西门子的数字化魔力

赵胜

试想一下，如果你是一家汽车生产商的负责人，你认为最理想的生产状况是怎样的？例如，你收到了生产 100辆卡车和100辆轿车的订单，你是先生产100辆卡车，还是将大卡车与小轿车混合交替生产？

如果先生产100辆卡车，则会产生大量的待售品，占用更多的现金流。理想的生产状况是进行灵活的小批量、多批次生产，使生产得以均匀、连续，这样产生的库存待售品才最优，而且生产过程的原材料消耗会更少，现金流也更为顺畅。未来制造工厂所追求的目标必然不再是工业化大生产，而是建立在端对端数字化之上的多品种、个性化、高效优质的生产。

位于德国安贝格的西门子电子制造工厂（EWA）就是智能数字化未来工厂的梦想雏形，今年上半年，我多次前往EWA进行学习。同行的德国伙伴告诉我，就是这样一座“朴素”的工厂，不仅实现了从管理、产品设计、研发、生产到物流配送的全过程数字化，还能通过先进的信息技术，与美国研发中心进行实时的数据互联。

在EWA生产车间，员工们身着蓝色的工作服，有序地走在一尘不染、蓝白相间的PVC地板上。齐胸高的灰蓝色机柜整齐地排成一行，在安置其间的显示器上，数据洪流如同瀑布一般，倾泻而下。在这里，一场工业领域的“数字革命”正悄然拉开序幕。

自己生产自己

一直以来，EWA都被誉为西门子集团王冠上的宝石。现在，这个占地10000平方米的高科技生产车间，则成为了西门子实施“数字化企业平台”的典范。

“数字化企业平台”是实现数字制造的载体，它可以实现包括产品设计、生产规划、生产工程以及生产执行和服务的高效运行，能以最小的资源消耗获取最高的生产效率。在这种生产环境中，每个产品都有自己的代码，产品可自行控制其本身的生产过程。换句话说，生产代码只需要告诉机器有哪些要求，接下来必须执行哪道工序，产品就像会“说话”一样，通过数字化的“语言”让其从设计到服务都畅通无阻。

EWA主要生产Simatic可编程逻辑控制器（PLC），以及其他工业自动化产品，产品种类达到了1000种。现在，它们已经将数字化工厂所需的主要组件部署完成，让产品与生产机器之间可以互相“通信”，全部生产过程均为实现IT控制进行了优化，从而使故障率最小化。

依靠智能系统，EWA员工的工作流程与结果也发生了翻天覆地的变化：新的生产流程伴随着不计其数的变化因素和错综复杂的供应链不断得到优化，在生产面积几乎没有扩张，员工数量也没变的情况下，产能却提升了8倍，产品质量更是比25年前提高了40余倍。EWA的负责人自豪地说：“EWA的产品质量合格率高达99.9988%。据我所知，全球没有任何一家同类工厂可以实现如此低的故障率。”EWA每年能生产约1200万件Simatic系列产品，按每年生产230天计算，即平均每秒就能生产出一件产品。

目前，EWA的生产设备和计算机可以自主处理75%的生产价值链，以前需要用人工完成的动作通过“智能算法”固化在机器中，让机器代替人工，只有剩余四分之一的工作需要由工人来完成。也就是说，仅在最开始的时候，需要人工将印刷电路板放置在生产线上，此后所有的工作均可以由机器自动控制进行。Simatic系列产品的生产过程正是由它自身控制的，换句话说就是“自己生产自己”。在这里，每条生产线几乎都运行着大约千台Simatic控制器，自动化流水线正在生产的就是西门子自动化产品，这就好像美国科幻电影里的机器人生产机器人一般。

可见即可得

研发是数字化工厂“数据链条”的起点。在数字化制造的前提下，产品的设计和制造都基于同一个数据平台，消除了EWA研发部门与生产部门工作的时间差，彼此同步进行让各方配合得更加默契，这大大改变了传统制造的节奏。另外，由于在研发环节产生的数据能够在工厂各个系统之间实时传递，同时数据的同步更新又避免了传统工厂由于沟通不畅产生的误差，更大大提升了EWA的生产效率。

作为EWA研发新产品的载体和工具，西门子PLM的产品开发解决方案——NX软件，可以支持产品开发过程中从设计到工程和制造的各个方面，并通过集成多种学科仿真，来提供全系列先进零部件制造应用的解决方案，这是其他计算机辅助设计软件都难以实现的。研发部门的工程师们可以通过NX软件进行模拟设计，在设计过程中进行模拟组装和性能测试，真正实现“可见即可得”，这为研发人员节约了大量的时间和精力。当然，这对工程师们也有一定要求，他们对将要用于制造产品的机器的属性了解越透彻，所编写的模拟程序就越精确。

在NX软件中完成设计的产品，都会带着自己专属的数据信息继续“生产旅途”。这些数据一方面通过CAM（计算机辅助制造系统）向生产线不断传递，为完成接下来的制造过程做准备；另一方面也被同时“写进”数字化工厂的数据中心——Teamcenter软件中，供质量、采购和物流等部门共享。采购部门会依据产品的数据信息去采购零部件，质量部门会依据产品的数据信息进行验收，物流部门则依据数据信息确认零部件。

共享数据库是Teamcenter最大的特点。当质量、采购和物流等不同部门调用数据时，它们使用的是共享文档库，并能通过主干快速地连接到各责任方。即使数据发生更新，不同的部门也都能在第一时间得到最新的数据，这就使得EWA研发团队的工作变得更加简单、高效，避免了传统制造企业在研发和生产环节之间由于数据平台不同而造成的信息传输壁垒。

流程更少更快

在EWA生产产品的过程中，高度的数字化得以充分体现。西门子全集成自动化解决方案（TIA）将数字化与生产成功结合：PLC引导生产流程，视觉系统识别产品质量，自动引导车进行产品传递，这都使得工厂产品的一次通过率（FPY）达到99%以上。

一名PLC装配工位上的普通员工告诉我，他现在的日常工作都在电脑上完成。每天，由西门子MES系统生成的电子任务单都会显示在装配人员的电脑上，而实时的数据交换间隔小于1秒，这意味着操作人员随时可以看到最新的版本，并可以细致入微地观察每一件产品的生命周期。

而西门子MES系统SIMATIC IT则充当了传统制造企业的生产计划调度者。它采用虚拟化技术，由MES系统统一下达生产订单，在与ERP系统高度集成之下，可以实现生产计划、物料管理等数据的实时传送。此外，SIMATIC IT还实现了工厂信息管理、生产维护管理、物料追溯管理、设备管理、品质管理和制造KPI分析等多种功能的集成，能够保证工厂管理与生产协同。当自动引导车送来一个待装配的产品时，传感器就会扫描出产品的代码，将数据实时传输到MES系统，然后电脑上就会显示出它的信息，MES系统再通过与西门子TIA全集成自动化的互联，等到相应零件盒的指示灯亮起，装配人员便可根据指示灯进行操作。这满足了自动化产品“柔性”生产的需求 ，即在一条生产线上同时生产多种产品。有了指示灯的提示和对应，即使换另外一种产品也不会怕装错零件了。

待装配人员确认装配完毕，按下工作台上的一个按钮，自动化流水线上的传感器就会扫描产品代码，记录它在这个工位的数据。SIMATIC IT以该数据作为判断基础，向控制系统下达指令，指挥引导车随即将它送去下一个目的地。

在到达下一道工序前，产品必须通过严格的检验程序，以PLC产品为例，在整个生产过程中针对该类产品的质量检测节点超过20个，可以充分保证产品的质量。1000多台扫描仪实时记录着每一道生产工序以及诸如焊接温度、贴装数据和测试结果等详细的产品信息。在此过程中，Simatic IT每天会生成并储存约5000万条生产过程的信息。其中，视觉检测是EWA数字化工厂特有的质量检测方法，相机会拍下产品的图像与Teamcenter数据平台中的正确图像作比对，一点小小的瑕疵都逃不过SIMATIC IT品质管理模块的检测。

在经过多次装配并接受多道质量检测后，成品将被送到包装工位。经过包装、装箱等环节，一箱包装好的自动化产品就会通过升降梯和传送带被自动送达物流中心或立体仓库。这样一个完整的生产环节，在传统的制造企业要通过几十甚至上百人的手去完成，而在EWA的车间内，绝大多数的工序都借以自动化设备完成，实现了“又好又快”的生产操作模式，节省了大量的人力和时间。

“全程透明”的数字化物流

在EWA中，研发和生产过程通过数字化科技被发挥到了极致。同样，在物流环节，数字化的优势依然明显，这体现在EWA的数字化物流系统的运用中。

在物流上，ERP、西门子MES系统SIMATIC IT以及西门子仓库管理软件发挥着重要的作用。例如，自动化流水线上的传感器会对引导车上的产品代码进行扫描，扫描得到的数据就会“告诉”软件系统在该装配环节需要的物料是什么，员工只需按动按钮，物料即从物料库自动输送出，并通过流水线上传感器的“指挥”，送到指定位置。这一过程“全程透明”且不需要人工干预，完全实现了从原材料、产品从起点至终点及相关信息的有效流动。相对于传统制造业，这种方式不但节省了时间，提高了效率，同时还避免了因信息传递不及时等原因造成的错误生产和重复生产。

在物料的中转环节，依照精益生产中的“以需定产”原则和“拉式生产”概念，生产流程的各工序只会在收到实际需要的数量时才进行生产，这就保证了工厂能够“适时、适量并在适当地点生产出质量完善的产品”。

在EWA布局紧凑的高货架立体仓库，有近3万个物料存放盒用来存放更大批的物料。但其物料的存取并不用叉车搬运，而是通过“堆取料机”用数字定位的模式进行抓取，所以不必考虑叉车通过的距离，这让物料库的设计更加合理，从而节约了更多的空间。

在EWA，真实的生产工厂与虚拟的数字工厂同步运行，真实工厂生产时的数据参数、生产环境等都会通过虚拟工厂反映出来，而人则通过虚拟工厂对真实工厂进行把控。“工业4.0”的中心是智能化工厂，智能化工厂的基石是数字化信息处理系统。在西门子的概念中，EWA是真正意义上的智能化工厂，其自动化不是简单的机械对人力的代替，而是既包含了自动化生产，也包括了自动控制和自动调节，是建立在数字化生产基础上的自动化。

EWA的生产过程代表了西门子面向未来的技术，更展现了“工业4.0”未来的愿景——实现真实世界和虚拟世界在生产过程中的完美融合，产品之间以及产品与机器设备间的通信将使生产路径进一步优化。

未来，工厂不再是由大型设备堆砌起来的机械巨兽，而更像是一弯灵动的数字潺泉。工厂将能够单独、快速、低成本且高质量地加工每一个产品，从而实现当前工厂难以企及的、更高的灵活性和经济高效性。

作为“工业4.0”的倡导者和先行者之一，西门子的脚步正愈发坚实。正如其全球工业总裁鲁思沃教授所说的：“如果说，工业4.0的时代还要20年，那么西门子目前已经到达了‘工业3.8。”