本刊記者/Reporter 高 揚/GAO Yang

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專題專訪

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

SEWC工廠內(nèi)景

SEWC是安貝格工廠的姊妹工廠，眾所周知，創(chuàng)建于1989年的西門子安貝格工廠被認為是全球最先進的數(shù)字化工廠，一直以來被業(yè)界認為是德國工業(yè)4.0的雛形。而2011年立項、2013年便投產(chǎn)的SEWC也表現(xiàn)不俗，“10秒一個產(chǎn)品下線，每天一萬一千臺產(chǎn)品，百萬加工失效率(dpm)9.5，SEWC的產(chǎn)品40%發(fā)送德國全球供貨?！?西門子工業(yè)自動化產(chǎn)品(成都)有限公司總經(jīng)理李永利介紹，“由于中國工業(yè)化的進程以及西門子在工業(yè)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(shù)字化工廠平臺運用到成都工廠以保證未來20～30年中穩(wěn)步前進?！?/p>

自動化踐行“質(zhì)量第一”運營哲學(xué)

“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(chǎn)品質(zhì)量更高、交付期更短?！?李永利說強調(diào)，“當客戶衡量產(chǎn)品時，不僅僅會思考這個產(chǎn)品本身的價格，更重要的是產(chǎn)品質(zhì)量，因為當產(chǎn)品出故障時，給顧客帶來的損失遠遠要比產(chǎn)品自身的成本更高，數(shù)字化形成的強大數(shù)據(jù)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(chǎn)品交付期的同時也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量?！?/p>

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

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(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)一步，由制造質(zhì)量、研發(fā)質(zhì)量以及原材料質(zhì)量組成的產(chǎn)品質(zhì)量中，更需要的是借助數(shù)字化制造去保障研發(fā)質(zhì)量和原材料質(zhì)量，借助這其中的數(shù)據(jù)去發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的不足。

在SEWC的數(shù)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(nèi)，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(chǎn)線，在每一個流程中，都會被相應(yīng)的設(shè)備進行數(shù)據(jù)的采集和跟蹤，并最終儲存在后臺的數(shù)據(jù)管理中。這意味著，一旦有原材料的質(zhì)量出現(xiàn)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(jīng)走過哪些生產(chǎn)流程。李永利表示，無論客戶在今后什么時間反饋質(zhì)量問題，工廠都能第一時間拿出完整的數(shù)據(jù)，對這些原材料進行追溯，從而保證原材料的質(zhì)量。

如何實現(xiàn)研發(fā)、生產(chǎn)到物流的無縫銜接是所有企業(yè)的共同課題。數(shù)字化工廠用技術(shù)手段打通了從研發(fā)到生產(chǎn)、物流的全信息鏈，所有的圖紙、產(chǎn)品流、數(shù)據(jù)庫、物料流等都可以用數(shù)字手段模擬實現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)共享避免了信息傳輸壁壘，實現(xiàn)生產(chǎn)和研發(fā)的互動，打造出業(yè)務(wù)透明的數(shù)字化工廠。因此，生產(chǎn)自動化、物流自動化、信息流自動化三個方面成為數(shù)字化生產(chǎn)的全過程中不可或缺的組成因素。

生產(chǎn)自動化有效提高質(zhì)量，避免了人為的錯誤，降低出錯率；自動化設(shè)備工作時可以自動地收集大量數(shù)據(jù)，運作時發(fā)生的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(chǎn)生的數(shù)據(jù)，任何一點細微的偏差都能做到有跡可循。而這些數(shù)據(jù)的積累、分析可以幫助幫助管理層進行更加科學(xué)高效的決策，縮短設(shè)備調(diào)試的時間，在有效避免進一步損失的同時，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

信息流的自動化是數(shù)字化的關(guān)鍵所在，從前期的計劃、采購、加工到交付的完整供應(yīng)鏈中，需要各個部門的協(xié)同配合，如果部門間不能實現(xiàn)信息共享，消耗在共同環(huán)節(jié)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(shè)備自動完成信息的記錄、交換、流動過程，尤其是當企業(yè)的規(guī)模足夠大、加工的規(guī)模足夠復(fù)雜的時候，設(shè)備之間實現(xiàn)自主的信息流動變得十分必要。

核心系統(tǒng)打造透明工廠

“工業(yè)4.0”更多涉及的是各個設(shè)備流程功能之間，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進行交流互動。在SEWC，產(chǎn)品生命周期和整個生產(chǎn)流程都被集成到高度自動化的工業(yè)軟件中。整座工廠的運行，都是基于這些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，ERP(企業(yè)資源規(guī)劃)、PLM(產(chǎn)品全生命周期管理)、MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))、控制系統(tǒng)及供應(yīng)鏈管理，全部實現(xiàn)了無縫的信息互聯(lián)，工廠數(shù)據(jù)還能與德國生產(chǎn)基地以及美國的研發(fā)中心進行數(shù)據(jù)互聯(lián)，從而造就出了一幅透明工廠的畫面。

功能上，MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))更多的被關(guān)注，設(shè)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(wǎng)絡(luò)，鏈接著生產(chǎn)、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，并可以快速抽取所需的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)籌管理。伴隨密布工廠的傳感器實時把生產(chǎn)信息傳導(dǎo)到MES系統(tǒng)中，系統(tǒng)在進行質(zhì)量管理后會把信息顯示出來。數(shù)字化系統(tǒng)把質(zhì)量信息實時同步展示的時候，連客戶也能隨時看到，實現(xiàn)了質(zhì)量信息的透明化。

PLM(產(chǎn)品全生命周期管理)軟件，不只是研發(fā)，生產(chǎn)、采購、物流都需要這個平臺上相互配合。產(chǎn)品的各個環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)都在這個平臺上不斷豐富，任何一個環(huán)節(jié)的改變引起的各種相應(yīng)的數(shù)據(jù)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(jù)新的制造解決方案分配產(chǎn)線和時間，從而實現(xiàn)系統(tǒng)之間的無縫集成，數(shù)據(jù)的自動更新。數(shù)據(jù)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(chǎn)品的產(chǎn)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(chǎn)品的條形碼，系統(tǒng)就會通知MES系統(tǒng)將相應(yīng)的電子作業(yè)指導(dǎo)書發(fā)送到作業(yè)臺上，工人就可以按照作業(yè)指導(dǎo)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(chǎn)品條碼信息后，MES 系統(tǒng)再通過與西門子TIA的互聯(lián)操縱相應(yīng)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(yīng)零件，光點感應(yīng)開關(guān)關(guān)閉綠燈。在最后一步打印標簽的過程中，MES就會檢查該產(chǎn)品經(jīng)過的整個加工過程，如果過程中有錯誤，系統(tǒng)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(shè)計滿足了自動化產(chǎn)品柔性生產(chǎn)需要。

工廠中的各個環(huán)節(jié)，生產(chǎn)計劃、物流、設(shè)計、生產(chǎn)、執(zhí)行等，產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)并可以實時集成、交換便實現(xiàn)了透明化。透明化才能實現(xiàn)有價值的數(shù)據(jù)被最快速的找到，決策的科學(xué)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(yōu)化。

精心布局實現(xiàn)數(shù)據(jù)自主流動

現(xiàn)場參觀環(huán)節(jié)分為三個部分：運輸層、廠區(qū)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(dǎo)軌上整齊有序的運行著，每一個箱子都有條碼，當?shù)竭_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(shù)據(jù)對話”，經(jīng)由“自動交通”的物料輸送環(huán)節(jié)，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(chǎn)層與運輸層的貨料傳輸。據(jù)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(wù)單，開始裝配、包裝等工作。任務(wù)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(chǎn)品的條碼信息，記錄它在這個工位的數(shù)據(jù)。MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))將以該數(shù)據(jù)作為判斷基礎(chǔ)，向控制系統(tǒng)下達指令，指揮物流小車將產(chǎn)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(jù)介紹，是用來通過一層廠房設(shè)備的線纜到運輸層而準備的，這樣的設(shè)計便于靈活調(diào)整設(shè)備的布局。同時，地面設(shè)備的控制柜也放置在本層，節(jié)省地面空間。

廠房俯視圖

廠區(qū)的參觀平臺在三層，俯視整個二層的生產(chǎn)現(xiàn)場。只見車間整潔劃一，機器布局緊湊，工人也很少?，F(xiàn)場有兩條前道工序，主要是電路板組裝生產(chǎn)線。中間通過自動化的立體中轉(zhuǎn)庫，將已加工好的電路板和其他零部件轉(zhuǎn)送到后續(xù)的五條產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線，完成產(chǎn)品的裝配和包裝。在各個關(guān)鍵工序設(shè)置了電子看板，生產(chǎn)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(jiān)控設(shè)備運行，進行產(chǎn)品的復(fù)檢等。

導(dǎo)軌傳送半成品

整個生產(chǎn)過程是無紙化的，而且實現(xiàn)了混線生產(chǎn)。產(chǎn)品組裝的生產(chǎn)線布局是在中間的循環(huán)導(dǎo)軌兩側(cè)布置了裝配各種元器件的設(shè)備。導(dǎo)軌上有標準的托盤，托盤上面是半成品，每個產(chǎn)品都不一樣。MES系統(tǒng)會自動根據(jù)生產(chǎn)工藝，將托盤從導(dǎo)軌轉(zhuǎn)移到設(shè)備的導(dǎo)軌上，將產(chǎn)品移動到某臺設(shè)備之中完成相應(yīng)工序。大部分設(shè)備是自動生產(chǎn)，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(shù)字化工廠的數(shù)字化研發(fā)、數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化物流和數(shù)字化質(zhì)量管理體系。其中，質(zhì)量看板通過西門子的MES系統(tǒng)可以實時顯示質(zhì)量看板，通過不斷鉆取，查詢出現(xiàn)質(zhì)量問題和不同維度的質(zhì)量統(tǒng)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(jīng)過質(zhì)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(shù)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(shè)計更緊湊，節(jié)約了倉庫的空間。根據(jù)后臺的數(shù)據(jù)提示，這兩部取料機依靠數(shù)字定位迅速地抽出對應(yīng)的原材料，并通過自動傳輸軸，馬上傳送到生產(chǎn)車間。運動控制精度很高，實現(xiàn)了物流管理的全自動，通過生產(chǎn)訂單驅(qū)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(shù)字化工廠帶來的震撼，更多的是對于數(shù)字化、信息化、自動化等工業(yè)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(xiàn)以上“三化”，還有許多工作模式需要推翻，還有許多新的系統(tǒng)要完善建立。