西門子成都工廠：數字化最耀眼的注解

撰文/吳雙

歷史上的1913年，福特汽車創造了世界上的第一條自動化生產線，讓“每個人都擁有一輛汽車”的平等主義理想照進現實。一百年后的初春，中國第一條秉承德國原汁原味的數字化生產線，西門子自動化產品生產及研發基地（SEWC）在成都建成投產，在中國大陸開辟了數字化集成的新型生產方式。五年過去，西門子成都工廠已經接待了超過3萬名各界人士的觀摩，但是對很多人來說，這個“中國最智能的工廠”依然保持著神秘的面紗。

獲評“燈塔工廠”，打造自動化柔性生產樣板

世界經濟論壇（WEF）今年下半年公布了全球9家在應用第四次工業革命技術、實現生產現代化方面有突出表現的“燈塔工廠”，SEWC為其中之一。在燈塔工廠評價組看來，西門子成都工廠的亮點在于充分實現了工業4.0的眾多技術，包括利用3D模擬、MES系統、增強現實等技術提升了設計、生產和運營環節的靈活性，在大幅提高產量的同時實現了周期縮減和全過程追溯。

實際上，SEWC在工業4.0的探索不止于此。通過PLM、MOM、TIA等數字化企業套件與工業通訊、工業安全以及工業服務之間的協同，成都工廠實現了從研發設計到制造過程、質量管理的高度數字化，整個生產環節的自動化率達到75%。

西門子認為，工業數字化的基礎在于工程設計，而工程設計最新的趨勢則是融合。對此，成都工廠通過Siemens NX軟件對虛擬與現實進行融合，這款集成了CAD、CAM和CAE功能的交互式系統能夠高效實現結構、運動、熱學和流體等應用領域的多學科仿真，大約節省了90%的編程時間。研發人員利用該軟件進行概念設計、三維建模及模擬組裝，從而將對產品的構想完整投射到數字化世界中。

產品生命周期管理（PLM）平臺幫助成都工廠實現了開發設計和生產領域的無縫對接。該平臺上一款名為Tecnomatix的軟件能夠對制造流程和生產系統進行虛擬仿真及驗證，并利用集成化生產線規劃工廠布局和相關細節。這與成都工廠的“可重構工廠”的理念不謀而合，車間內的設備根據該軟件的仿真結果可以進行靈活移動，保證產線與工藝間始終維持良好的適配度，從而不斷提高制造精度和效率。

從MES系統生成并下達電子任務單開始，SIMATIC IT系統就會對產品路線進行全程規劃，并根據沿途的傳感器掃描和RFID識別結果作出相應指示。同時，每一道工序的末端還會有機器視覺設備對產品進行光學檢測，通過與后臺數據、圖像進行比較，對貼片位置、焊接精度等質量信息作出準備判斷，以此引導產品進入下一個步驟。而在經過大約20個質量控制點后，產品將會搭載自動引導小車通過集成軌道達到包裝工站，該工站會掃描確認產品是否通過所有檢測，并根據相應結果作出開始自動包裝或停止任務的判斷。

比起打造一個智能制造的樣板工廠，SEWC更追求實實在在的效率。由于MES系統可以自動根據生產工藝撿取對應的產品和原料，成都工廠里已經高度實現了“混線生產”。幾乎每條生產線上都能夠實現不同的工藝或者生產、裝配不同的產品，僅就筆者所見，某條SMT-THT-ICT生產線的產能已經達到了600萬件。而得益于生產資源的有效配置和防呆系統的清晰指令，這些生產線在實現高度柔性化的同時也遵循著嚴格的質量標準，過去5年內工廠的產品合合格率高達99.999%，及時交貨率也保證在了99%以上。

值得關注的是，成都工廠內部已經形成了“自增長”的高效閉環。雖然工廠里的設備很大一部分是由外部廠商根據西門子提供的參數規范和技術圖紙進行定制或集成，但是作為西門子工業自動化產品的生產基地和研發中心，相關PLC軟硬件則全部來自于自主研發制造。這也就是說，SEWC生產的SIMATIC產品很可能會直接流向成都工廠的下一條新增產線中，進而對生產環節進行控制。而這一過程的實現在很大程度上依賴于產品制造過程中向SIMATIC IT系統反饋的數據，這些數據不僅是柔性生產的關鍵，也反過來為研發驗證提供了有力支撐。

突破空間限制，倉儲物流快、準、省不同于大多數智能倉庫動輒數畝的占地面積，成都工廠立體倉庫的布局極為緊湊。這個高達18米的二層空間乍看之下十分平淡，但是這里容納了將近4萬個物料存放盒，卻是讓同類設施望塵莫及，借助于數字化物流的理念，實現了“小空間、大肚量”。

建成之初的成都工廠只有3個貨架。這兩年來，隨著產能逐漸擴大并扭虧為盈，倉庫也順利按照設計之初的構想進行了升級，此前預留的大量擴展槽和圓孔接口派上用場，為升級時增添和調整設備提供了重要的環境條件。而如今，倉庫內的7個巷道均已經開展有序作業，并由12名員工以每班次4人的方式進行輪值管理。

所有物料的管理流程都依托于西門子自主開發的倉儲物流系統進行，該系統已經集成了包括卸貨、重包裝、入庫、回庫、檢驗、傳輸在內的自動一體化，只需要一個簡單的指令就能夠實現整個物料流的傳輸存取。

具體來看，成都工廠的存放撿取是通過“堆取料機”用數字定位抓取的方式實現。ERP系統接到訂單指令后，會自動計算物料消耗及補給需求并告知倉庫補庫和取貨，這一過程的運動控制精度很高，相應的存取速度達到每小時120箱。而對于經過裝配的產品也是如此，通過數據讀取，產品會通過無縫對接的集成軌道和升降井傳送至指定位置。無論是原料出庫還是產品入庫，整個物流過程都控制在了15分鐘以內。

除了主體倉庫外，成都工廠還分別在一期、二期車間內設立了3個高度自動化的中轉倉，用于中間品或原材料的暫存。中轉倉可以通過左右、上下的多向移動，實現物料在生產線與車間之間的轉送，往往加工好的電路板和其他零部件會在進入裝配線之前先行在這里進行存放一小段時間，等待裝配線配置產能。如此一來，也實現了生產周期的有效銜接和過渡。

比起一味追求如夢似幻的全自動化，成都工廠的建設充分地考慮了投入產出之間的平衡，并以此確定了人機協同的整體模式。目前，廠內物料流的自動化率在90%左右，這是由于集成軌道的承重及工業電腦的產能都相對有限，IPC及其結構材料都統一通過人工進行搬運堆放。隨著該類產品擴產，SEWC打算適時引入AGV、IGV小車等智能設備代替人工。所有的投入，都是以效益最大化為前提。

從“黑箱”走向透明，形成信息閉環

比起打造全自動化的無人工廠，SEWC似乎更想對數字化進行實體定義。依托成熟的數字化企業套件，成都工廠里已經實現了數據智能的全周期應用，信息流在這里實現了自由暢通，形成了從數據集成到分析預測再到決策控制的智能閉環。

從某種角度來看，SEWC就像是一個開放式的黑匣子，滿滿當當地記錄著這個空間里形成的全部信息。有些信息依托于無線射頻標識直接附著在產品、元器件上，經過解析之后沿著生產流程進行傳遞；另外一些信息則被記錄在數字化軟硬件、工業以太網這類的基礎設施上，例如在Siemens NX中設計完成的產品模型和參數信息，會通過計算機輔助制造CAM系統輸送至對應的生產線，成為引導、優化生產，實現數據驅動型制造的工具。

Teamcenter可能是成都工廠里最重要的中樞。無論是傳感器通過RFID標簽識別出的產品信息，還是工業以太網檢測采集到的設備狀態，最后都會統一集成到該數據中心。通過Teamcenter，實時更新的數據流不僅能在SEWC的開發人員、產品工程師、生產工程師以及倉儲管理人員之間進行交換共享，還能進一步實現與安貝格工廠以及外部供應商的互聯互通，從而有效地提高了溝通和開發效率，并使產品的上市時間平均縮短了50%左右。

在成都工廠，信息之間的交互是一個無縫集成的過程。儲存在Teamcenter上的產品基礎數據和更新信息會自動映射到ERP系統當中，后者將接收到的信息比對分析后會制定相應的生產計劃下達至MES系統進行分解，進而生產電子任務單以指導車間作業。整個過程，ERP都會持續向MES抓取大量的實時數據，對物料管理情況和生產制造過程進行監測跟蹤。進一步地，這些數據還會以可視化的形式傳遞到對應的質量系統里，支撐工程師們快速定位、解決問題。而隨著數據在流通循環中不斷形成增加值，成都工廠也在逐步跨越原有生產方式的極限。

交出第一份五年答卷：產量年均翻番

在剛剛結束的2018財年，成都工廠實現了每3-5秒下線一件產品的生產率和百萬分之6.1的不良率，平均每天加工1000萬個元器件，生產將近4萬件產品，全年設備意外性停機不超過40小時，系統有效性達到了95%以上。而如果對比投產之初的2013財年，可以發現，除了產量實現年均翻番，能耗、不良率、原材料種類等指標的優化曲線也非常明顯。從數據來看，SEWC交出了一份不錯的答卷。

和德國的姊妹安貝格工廠相似，SEWC也負責研發和生產SIMATIC工業自動化系列產品。其中最主要的是PLC可編程邏輯控制器，占據了成都工廠約70%的產能，這些產品性能穩定，可擴展性強，已經可以實現對六軸機器人的全面控制，在下線后將會通過蘇州和紐倫堡的物流中心發往世界各地，供應于各領域、各類型的工業制造過程。其他從成都工廠誕生的產品還包括SIMATIC HMI人機交互界面和IPC工業電腦等，大多也都是模塊化的產品，也因此可以通過利用數字設施進行標準化生產、組裝提高生產效率。

正如前面提到的，西門子倡導人與機器的緊密協作，產業工人在成都工廠扮演著至關重要的角色。在7x24全年運轉的生產模式下，SEWC目前雇傭了510名藍領人員，約占全部人員的60%左右，有些操作員、技術員可能不直接從事生產作業，但是在計劃、質量、采購和物流等環節中不可或缺。與此同時，隨著人均勞產率不斷提高，成都工廠對于藍領人員的需求開始趨穩趨緩。

非常有意思的現象是，研發人員的數量伴隨著PLC市場進入迭代周期，在未來一段時間內正在極速增加。這是一個非常積極的信號，意味著成都工廠已經開始向新階段的智能而跨越。

資料來源：SEWC

事實上，SEWC的發展速度快于人們的預期。原定于2019年建設完成的二期廠房目前已經全面投產并滿負荷運行，只是西門子并不打算止步于10億元的投資規模和5.1萬平方米的建筑面積。隨著三期項目獲得政府批復并開始緊鑼密鼓的籌備，成都工廠計劃繼續擴大生產規模，不斷增強研發實力，“數字化工程”還將升級。

數字化背后，西門子成都工廠的組織文化同樣具有特色。為促進員工轉換思維方式，激發點燃創新烈焰的火花，成都工廠發起了“3i（創意、主動、沖動）”計劃，鼓勵員工在工藝、技術和日常運營中的創新，并每月遴選出best practice進行公開表彰獎勵。同時，SEWC提倡推行零傷害文化，廊道里的安全綠十字信息欄上顯示，截止筆者訪問日前的500天里，成都工廠未發生任何損工事故。

歸根到底，SEWC的全部探索都是為了可持續發展。為了降低能耗和成本，成都工廠在設計之初就采用了節能泵、氣候控制系統和高能效照明系統等智能樓宇技術，大約每年節省電費12萬歐元，耗水量和二氧化碳排放量相對于類似建筑物分別降低了2500公噸、820公噸左右，是成都首個獲得能源和環境設計先鋒（LEED）金牌認證的工廠。在此基礎上，每個財年初西門子都會對SEWC下達具體的能耗目標值，從建筑物照明及插座用電到餐廳廢棄物再到打印紙使用情況都是重點的監測和考核對象?？梢哉f在一定程度上，精益管理就是成都工廠發展茁壯的隱形基石。

資料來源：筆者整理

雄心之上，數字化帝國版圖初現

西門子正在工業軟件的路程狂飆猛進。從2006年收購UGS開始到現在，西門子共投入上百億美元收購了28家數字化軟件公司，成為在數字化全價值鏈上擁有最完整業務組合的龐大集團。

正如在成都工廠所見，目前西門子的數字化企業套件已經依托產品生命周期管理系統PLM和制造運營管理系統MOM覆蓋了企業層、管理層、操作層、控制層到現場層的全部環節，并進一步地基于TIA系統實現了全集成自動化。西門子的最新財報顯示，這些數字化產品及服務在18財年第三季度為該集團貢獻了54%的同比利潤增長率，很大程度上彌補了能源等傳統板塊的疲軟表現。

而對于未來，西門子正在圍繞全新的物聯網操作系統Mindsphere進行布局，在物聯網集成服務市場領域，將再雇傭1萬名員工。9月下旬，西門子就該系統落地中國的技術路線及實施方案和阿里巴巴達成了協議，預計在明年初發布面向內地市場的“MindSphere on Alibaba Cloud”。此前西門子剛剛收購了云原生低代碼應用開發平臺Mendix，幫助編程人員通過圖形的簡單拖拽完成APP開發。而更重要的是，西門子德國總部的服務器上已經集成了包括SEWC等內外部工廠在內的海量現場數據，這些數據就像是乳香樹里流淌出來的琥珀色汁液，經過投射，將會成為Mindsphere上最寶貴的成分。

西門子的野心還要更大。為了護航數字化板塊，上月初該公司專門成立了負責網絡信息安全的新部門。此外，通過與地方政府、孵化器開展密切合作以及直接賦能中小企業等形式，近年來西門子的數字化布局明顯加快。而從財報中制定的目標利潤率來看，顯然西門子已經把未來的增長極壓注在了數字化業務上。

結語

成都工廠相比較早在1989年就已經建成投產的安貝格工廠，5歲的SEWC還有很長的路要走。同樣作為SIMATIC工控產品的研發生產基地，成都工廠的生產自動化率在75%左右，總計生產約800種產品，而安貝格工廠則已經突破80%的生產自動化率，實現了1000余種PLC產品的混線生產。不過工業4.0本來就是一個不斷進化和迭代的過程，從投產之初依賴于人工包裝的半自動化生產，到最近批量新增數條全自動化生產線，SEWC已經開始加速向EWA看齊。

今年底，距離SEWC不遠的西門子智能制造（成都）創新中心也將建成落地，這是西門子在中國投資最大的也是唯一一家自主掛牌運營的創新中心，而同期落戶的還有Mindsphere全球研發中心。西門子在成都的下一個五年，充滿著嶄新而無限可能。