西門子成都工廠：數(shù)字化最耀眼的注解

撰文/吳雙

歷史上的1913年，福特汽車創(chuàng)造了世界上的第一條自動化生產(chǎn)線，讓“每個人都擁有一輛汽車”的平等主義理想照進(jìn)現(xiàn)實。一百年后的初春，中國第一條秉承德國原汁原味的數(shù)字化生產(chǎn)線，西門子自動化產(chǎn)品生產(chǎn)及研發(fā)基地（SEWC）在成都建成投產(chǎn)，在中國大陸開辟了數(shù)字化集成的新型生產(chǎn)方式。五年過去，西門子成都工廠已經(jīng)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(chǎn)樣板

世界經(jīng)濟(jì)論壇（WEF）今年下半年公布了全球9家在應(yīng)用第四次工業(yè)革命技術(shù)、實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)代化方面有突出表現(xiàn)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(xiàn)了工業(yè)4.0的眾多技術(shù)，包括利用3D模擬、MES系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實等技術(shù)提升了設(shè)計、生產(chǎn)和運營環(huán)節(jié)的靈活性，在大幅提高產(chǎn)量的同時實現(xiàn)了周期縮減和全過程追溯。

實際上，SEWC在工業(yè)4.0的探索不止于此。通過PLM、MOM、TIA等數(shù)字化企業(yè)套件與工業(yè)通訊、工業(yè)安全以及工業(yè)服務(wù)之間的協(xié)同，成都工廠實現(xiàn)了從研發(fā)設(shè)計到制造過程、質(zhì)量管理的高度數(shù)字化，整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化率達(dá)到75%。

西門子認(rèn)為，工業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)在于工程設(shè)計，而工程設(shè)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(xiàn)實進(jìn)行融合，這款集成了CAD、CAM和CAE功能的交互式系統(tǒng)能夠高效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、運動、熱學(xué)和流體等應(yīng)用領(lǐng)域的多學(xué)科仿真，大約節(jié)省了90%的編程時間。研發(fā)人員利用該軟件進(jìn)行概念設(shè)計、三維建模及模擬組裝，從而將對產(chǎn)品的構(gòu)想完整投射到數(shù)字化世界中。

產(chǎn)品生命周期管理（PLM）平臺幫助成都工廠實現(xiàn)了開發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)領(lǐng)域的無縫對接。該平臺上一款名為Tecnomatix的軟件能夠?qū)χ圃炝鞒毯蜕a(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真及驗證，并利用集成化生產(chǎn)線規(guī)劃工廠布局和相關(guān)細(xì)節(jié)。這與成都工廠的“可重構(gòu)工廠”的理念不謀而合，車間內(nèi)的設(shè)備根據(jù)該軟件的仿真結(jié)果可以進(jìn)行靈活移動，保證產(chǎn)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(tǒng)生成并下達(dá)電子任務(wù)單開始，SIMATIC IT系統(tǒng)就會對產(chǎn)品路線進(jìn)行全程規(guī)劃，并根據(jù)沿途的傳感器掃描和RFID識別結(jié)果作出相應(yīng)指示。同時，每一道工序的末端還會有機(jī)器視覺設(shè)備對產(chǎn)品進(jìn)行光學(xué)檢測，通過與后臺數(shù)據(jù)、圖像進(jìn)行比較，對貼片位置、焊接精度等質(zhì)量信息作出準(zhǔn)備判斷，以此引導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)入下一個步驟。而在經(jīng)過大約20個質(zhì)量控制點后，產(chǎn)品將會搭載自動引導(dǎo)小車通過集成軌道達(dá)到包裝工站，該工站會掃描確認(rèn)產(chǎn)品是否通過所有檢測，并根據(jù)相應(yīng)結(jié)果作出開始自動包裝或停止任務(wù)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(tǒng)可以自動根據(jù)生產(chǎn)工藝撿取對應(yīng)的產(chǎn)品和原料，成都工廠里已經(jīng)高度實現(xiàn)了“混線生產(chǎn)”。幾乎每條生產(chǎn)線上都能夠?qū)崿F(xiàn)不同的工藝或者生產(chǎn)、裝配不同的產(chǎn)品，僅就筆者所見，某條SMT-THT-ICT生產(chǎn)線的產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到了600萬件。而得益于生產(chǎn)資源的有效配置和防呆系統(tǒng)的清晰指令，這些生產(chǎn)線在實現(xiàn)高度柔性化的同時也遵循著嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，過去5年內(nèi)工廠的產(chǎn)品合合格率高達(dá)99.999%，及時交貨率也保證在了99%以上。

值得關(guān)注的是，成都工廠內(nèi)部已經(jīng)形成了“自增長”的高效閉環(huán)。雖然工廠里的設(shè)備很大一部分是由外部廠商根據(jù)西門子提供的參數(shù)規(guī)范和技術(shù)圖紙進(jìn)行定制或集成，但是作為西門子工業(yè)自動化產(chǎn)品的生產(chǎn)基地和研發(fā)中心，相關(guān)PLC軟硬件則全部來自于自主研發(fā)制造。這也就是說，SEWC生產(chǎn)的SIMATIC產(chǎn)品很可能會直接流向成都工廠的下一條新增產(chǎn)線中，進(jìn)而對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。而這一過程的實現(xiàn)在很大程度上依賴于產(chǎn)品制造過程中向SIMATIC IT系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅是柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵，也反過來為研發(fā)驗證提供了有力支撐。

突破空間限制，倉儲物流快、準(zhǔn)、省不同于大多數(shù)智能倉庫動輒數(shù)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(dá)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(shè)施望塵莫及，借助于數(shù)字化物流的理念，實現(xiàn)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(chǎn)能逐漸擴(kuò)大并扭虧為盈，倉庫也順利按照設(shè)計之初的構(gòu)想進(jìn)行了升級，此前預(yù)留的大量擴(kuò)展槽和圓孔接口派上用場，為升級時增添和調(diào)整設(shè)備提供了重要的環(huán)境條件。而如今，倉庫內(nèi)的7個巷道均已經(jīng)開展有序作業(yè)，并由12名員工以每班次4人的方式進(jìn)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(fā)的倉儲物流系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)已經(jīng)集成了包括卸貨、重包裝、入庫、回庫、檢驗、傳輸在內(nèi)的自動一體化，只需要一個簡單的指令就能夠?qū)崿F(xiàn)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(jī)”用數(shù)字定位抓取的方式實現(xiàn)。ERP系統(tǒng)接到訂單指令后，會自動計算物料消耗及補(bǔ)給需求并告知倉庫補(bǔ)庫和取貨，這一過程的運動控制精度很高，相應(yīng)的存取速度達(dá)到每小時120箱。而對于經(jīng)過裝配的產(chǎn)品也是如此，通過數(shù)據(jù)讀取，產(chǎn)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(chǎn)品入庫，整個物流過程都控制在了15分鐘以內(nèi)。

除了主體倉庫外，成都工廠還分別在一期、二期車間內(nèi)設(shè)立了3個高度自動化的中轉(zhuǎn)倉，用于中間品或原材料的暫存。中轉(zhuǎn)倉可以通過左右、上下的多向移動，實現(xiàn)物料在生產(chǎn)線與車間之間的轉(zhuǎn)送，往往加工好的電路板和其他零部件會在進(jìn)入裝配線之前先行在這里進(jìn)行存放一小段時間，等待裝配線配置產(chǎn)能。如此一來，也實現(xiàn)了生產(chǎn)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(shè)充分地考慮了投入產(chǎn)出之間的平衡，并以此確定了人機(jī)協(xié)同的整體模式。目前，廠內(nèi)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(yè)電腦的產(chǎn)能都相對有限，IPC及其結(jié)構(gòu)材料都統(tǒng)一通過人工進(jìn)行搬運堆放。隨著該類產(chǎn)品擴(kuò)產(chǎn)，SEWC打算適時引入AGV、IGV小車等智能設(shè)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(huán)

比起打造全自動化的無人工廠，SEWC似乎更想對數(shù)字化進(jìn)行實體定義。依托成熟的數(shù)字化企業(yè)套件，成都工廠里已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)智能的全周期應(yīng)用，信息流在這里實現(xiàn)了自由暢通，形成了從數(shù)據(jù)集成到分析預(yù)測再到?jīng)Q策控制的智能閉環(huán)。

從某種角度來看，SEWC就像是一個開放式的黑匣子，滿滿當(dāng)當(dāng)?shù)赜涗浿@個空間里形成的全部信息。有些信息依托于無線射頻標(biāo)識直接附著在產(chǎn)品、元器件上，經(jīng)過解析之后沿著生產(chǎn)流程進(jìn)行傳遞；另外一些信息則被記錄在數(shù)字化軟硬件、工業(yè)以太網(wǎng)這類的基礎(chǔ)設(shè)施上，例如在Siemens NX中設(shè)計完成的產(chǎn)品模型和參數(shù)信息，會通過計算機(jī)輔助制造CAM系統(tǒng)輸送至對應(yīng)的生產(chǎn)線，成為引導(dǎo)、優(yōu)化生產(chǎn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)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(biāo)簽識別出的產(chǎn)品信息，還是工業(yè)以太網(wǎng)檢測采集到的設(shè)備狀態(tài)，最后都會統(tǒng)一集成到該數(shù)據(jù)中心。通過Teamcenter，實時更新的數(shù)據(jù)流不僅能在SEWC的開發(fā)人員、產(chǎn)品工程師、生產(chǎn)工程師以及倉儲管理人員之間進(jìn)行交換共享，還能進(jìn)一步實現(xiàn)與安貝格工廠以及外部供應(yīng)商的互聯(lián)互通，從而有效地提高了溝通和開發(fā)效率，并使產(chǎn)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(chǎn)品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和更新信息會自動映射到ERP系統(tǒng)當(dāng)中，后者將接收到的信息比對分析后會制定相應(yīng)的生產(chǎn)計劃下達(dá)至MES系統(tǒng)進(jìn)行分解，進(jìn)而生產(chǎn)電子任務(wù)單以指導(dǎo)車間作業(yè)。整個過程，ERP都會持續(xù)向MES抓取大量的實時數(shù)據(jù)，對物料管理情況和生產(chǎn)制造過程進(jìn)行監(jiān)測跟蹤。進(jìn)一步地，這些數(shù)據(jù)還會以可視化的形式傳遞到對應(yīng)的質(zhì)量系統(tǒng)里，支撐工程師們快速定位、解決問題。而隨著數(shù)據(jù)在流通循環(huán)中不斷形成增加值，成都工廠也在逐步跨越原有生產(chǎn)方式的極限。

交出第一份五年答卷：產(chǎn)量年均翻番

在剛剛結(jié)束的2018財年，成都工廠實現(xiàn)了每3-5秒下線一件產(chǎn)品的生產(chǎn)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(chǎn)將近4萬件產(chǎn)品，全年設(shè)備意外性停機(jī)不超過40小時，系統(tǒng)有效性達(dá)到了95%以上。而如果對比投產(chǎn)之初的2013財年，可以發(fā)現(xiàn)，除了產(chǎn)量實現(xiàn)年均翻番，能耗、不良率、原材料種類等指標(biāo)的優(yōu)化曲線也非常明顯。從數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)研發(fā)和生產(chǎn)SIMATIC工業(yè)自動化系列產(chǎn)品。其中最主要的是PLC可編程邏輯控制器，占據(jù)了成都工廠約70%的產(chǎn)能，這些產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)，已經(jīng)可以實現(xiàn)對六軸機(jī)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(fā)往世界各地，供應(yīng)于各領(lǐng)域、各類型的工業(yè)制造過程。其他從成都工廠誕生的產(chǎn)品還包括SIMATIC HMI人機(jī)交互界面和IPC工業(yè)電腦等，大多也都是模塊化的產(chǎn)品，也因此可以通過利用數(shù)字設(shè)施進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、組裝提高生產(chǎn)效率。

正如前面提到的，西門子倡導(dǎo)人與機(jī)器的緊密協(xié)作，產(chǎn)業(yè)工人在成都工廠扮演著至關(guān)重要的角色。在7x24全年運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)模式下，SEWC目前雇傭了510名藍(lán)領(lǐng)人員，約占全部人員的60%左右，有些操作員、技術(shù)員可能不直接從事生產(chǎn)作業(yè)，但是在計劃、質(zhì)量、采購和物流等環(huán)節(jié)中不可或缺。與此同時，隨著人均勞產(chǎn)率不斷提高，成都工廠對于藍(lán)領(lǐng)人員的需求開始趨穩(wěn)趨緩。

非常有意思的現(xiàn)象是，研發(fā)人員的數(shù)量伴隨著PLC市場進(jìn)入迭代周期，在未來一段時間內(nèi)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(jīng)開始向新階段的智能而跨越。

資料來源：SEWC

事實上，SEWC的發(fā)展速度快于人們的預(yù)期。原定于2019年建設(shè)完成的二期廠房目前已經(jīng)全面投產(chǎn)并滿負(fù)荷運行，只是西門子并不打算止步于10億元的投資規(guī)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(fù)并開始緊鑼密鼓的籌備，成都工廠計劃繼續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，不斷增強(qiáng)研發(fā)實力，“數(shù)字化工程”還將升級。

數(shù)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(jìn)員工轉(zhuǎn)換思維方式，激發(fā)點燃創(chuàng)新烈焰的火花，成都工廠發(fā)起了“3i（創(chuàng)意、主動、沖動）”計劃，鼓勵員工在工藝、技術(shù)和日常運營中的創(chuàng)新，并每月遴選出best practice進(jìn)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(fā)生任何損工事故。

歸根到底，SEWC的全部探索都是為了可持續(xù)發(fā)展。為了降低能耗和成本，成都工廠在設(shè)計之初就采用了節(jié)能泵、氣候控制系統(tǒng)和高能效照明系統(tǒng)等智能樓宇技術(shù)，大約每年節(jié)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(huán)境設(shè)計先鋒（LEED）金牌認(rèn)證的工廠。在此基礎(chǔ)上，每個財年初西門子都會對SEWC下達(dá)具體的能耗目標(biāo)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(jiān)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(fā)展茁壯的隱形基石。

資料來源：筆者整理

雄心之上，數(shù)字化帝國版圖初現(xiàn)

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

正如在成都工廠所見，目前西門子的數(shù)字化企業(yè)套件已經(jīng)依托產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)PLM和制造運營管理系統(tǒng)MOM覆蓋了企業(yè)層、管理層、操作層、控制層到現(xiàn)場層的全部環(huán)節(jié)，并進(jìn)一步地基于TIA系統(tǒng)實現(xiàn)了全集成自動化。西門子的最新財報顯示，這些數(shù)字化產(chǎn)品及服務(wù)在18財年第三季度為該集團(tuán)貢獻(xiàn)了54%的同比利潤增長率，很大程度上彌補(bǔ)了能源等傳統(tǒng)板塊的疲軟表現(xiàn)。

而對于未來，西門子正在圍繞全新的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Mindsphere進(jìn)行布局，在物聯(lián)網(wǎng)集成服務(wù)市場領(lǐng)域，將再雇傭1萬名員工。9月下旬，西門子就該系統(tǒng)落地中國的技術(shù)路線及實施方案和阿里巴巴達(dá)成了協(xié)議，預(yù)計在明年初發(fā)布面向內(nèi)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(yīng)用開發(fā)平臺Mendix，幫助編程人員通過圖形的簡單拖拽完成APP開發(fā)。而更重要的是，西門子德國總部的服務(wù)器上已經(jīng)集成了包括SEWC等內(nèi)外部工廠在內(nèi)的海量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)就像是乳香樹里流淌出來的琥珀色汁液，經(jīng)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(hù)航數(shù)字化板塊，上月初該公司專門成立了負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)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(yè)等形式，近年來西門子的數(shù)字化布局明顯加快。而從財報中制定的目標(biāo)利潤率來看，顯然西門子已經(jīng)把未來的增長極壓注在了數(shù)字化業(yè)務(wù)上。

結(jié)語

成都工廠相比較早在1989年就已經(jīng)建成投產(chǎn)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(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)基地，成都工廠的生產(chǎn)自動化率在75%左右，總計生產(chǎn)約800種產(chǎn)品，而安貝格工廠則已經(jīng)突破80%的生產(chǎn)自動化率，實現(xiàn)了1000余種PLC產(chǎn)品的混線生產(chǎn)。不過工業(yè)4.0本來就是一個不斷進(jìn)化和迭代的過程，從投產(chǎn)之初依賴于人工包裝的半自動化生產(chǎn)，到最近批量新增數(shù)條全自動化生產(chǎn)線，SEWC已經(jīng)開始加速向EWA看齊。

今年底，距離SEWC不遠(yuǎn)的西門子智能制造（成都）創(chuàng)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(chuàng)新中心，而同期落戶的還有Mindsphere全球研發(fā)中心。西門子在成都的下一個五年，充滿著嶄新而無限可能。