未來的工廠

劉燕

西門子希望把成都樣板間復制到中國更多客戶的工廠去，幫助它們成為下一個“Siemens”。

工廠車間里明亮、潔凈，為數不多的幾個工人站在電腦旁不時盯著屏幕、敲擊鼠標。大量吊臂、機器人、電子屏、電腦、布滿傳感器的流水線，被有序地安放在一個固定又能靈活調配的工位上，正通力合作全面開工。

在接到一批空皂液瓶的生產訂單后，工人只需點擊鼠標確定設計方案，產品將這樣誕生：貼著射頻識別（RFID）標簽的物料通過軌道從高位貨架自動進場，綠色的傳感器讀取標簽指揮它該進入的下一道工序，來到組裝環節后，機器人就會根據標簽識別為瓶子套上黑色或是白色瓶蓋。皂液瓶帶著數字記憶與無線信號和生產環境進行信息交換，自動完成了生產全過程。

此外，每個裝有產品的箱子上也都貼有專屬標簽，標簽上的二維碼記錄了它們在整個生產過程中的質量數據、配件信息。一旦某個批次的產品出現問題需要檢測，只要去讀取相應的二維碼就可以實現追溯。

這原本是西門子德國安貝格電子制造工廠的運作場景，現在它以同樣的面貌被復制在中國成都。于是，在人、機器和信息數據互聯的推動下，工業數字制造在中國有了新故事。

所見即所得

接到為菲亞特（中國）制造一條完整白車身生產線的訂單時，柯馬（上海）的數字化改造已經持續了3年時間。2008年，柯馬使用的生產線規劃工具僅僅是Office軟件，在一個重要項目中，它們選擇了Siemens PLM Software仿真軟件Tecnomatix的新版本Process Designer和Process Simulate解決方案，第一次引入用于生產線和作業單元的仿真測試，把Office軟件中生硬的二維線條變成了3D場景，設計與規劃實現了真正的“所見即所得”。

而菲亞特的白車身生產線項目又加大了難度，最核心的問題在于，在一個焊接工位上會有18臺機器人同時工作。“這個18臺機器人工作臺的復雜性，相當于一個常規面積的工位，18個人同時在上面工作。”柯馬（上海）工程有限公司機械工程部經理丁裕冬解釋，每個機器人的個頭比人還大一點，而且有些機器人在同一個區域焊接，所用的焊槍型號也不同，所以在一個時間點上需要錯開。

這對機器人工作程序的編寫精確度要求非常高，同時還要避免出現通信干擾。“我們仿真了所有的白車身作業單元，從點焊開始，一直到螺柱焊、激光焊等更加先進的技術。通過仿真測試，我們向客戶交付了一個車頂焊接工作站，其中兩個機器人進行點焊作業，而另外兩個機器人進行焊接作業，兼顧美觀同時控制了成本。”柯馬機械工程部工藝工程經理Riccardo Piegaia說。

最終，柯馬僅用20名工程師花了近半年的時間，就完成了菲亞特項目一系列頂尖的仿真測試，并節省了60%的試驗成本。通過在虛擬環境中仿真生產過程，可以虛擬和判斷出生產或者規劃中可能出現的矛盾、缺陷、不匹配，所有情況都可以用這種方式進行事先的仿真，使工作人員在試產前就能夠及時調整設計中的缺陷和問題，縮短大量在現場真實操作的時間。而按照傳統做法，這樣短的項目交付周期是無法想象的：每個作業環節單獨完成后，把各自生產好的部件帶到現場去安裝，再不斷地與客戶溝通反復進行調試。“Tecnomatix具有補償調校功能，可以保證生產線仿真的精準度達到98%，有助于減少車間中的返工次數。”Siemens PLM Software大中華區市場總監權奎奭說。

事實上，在航空和汽車等行業已有超過900萬名許可用戶在使用Siemens PLM Software產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）軟件，早在規劃階段進行產品功能試驗，通過在虛擬工廠中仿真生產流程，該軟件縮短了生產規劃周期。

人與機器協作

柯馬利用Siemens PLM Software軟件實現了“虛擬式生產”，而這只是“數字化制造”對生產模式進行改造的一部分。而作為一個數字制造工廠的樣板間，西門子工業自動化產品成都生產研發基地（以下簡稱“西門子成都工廠”），造就了另一個透明工廠的生產畫面。

在這里每一件新產品都擁有自己的數據信息，這些數據信息全部實現了無縫的互聯，并在研發、生產、物流的各個環節中被不斷豐富，它們構成了一個全新的生產制造體系，在任意一個完整的生產環節，都不再需要上百人的工人分工完成，取而代之的是人與機器通過信息技術進行溝通互動，實現更為精確的生產協作。

王云龍畢業于成都某院校的電子信息專業，是西門子成都工廠PLC（可編程控制器）裝配工位上的一名普通員工。來到這個不一樣的工廠，他的工作顯得有些孤獨。他不需要手工抄寫任務單，更不用與不同生產線交流，只要對著工作臺前方的電腦屏幕，就能從每隔一秒更新一次的實時任務單數據就可以了。生產訂單自動下達，生產計劃、物料管理等數據也會實時傳送。

在王云龍的工作臺上有5個不同的零件盒，每個零件盒上都配有指示燈。當自動引導小車送來一款待裝配的產品時，傳感器都會掃描產品條碼信息并顯示在電腦顯示屏上，然后相應所需零件盒上的指示燈亮起，王云龍就知道該安裝什么零件，并且即使換另外一種產品王云龍也不會裝錯。

確認裝配好的產品之后，王云龍只需按下工作臺上的一個按鈕，自動化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。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，指揮小車將它送去下一個目的地。

在到達下一個工序前，產品要通過“嚴格”的檢驗程序，以王云龍裝配生產線為例，在整個生產過程中針對產品的質量檢測節點就超過20個。其中，視覺檢測是數字化工廠特有的質量檢測方法，相機會拍下產品的圖像與Teamcenter數據平臺中的正確圖像作比對，一點小小的瑕疵都逃不過。

在經過多次裝配并接受過多道質量檢測后，成品將被送到包裝工位。再經過人工包裝、裝箱等環節，一箱包裝好的自動化產品就會通過升降梯和傳送帶被自動運達物流中心或立體倉庫。

改變“制造”

數字化生產只是實現工業4.0的第一步，未來是要完成全廠從管理、產品研發、生產到物流配送全過程的數字化，而這不僅僅在改變著制造方式本身。

在西門子成都工廠總經理Andreas Bukenberger看來，數字化制造也帶來分工協作上的變革。以前的流程是，研發部門先出一版設計圖紙給采購、生產部門，生產部門完成后介入質量部門，在這個過程中，設備采購成本、實施可行性等各方面因素，都可能導致圖紙進行無數次修改。只要設計改變，其他環節也都要相應做出改變。“由Teamcenter進行統一的數據管理，在開始設計時數據平臺就已經在后臺共享，研發上面說做出來的數據，可以通過軟件直接傳送到輸送機床上，而制造環節也會有各種各樣參數要求，例如我們的加工軌道的寬度、檢測精度。這些數據都可以和研發數據進行同步和仿真。這樣的方式就可以解決設計制造融合的時間問題，使之速度更快。”

同樣，高效的數字化系統也使生產更加精細和精準，對產品質量穩定性的提升不言而喻。如果一個傳統工廠開始工作，在購買設備、召集生產線工程師的同時，還需要用大量時間，對每個人的操作習慣、設備穩定性進行研究和調整。但是，如果把所有的變量輸入系統并建模，就可以在拿到這些數據以后，直接放到生產中去，可以使整個生產變得方便和高效。另一方面，這一切只需要一個軟件工程師通過系統來做，而不再需要大量生產線的工業工程師。

“我們的生產線上有超過50個質量監控點，它們都會實時向后臺發送一個數據。然后每20分鐘就會生產一個質量報告，報告出現在工廠的質量狀態，這個時候，我們就可以根據這些質量狀態，去找出問題做質量的監管，保證產品的質量隨時在可控狀態中。”西門子工業自動化產品成都生產研發基地卓越運營部經理戴霽明說。

而在產品開發的更早期，數字化制造也在發揮著作用。成本核算往往是產品生產后期才執行，這導致了一些問題：開發人員向采購專員尋求意見時，規劃工作已開展了一段時間，以至于任何變更都會導致巨大的額外費用。一旦工廠運作系統中納入成本核算解決方案，它可以持續不斷地更新所有影響到成本的變化因素。這意味著可以隨時執行采購價格分析，并且可以快速估算出設計和制造替代方案的成本。

“應用了西門子數字化企業平臺解決方案的成都工廠與西門子在中國的其他工廠比較，產品的交貨時間縮短了50%。”Andreas Bukenberger說。西門子希望把成都樣板間復制到中國更多客戶的工廠去，幫助他們成為下一個“Siemens”。