深嗅“工業4.0” 觸摸數字化工廠——參觀西門子工業自動化產品成都生產研發基地

本刊記者/Reporter 高 揚/GAO Yang

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專題專訪

深嗅“工業4.0” 觸摸數字化工廠
——參觀西門子工業自動化產品成都生產研發基地

Gain insight into “Industry 4.0”, contact with digital factory——Visit SEWC

本刊記者/Reporter 高 揚/GAO Yang

“工業4.0”、數字化工廠等新概念在行業盛行之際，筆者有幸參觀了位于成都高新西區的西門子工業自動化產品成都生產研發基地(以下簡稱SEWC)，近距離地接觸了這個西門子在中國設立的首家，也是唯一一家數字化工廠。“耳聽為虛，眼見為實”，本次參觀讓筆者對數字化工廠有了更進一步的了解，對“工業4.0”有了更深切的認知。

SEWC工廠內景

SEWC是安貝格工廠的姊妹工廠，眾所周知，創建于1989年的西門子安貝格工廠被認為是全球最先進的數字化工廠，一直以來被業界認為是德國工業4.0的雛形。而2011年立項、2013年便投產的SEWC也表現不俗，“10秒一個產品下線，每天一萬一千臺產品，百萬加工失效率(dpm)9.5，SEWC的產品40%發送德國全球供貨。” 西門子工業自動化產品(成都)有限公司總經理李永利介紹，“由于中國工業化的進程以及西門子在工業自動化中的重要性，西門子決定把工廠建到中國這一最重要的市場之中，將西門子最新的數字化工廠平臺運用到成都工廠以保證未來20～30年中穩步前進。”

自動化踐行“質量第一”運營哲學

“SEWC不是為了豎立一個樣板工廠而存在，我們的目標在于工廠效益更好，產品質量更高、交付期更短。” 李永利說強調，“當客戶衡量產品時，不僅僅會思考這個產品本身的價格，更重要的是產品質量，因為當產品出故障時，給顧客帶來的損失遠遠要比產品自身的成本更高，數字化形成的強大數據流可以幫助整個工廠的管理運營并且保證所有信息全程可追溯，在縮短產品交付期的同時也保證了產品的質量。”

高質量在工業制造領域的重要性不言而喻。為此，在實現質量提升上，數字化制造首先是借助自動化產線上的機器充當“助手”的角色。李永利舉例，“安貝格工廠歷經20多年，百萬加工失效率(dpm)從500～600降低到10以下，而制造業熟練工人的失效率300～500，由此可見，想要創造極低的出錯率，不能靠加強管理員工實現，需要的是正確的方法。”

但在西門子看來，通過自動化軟件的“輔助”杜絕人在制造過程的差錯，這只是保證產品質量的基礎一步，由制造質量、研發質量以及原材料質量組成的產品質量中，更需要的是借助數字化制造去保障研發質量和原材料質量，借助這其中的數據去發現生產環節中的不足。

在SEWC的數字化制造中，一個很重要的方式是對原材料進行可溯源式的管理。也就是說，在這座工廠內，當來自各地的原材料被運送到車間后，所有的原材料都擁有了自己的“身份證”。這個身份證可伴隨原材料進入生產線，在每一個流程中，都會被相應的設備進行數據的采集和跟蹤，并最終儲存在后臺的數據管理中。這意味著，一旦有原材料的質量出現問題，工廠可以馬上查找到這一批次的原材料在什么時間點，已經走過哪些生產流程。李永利表示，無論客戶在今后什么時間反饋質量問題，工廠都能第一時間拿出完整的數據，對這些原材料進行追溯，從而保證原材料的質量。

如何實現研發、生產到物流的無縫銜接是所有企業的共同課題。數字化工廠用技術手段打通了從研發到生產、物流的全信息鏈，所有的圖紙、產品流、數據庫、物料流等都可以用數字手段模擬實現，通過數據共享避免了信息傳輸壁壘，實現生產和研發的互動，打造出業務透明的數字化工廠。因此，生產自動化、物流自動化、信息流自動化三個方面成為數字化生產的全過程中不可或缺的組成因素。

生產自動化有效提高質量，避免了人為的錯誤，降低出錯率；自動化設備工作時可以自動地收集大量數據，運作時發生的數據及時準確地收集起來，不需要浪費人力。

物流自動化可以保證物料的過程數據的透明化和可追溯。物料進廠開始就有自己獨特的身份，并全程記錄加工各步驟所產生的數據，任何一點細微的偏差都能做到有跡可循。而這些數據的積累、分析可以幫助幫助管理層進行更加科學高效的決策，縮短設備調試的時間，在有效避免進一步損失的同時，提高產品質量。

信息流的自動化是數字化的關鍵所在，從前期的計劃、采購、加工到交付的完整供應鏈中，需要各個部門的協同配合，如果部門間不能實現信息共享，消耗在共同環節的時間成本將會成倍疊加，效率自然很低。在信息自動化的過程中，通過設備自動完成信息的記錄、交換、流動過程，尤其是當企業的規模足夠大、加工的規模足夠復雜的時候，設備之間實現自主的信息流動變得十分必要。

核心系統打造透明工廠

“工業4.0”更多涉及的是各個設備流程功能之間，現有的數據進行交流互動。在SEWC，產品生命周期和整個生產流程都被集成到高度自動化的工業軟件中。整座工廠的運行，都是基于這些數據基礎，ERP(企業資源規劃)、PLM(產品全生命周期管理)、MES(制造執行系統)、控制系統及供應鏈管理，全部實現了無縫的信息互聯，工廠數據還能與德國生產基地以及美國的研發中心進行數據互聯，從而造就出了一幅透明工廠的畫面。

功能上，MES(制造執行系統)更多的被關注，設備之間的互鎖，可追溯性等等都需要MES，它像是一張抽象的網絡，鏈接著生產、運輸等各個環節，并可以快速抽取所需的數據進行統籌管理。伴隨密布工廠的傳感器實時把生產信息傳導到MES系統中，系統在進行質量管理后會把信息顯示出來。數字化系統把質量信息實時同步展示的時候，連客戶也能隨時看到，實現了質量信息的透明化。

PLM(產品全生命周期管理)軟件，不只是研發，生產、采購、物流都需要這個平臺上相互配合。產品的各個環節中的數據都在這個平臺上不斷豐富，任何一個環節的改變引起的各種相應的數據改變，都能通過PLM及時準確并自動地更新，之后的制作流程就會自動傳到MES，MES會根據新的制造解決方案分配產線和時間，從而實現系統之間的無縫集成，數據的自動更新。數據交換的自動化程度越高，出錯率越少。

包裝工位工作場景

即使是簡單的包裝工位也融入了自動化的理念,混線產品的產品多樣性造成了包裝過程易出錯。而SEWC很好的解決了這一問題，工人在包裝前需掃一下產品的條形碼，系統就會通知MES系統將相應的電子作業指導書發送到作業臺上，工人就可以按照作業指導書進行包裝操作。同時，在工作臺架上有存放各種附件零件盒，在掃描的產品條碼信息后，MES 系統再通過與西門子TIA的互聯操縱相應零件盒指示燈變綠，提示該零件需要加入包裝，工人取完相應零件，光點感應開關關閉綠燈。在最后一步打印標簽的過程中，MES就會檢查該產品經過的整個加工過程，如果過程中有錯誤，系統就不會打印出標簽。如一切正常，標簽打印出來后就會通知ERP，訂單完成。這樣有效避免誤操作，該設計滿足了自動化產品柔性生產需要。

工廠中的各個環節，生產計劃、物流、設計、生產、執行等，產生大量數據并可以實時集成、交換便實現了透明化。透明化才能實現有價值的數據被最快速的找到，決策的科學性準確性就有了保障，可以很容易地分析出每個過程存在的問題，從而進行有針對性的優化。

精心布局實現數據自主流動

現場參觀環節分為三個部分：運輸層、廠區和立體倉庫。首先參觀的是位于一層的運輸層，這一層只見到極少的工作人員，一箱箱的物料在導軌上整齊有序的運行著，每一個箱子都有條碼，當到達岔口的時候，都會有掃描裝置自動掃描，通過與倉庫管理軟件的“數據對話”，經由“自動交通”的物料輸送環節，輸送到高貨架立體倉庫或者物料中間庫。還配備了幾個貨料專用的升降梯，方便了生產層與運輸層的貨料傳輸。據介紹，物料從物料間升入車間后，工人按照電腦顯示屏上的電子任務單，開始裝配、包裝等工作。任務完成后，他只需按下工作臺上的按鈕，流水線上的傳感器就會掃描產品的條碼信息，記錄它在這個工位的數據。MES(制造執行系統)將以該數據作為判斷基礎，向控制系統下達指令，指揮物流小車將產品送去下一個目的地。

記者看到，天花板上有很多封起來的圓孔，據介紹，是用來通過一層廠房設備的線纜到運輸層而準備的，這樣的設計便于靈活調整設備的布局。同時，地面設備的控制柜也放置在本層，節省地面空間。

廠房俯視圖

廠區的參觀平臺在三層，俯視整個二層的生產現場。只見車間整潔劃一，機器布局緊湊，工人也很少。現場有兩條前道工序，主要是電路板組裝生產線。中間通過自動化的立體中轉庫，將已加工好的電路板和其他零部件轉送到后續的五條產品組裝生產線，完成產品的裝配和包裝。在各個關鍵工序設置了電子看板，生產過程大部分是自動化，員工更多地是在工作時處理異常情況，監控設備運行，進行產品的復檢等。

導軌傳送半成品

整個生產過程是無紙化的，而且實現了混線生產。產品組裝的生產線布局是在中間的循環導軌兩側布置了裝配各種元器件的設備。導軌上有標準的托盤，托盤上面是半成品，每個產品都不一樣。MES系統會自動根據生產工藝，將托盤從導軌轉移到設備的導軌上，將產品移動到某臺設備之中完成相應工序。大部分設備是自動生產，個別工位采用人工。

參觀平臺旁邊通過兩個電子屏展示了西門子數字化工廠的數字化研發、數字化生產、數字化物流和數字化質量管理體系。其中，質量看板通過西門子的MES系統可以實時顯示質量看板，通過不斷鉆取，查詢出現質量問題和不同維度的質量統計信息。另一個屏幕則顯示了對制造與裝配過程的仿真。

立體倉庫

接下來進入立體倉庫，走到原材料的存放處，是兩個高達18m的自動化高位貨架，采購的物料經過質量檢驗之后都會儲存在這里，并通過兩座升降梯與車間相連。倉庫共有近4萬箱貨位，物料的存取并不用叉車搬運，而是通過“堆取料機”用數字定位的模式進行抓取，不必考慮叉車通過的距離，物料庫的設計更緊湊，節約了倉庫的空間。根據后臺的數據提示，這兩部取料機依靠數字定位迅速地抽出對應的原材料，并通過自動傳輸軸，馬上傳送到生產車間。運動控制精度很高，實現了物流管理的全自動，通過生產訂單驅動，到自動倉庫取貨和補貨，出錯率幾乎為零。

本次參觀令筆者受益頗深，不僅僅是實地接觸數字化工廠帶來的震撼，更多的是對于數字化、信息化、自動化等工業理念的進一步認知，它們不是酷炫的機器換人，它們也不是“一步登天”的智能制造。要逐步實現以上“三化”，還有許多工作模式需要推翻，還有許多新的系統要完善建立。