚拟 VR 工厂可实时展现指令信息在 VR 工厂中的工业以太网和现场总线的信息流动情况，并驱动生产线及设备运作，便于进行工厂电气和机构的联调和电气故障处理， MES 控制机器人总装线机电联动如图 7 所示。 图 7 MES 控制机器人总装线机电联动
04 结论
新产品导入的数字孪生模拟生产可有效地实现工业 4.0 要求的产品定制，数字孪生虚拟生产监控可与 MES 管理系统有机结合，真正实现信息化数字化制造。
本文转载自《2021 中国高端 SMT 学术会议论文集》 作者：西南交通大学 龙绪明 黄昊 闫明 顾晓青 龙震 李魏俊
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