數字工廠進化論

　　數字技術正在深刻改變著製造業的生產模式和產業形態，在新工業革命的歷史起點上，中國企業能否完成製造理念和技術的轉換尤為重要。

◎本刊記者 劉靜 | 文(發自北京、上海)

　　一台機器人正在敲響面前的木琴，演奏出一首耳熟能詳的聖誕頌。一個機械手臂正把流水線上不同顏色、雜亂無章的產品快速識別，按照顏色類別分揀到另一條有序排列的流水線上。

　　這是2014年11月4日在上海舉辦的中國國際工業博覽會上頻頻出現的場景，尤其在工業自動化分展區，幾乎每個參展公司都使出渾身解數將產品通過最直觀的實景演示出來。

　　在西門子公司展台，一個很小的數字生產線正在自動運行。每件產品上都有RFID標籤承載著自身信息，感測器通過感知RFID標籤採集和提供信息，識別經過的產品是可樂還是雪碧。中央控制系統根據收集的信息和需求，能夠控制工藝的時間，並做出設計和調整。電機和齒輪馬達隨時運轉和執行製造命令。

　　「如果這是一個工廠，管理者只需要坐在辦公室里，通過電腦就可以了解和控制整個流水線的情況。」西門子(中國)有限公司執行副總裁兼過程工業與驅動集團總經理林斌告訴本刊記者。

　　這只是一個簡單的高度自動化和數字化的工廠演示。為了讓自己描繪的數字製造藍圖更加清晰可見，西門子建立了樣板工廠作為工業4.0的現實雛形。

　　西門子展台前並列排放著6塊可觸控的液晶顯示屏幕，後方的純白色背景板上的藍色大字清晰可見：「數字製造，我們助力中國製造業更上一層樓。」六個屏幕上分別展示的是西門子的產品生命周期管理軟體、COMOS沉浸式三維軟體、全集成自動化、全集成驅動系統、過程自動化和能源效率6大板塊。這是西門子所打造的「數字製造」產品版圖。

　　林斌向記者強調：「工業4.0是一個長遠的願景，如果沒有這些關鍵的基本要素，數字化工廠和工業4.0是沒有辦法實現的。」

　　數字化領跑

　　在人流量最大的機器人展廳，庫卡的機器人「LBRiiwa」正在揮舞著「胳膊」。作為世界上第一台擁有第七根軸、能夠智能記錄「搖曳」常用線路的工業機器人，「LBRiiwa」受到了意料之內的矚目。

　　很少有人知道，在這個全球領先的機器人內部，有著西門子數字化工廠提供的核心部件。工業軟體、數字化硬體及服務無縫集成，西門子這個工業4.0的提倡者迅速完成了角色轉換，搖身一變成為了數字製造背後的巨人。

　　對於西門子來說，這並不是一個突兀的選擇，而是水到渠成的轉變。

　　國際金融危機的爆發為西方發達國家敲響了警鐘，由於不願放棄硬體製造而曾被視為「歐洲病人」的德國，製造業始終保持著在GDP中20%以上的佔比，實現了穩健的經濟增長。西方國家開始意識到，實體製造業的缺失正是經濟出現危機的根本原因之一，一場以製造業變革為核心的工業革命開始醞釀。

　　在2013年的德國漢諾威工業博覽會上，德國第一次正式提出了圍繞「數字工廠」和「數字製造」的「工業4.0」的概念。在德國對未來製造業的描述中，這是一次以信息物理融合系統(CPS)為基礎，以生產高度數字化、網路化和機器自組織為標誌的全新工業革命。

　　作為一個擁有167年製造歷史的德國工業企業，當其他工業企業還在醞釀數字製造的理念和技術時，西門子公司已經理清思路，搶先展開了行動。

　　西門子執行副總裁、工業業務領域首席執行官魯思沃(Siegfried　Russwurm)認為：「數字化技術正在深刻改變著製造業的生產模式和產業形態，工業4.0的真正到來可能需要20年左右的時間。」因此，為了達到工業4.0的目標，製造企業需要兩步走。在實現信息物理融合之前，還有一個漸進的過程——工業3.X。

　　按照魯思沃的構想，這個數字製造的過程可以按照產品設計、生產規劃、生產工程、生產實施和服務分成五個階段。這五個階段都要實現數字化並且無障礙打通，從而實現更高的生產力、效率和生產靈活性，以及更短的上市時間。

　　具體來說，就是利用工業軟體信息技術和工業自動控制技術，通過強大的生產執行系統和數字化企業平台，把虛擬世界和現實的生產通過數字化互聯融合起來，最終保證整個生產價值鏈的數據能夠進行無縫交流。

　　事實上，從10年前開始，西門子已經發力數字化布局。整合了本身的傳統強項工業自動化驅動和感測器，西門子決定同時在產品與系統、流程與軟體工具兩條線上布局數字製造。

　　在工業4.0的概念面世不久的2014年5月，西門子發布了2020公司願景，第一次將「數字化」提出來，與原本的「電氣化」、「自動化」同時定位為未來西門子的三大戰略之一。

　　為了全面發掘包括製造業在內的數字化發展潛力，同年10月，西門子內部進行了重組。面向製造業和工業市場，專門正式組建了數字化工廠業務集團和過程工業與驅動業務集團。數字製造已然成為西門子未來最核心的業務之一。

　　「數字製造最典型的數字化要做到四點。」中國工程院院士、清華大學教授柳百成向記者解釋，「設計數字化、製造數字化、研發數字化、全生命周期數字化。」

　　西門子早已掌握了數字製造的核心，並開始繪製西門子的數字製造產品版圖。生命周期管理軟體(PLM)、COMOS沉浸式三維軟體、全集成自動化(TIA)、全集成驅動系統(IDS)、過程自動化和能源效率構成了6大板塊。

　　「用生命周期管理軟體幫助產品研發部分實現自動化，用製造企業生產過程執行管理系統(MES)實現生產和質量管理的數字化，最後用全集成自動化去實現工廠車間一級的生產製造數字化。」西門子(中國)有限公司高級副總裁、數字化工廠集團總經理王海濱向記者解釋。

　　其中，生命周期管理軟體是數字製造最核心的。「從設計和驗證，到安排生產，到最後的運營，都可以在生命周期管理這一個數據平台上完成。」王海濱告訴記者。

　　假設在7天內要交付客戶定製化產品，只有實現全生命周期的數字化，先通過數字設計，在數字化環境中快速驗證製造的可能性和成本開銷，然後直接發往自動化工廠，最終才能做到敏捷生產製造有批量化規模的定製化產品。

　　在西門子的願景中，數字製造顯然是一個西門子能夠憑藉產品和技術實現的核心競爭力，以及長期增長和高收益的領域。有了清晰的版圖，領跑數字製造，西門子已然當仁不讓。

　　建造樣板

　　擁有高度自動化的生產線，供應鏈自動相互協調，產品與生產機器之間可以無障礙通信，生產過程由IT控制。西門子的第一個智能化數字工廠，甚至可以說是全世界最先進的數字工廠，就是坐落在德國巴伐利亞洲東部的安貝格市，已經迎來25周歲生日的安貝格電子工廠。

　　雖然自改造數字工廠以來，廠房生產面積基本沒有擴大，員工也沒有增加，但安貝格工廠的產能卻提升了8倍。由於自動化率達到了75%以上，安貝格工廠出產產品的缺陷率大幅度降低到12%。

　　考慮到中國已成為最大的自動化技術市場，西門子也將德國數字製造的「工業3.X」經驗輸送到了中國。

　　以安貝格工廠為藍本，採取完全一致的規劃、流程、工藝和質量標準體系，2013年2月，西門子在中國成都建成投產了德國之外的首家高度自動化的數字工廠，並在信息數據方面與安貝格工廠和西門子美國的研發基地實現了互通共享。

　　與安貝格工廠類似，西門子工業自動化產品成都生產及研發基地(SEWC)生產的也是數字製造的關鍵硬體——工控機、可編程式控制制器(PLC)、人機界面(HMI)等。這些產品每件都擁有自己的數據信息。在研發、生產、物流的每個環節中，這些數據信息不斷被豐富，並實時更新到中央的數據平台。

　　每當一件新產品訂單到來，研發中心的設計人員就可以利用產品全生命周期管理(PLM)系統下的集3D計算機輔助設計、製造和模擬分析作用為一體的NX軟體，開發、設計產品並進行模擬分析和可生產性驗證，編程時間與之前相比減少了90%。

　　設計的最終結果通過高性能的PLM系統的Teamcenter板塊，實現產品開發部門到製造中心之間的數據交換，由製造執行系統(MES)分解製造指令，發送到流水線，並實時控制整個生產過程。

　　原料自動配送到流水線上之後，生產工人根據面前電腦屏幕上的執行動作圖示，進行工序和動作執行。裝配工作完成後，工人按下工作台上的按鈕，MES系統就會根據感測器感知到的產品數據信息，指揮小車開往下一道工序。最後，經過質量檢測和包裝、裝箱，最終的產品就會通過升降梯和傳送帶自動運到物流中心並進行出貨運輸。

　　由於實現了從管理、產品研發、生產到物流配送全過程的數字化，包括研發人員在內僅擁有350名員工的成都工廠，產品的一次通過率(FPY)達到了99%以上，產品的交貨時間與西門子的其他中國工廠相比縮短了50%，工廠在能源上的消耗也減少了30%以上。

　　這是一個數字工廠最理想的狀態。能夠靈活、多批次的生產，沒有庫存壓力，只有高效、自動化的連續流生產和準時生產。投產兩年不到，西門子工業自動化產品成都生產及研發基地已經開始了第二期的規劃，擴建廠房，擴大規模，引入更多的產品。

　　西門子數字工廠的版圖正在不斷擴張。繼西門子成都工廠之後，西門子又與亞洲規模最大的亞麻紗製造商金達控股有限公司簽署了戰略合作協議，共同建設新的數字化工廠。

　　「這是中國本土民營企業第一次使用西門子的數字化工廠技術解決方案，去改造生產質量、工藝流程、效率和工廠設備的運維。」王海濱告訴記者。對於西門子和中國企業來說，這都是一次具有特殊意義的突破。

　　引進變革

　　數字製造已經揭開了神秘的面紗。隨著人們對個性化產品需求的不斷提高，對產品更新換代速度的要求不斷提升，數字化變革的力量比在任何時候都要顯著。

　　過去美國設計波音767飛機的時候，設計完成之後要做66次價格昂貴的風洞試驗，通過物理模擬不同情況下的氣體流動對飛機產生的影響。到了研究波音777和787的時候，因為可以做模擬數字模擬，風洞試驗只需要做11次，縮減了55次之多。

　　在中國，那些較早引入部分數字化技術的企業已經早早地嘗到了受益的滋味。華潤水泥集團從2012年開始使用全集成驅動系統，在兩年之內就節省了1000萬元的能源成本。

　　採用了產品生命周期管理軟體的汽車生產設備製造商柯馬(上海)工程有限公司，利用虛擬模擬技術，將產品測試的過程搬到了數字化平台上，縮短了1/5的上市周期。

　　對於這樣的變革，上海延峰江森座椅有限公司副總經理倪嘉文有著切身的體會。

　　1988年入職汽車行業的倪嘉文，第一份工作是做汽車內飾。當時沒有任何數字化平台和系統，他只能用圖紙繪畫、設計，用木頭做產品模型。那個時候的設計工作更像是一份純手工的工藝活。產品設計的預見性也很差，驗證中一旦出現問題，就要不斷修改。開發一款新產品，要耗費相當長的時間和極大的成本。

　　現在的情況則完全不同。作為合資企業，延峰江森在1997年成立之初引入了數字技術。延峰江森研發中心的設計人員只要用數字軟體就可以做設計和模型，代替真實的模型樣件。數字模型可以進行數字化驗證，完成試驗之後投入加工製造，並用數字化管理生產。

　　「以前所有的經驗和風險都輸入了系統，做成了數字化模板。沒有經驗的人也可以站在前人的肩膀上，快速設計出符合要求的產品。」倪嘉文告訴記者。

　　這對於產品設計師來說極為關鍵。一般情況下，如果想要理解某樣工藝製造的關鍵技術，設計師必須有20年以上的經驗。當前人的經驗被錄入系統，並設置好設計上的極限閾值後，一個沒有經驗的新設計師也不會犯錯誤，不會設計出不符合製造規範的產品。

　　在使用數字製造後，從研發到測試到製造的所有工序都縮短了，潛在的安全隱患和召迴風險也大大降低。「這是我們選擇數字化的重要原因。」倪嘉文表示。

　　正對延峰江森的大門，原本佔地2萬平方米的廠房已經消失不見，取而代之的是1000人規模的技術中心和樣件驗證中心。驗證中心內，各種各樣的機器人和機器設備正在自動模擬實驗。疲勞試驗、頭枕打擊實驗、氣囊實驗、撞擊實驗、成品3D照相虛擬檢測一應俱全。

　　以前需要將座椅裝上汽車，找不同的環境溫度、不同的道路做跑路實驗，現在只需在一個可以模擬道路環境和溫度濕度情況的6方向振動台上，就可以模擬測試道路運動給座椅帶來的損傷。

　　倪嘉文告訴記者，這只是延峰江森數字化進程中的一個步驟。目前用數字化系統測試的模擬數據還需要和驗證中心測試出的真實數據進行對比。當模擬數據與真實數據的一致性達到一定水平，真實測試的數量和周期才能夠逐漸降低。

　　「等到模擬完全達到真實測試水平時，也許我們的測試中心也會跟過去的廠房一樣，被其他的功能區代替。」倪嘉文向記者補充道。

　　延峰江森的目標是儘可能用數據管理，用機械化、自動化完成數字化的進程。從2012年的170億元，到2013年的208億元，再到今年預計的250億元，延峰江森的銷售額正在憑藉數字化的力量超速增長，在汽車座椅市場佔據1/3的份額。

　　跨越門檻

　　對於多數中國製造企業來說，數字製造還是一個很難跨越的門檻。很多本土企業還沒有擺脫勞動密集型的工業2.0規模化流水線，仍然徘徊在價值鏈的低端。但也有一些頗有遠見的中國製造企業早早布局數字化，跨越了工業3.0的門檻。

　　2011年，一座數字化工廠悄然出現在三一集團星沙總部內的18號廠房。憑藉這個由湖大海捷、華工製造、華中科大、三一重工共同承擔的「工程機械產品加工數字化車間系統的研製與應用示範」項目，三一重工的總裝車間一躍成為行業內最先進的數字化工廠。

　　事實上，早在2008年，三一集團就由董事長梁穩根直接牽頭啟動了精益製造變革。在參觀了豐田公司和卡特公司之後，三一集團制定了下料、成型、焊接、機加等8大工藝標準體系，並開始引進數字化設備。

　　2007年，三一重機崑山產業園引進第一台用於焊接的機器人。從崑山開始，機器人在三一集團的生產線上大批量使用。機器人的推廣出乎意料的順利，但要實現數字化製造並非如此簡單。

　　「三一集團屬於典型的離散型製造。我們的特點是品種特別多、每一品種批量很小。想要實現在一個流水線上批量製造不同品種的設備，對數字製造有很高的要求。」三一集團高級副總裁兼首席流程信息官賀東東告訴記者。

　　面對不同的訂單，不同配置、不同型號設備的生產訂單要由MES系統按計劃統一下達。製造指令要能夠快速分解到每一個工位，並且準確傳遞到零部件製造加工中心和倉儲系統，準確送達裝配線並且通過流水線的方式，裝配出不一樣的設備。這對三一集團來說無疑是一個挑戰。

　　三一集團開始自己研發製造執行系統(MES)，並且自己生產用於加工設備的專業高端機床，快速響應製造指令，加上自動的倉儲和物流系統，三一集團終於打通了最後「一百米」，實現了製造設備層的機器與機器的連接。

　　2012年投產的三一重機上海臨港產業園，當這裡還是一片空地的時候，工廠已經被數字化建立起來了。佔地7.2萬平方米、光線明亮的紅白相間的裝配車間里，只有幾十個工人在工位作業。

　　玻璃房頂下側的空中自動輸送鏈和地下的自動輸送設備與10米高的立體高架倉庫相連。立體庫里，一支機械手臂正在按照生產計劃，自動調度所有物料。

　　地面上，一台AGV小車剛剛從立體庫出來，正沿著黃色定位標誌線，將結構件物料與裝配物料運送到指定的工位。現場的工人手裡拿著PDA手持終端，對著完成工序的機器進行掃描，從而完成質檢和向中央系統的報工。

　　「我們在做的是一個全息車間的概念，也就是全部車間實現信息化、數字化。」三一集團中挖公司製造商務副總監劉濟東告訴記者。

　　全息車間內，每一個生產環節都採用數字化設備。所有設備都通過覆蓋全廠區的無線網路，從原料到生產的各個環節都與生產系統相連，實現實時監控，同時與ERP系統高度集成，從而實現整個工廠管理和生產的高度協同。

　　這個車間擁有自動化設備180多台，擁有行業里最高的機器人使用率和用物聯網技術構建的生產管理系統，在物流、裝配、質檢等每一個環節都實現了自動化，可以快速精準的完成製造流程。在生產線運行節拍調到最快的時候，每5分鐘就可以製造一台挖掘機。

　　作為中國製造企業，三一集團已經跨越了數字製造過程中最難的一個門檻。中國的製造企業顯然正在努力吸收西門子等公司的經驗，向著先進位造轉變和跨越。

　　這是一個關鍵的轉折點。在歐美國家「製造業迴流」的呼籲下，中國想要從製造大國成為製造強國，尚需負重致遠。

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