数字工厂进化论

刘静

数字技术正在深刻改变着制造业的生产模式和产业形态，在新工业革命的历史起点上，中国企业能否完成制造理念和技术的转换尤为重要。

一台机器人正在敲响面前的木琴，演奏出一首耳熟能详的圣诞颂。一个机械手臂正把流水线上不同颜色、杂乱无章的产品快速识别，按照颜色类别分拣到另一条有序排列的流水线上。

这是2014年11月4日在上海举办的中国国际工业博览会上频频出现的场景，尤其在工业自动化分展区，几乎每个参展公司都使出浑身解数将产品通过最直观的实景演示出来。

在西门子公司展台，一个很小的数字生产线正在自动运行。每件产品上都有RFID标签承载着自身信息，传感器通过感知RFID标签采集和提供信息，识别经过的产品是可乐还是雪碧。中央控制系统根据收集的信息和需求，能够控制工艺的时间，并做出设计和调整。电机和齿轮马达随时运转和执行制造命令。

“如果这是一个工厂，管理者只需要坐在办公室里，通过电脑就可以了解和控制整个流水线的情况。”西门子（中国）有限公司执行副总裁兼过程工业与驱动集团总经理林斌告诉本刊记者。

这只是一个简单的高度自动化和数字化的工厂演示。为了让自己描绘的数字制造蓝图更加清晰可见，西门子建立了样板工厂作为工业4.0的现实雏形。

西门子展台前并列排放着6块可触控的液晶显示屏幕，后方的纯白色背景板上的蓝色大字清晰可见：“数字制造，我们助力中国制造业更上一层楼。”六个屏幕上分别展示的是西门子的产品生命周期管理软件、COMOS沉浸式三维软件、全集成自动化、全集成驱动系统、过程自动化和能源效率6大板块。这是西门子所打造的“数字制造”产品版图。

林斌向记者强调：“工业4.0是一个长远的愿景，如果没有这些关键的基本要素，数字化工厂和工业4.0是没有办法实现的。”

数字化领跑

在人流量最大的机器人展厅，库卡的机器人“LBRiiwa”正在挥舞着“胳膊”。作为世界上第一台拥有第七根轴、能够智能记录“摇曳”常用线路的工业机器人，“LBRiiwa”受到了意料之内的瞩目。

很少有人知道，在这个全球领先的机器人内部，有着西门子数字化工厂提供的核心部件。工业软件、数字化硬件及服务无缝集成，西门子这个工业4.0的提倡者迅速完成了角色转换，摇身一变成为了数字制造背后的巨人。

对于西门子来说，这并不是一个突兀的选择，而是水到渠成的转变。

国际金融危机的爆发为西方发达国家敲响了警钟，由于不愿放弃硬件制造而曾被视为“欧洲病人”的德国，制造业始终保持着在GDP中20%以上的占比，实现了稳健的经济增长。西方国家开始意识到，实体制造业的缺失正是经济出现危机的根本原因之一，一场以制造业变革为核心的工业革命开始酝酿。

在2013年的德国汉诺威工业博览会上，德国第一次正式提出了围绕“数字工厂”和“数字制造”的“工业4.0”的概念。在德国对未来制造业的描述中，这是一次以信息物理融合系统（CPS）为基础，以生产高度数字化、网络化和机器自组织为标志的全新工业革命。

作为一个拥有167年制造历史的德国工业企业，当其他工业企业还在酝酿数字制造的理念和技术时，西门子公司已经理清思路，抢先展开了行动。

西门子执行副总裁、工业业务领域首席执行官鲁思沃（Siegfried Russwurm）认为：“数字化技术正在深刻改变着制造业的生产模式和产业形态，工业4.0的真正到来可能需要20年左右的时间。”因此，为了达到工业4.0的目标，制造企业需要两步走。在实现信息物理融合之前，还有一个渐进的过程——工业3.X。

按照鲁思沃的构想，这个数字制造的过程可以按照产品设计、生产规划、生产工程、生产实施和服务分成五个阶段。这五个阶段都要实现数字化并且无障碍打通，从而实现更高的生产力、效率和生产灵活性，以及更短的上市时间。

具体来说，就是利用工业软件信息技术和工业自动控制技术，通过强大的生产执行系统和数字化企业平台，把虚拟世界和现实的生产通过数字化互联融合起来，最终保证整个生产价值链的数据能够进行无缝交流。

事实上，从10年前开始，西门子已经发力数字化布局。整合了本身的传统强项工业自动化驱动和传感器，西门子决定同时在产品与系统、流程与软件工具两条线上布局数字制造。

在工业4.0的概念面世不久的2014年5月，西门子发布了2020公司愿景，第一次将“数字化”提出来，与原本的“电气化”、“自动化”同时定位为未来西门子的三大战略之一。

为了全面发掘包括制造业在内的数字化发展潜力，同年10月，西门子内部进行了重组。面向制造业和工业市场，专门正式组建了数字化工厂业务集团和过程工业与驱动业务集团。数字制造已然成为西门子未来最核心的业务之一。

“数字制造最典型的数字化要做到四点。”中国工程院院士、清华大学教授柳百成向记者解释，“设计数字化、制造数字化、研发数字化、全生命周期数字化。”

西门子早已掌握了数字制造的核心，并开始绘制西门子的数字制造产品版图。生命周期管理软件（PLM）、COMOS沉浸式三维软件、全集成自动化（TIA）、全集成驱动系统（IDS）、过程自动化和能源效率构成了6大板块。

“用生命周期管理软件帮助产品研发部分实现自动化，用制造企业生产过程执行管理系统（MES）实现生产和质量管理的数字化，最后用全集成自动化去实现工厂车间一级的生产制造数字化。”西门子（中国）有限公司高级副总裁、数字化工厂集团总经理王海滨向记者解释。

其中，生命周期管理软件是数字制造最核心的。“从设计和验证，到安排生产，到最后的运营，都可以在生命周期管理这一个数据平台上完成。”王海滨告诉记者。

假设在7天内要交付客户定制化产品，只有实现全生命周期的数字化，先通过数字设计，在数字化环境中快速验证制造的可能性和成本开销，然后直接发往自动化工厂，最终才能做到敏捷生产制造有批量化规模的定制化产品。endprint

在西门子的愿景中，数字制造显然是一个西门子能够凭借产品和技术实现的核心竞争力，以及长期增长和高收益的领域。有了清晰的版图，领跑数字制造，西门子已然当仁不让。

建造样板

拥有高度自动化的生产线，供应链自动相互协调，产品与生产机器之间可以无障碍通信，生产过程由IT控制。西门子的第一个智能化数字工厂，甚至可以说是全世界最先进的数字工厂，就是坐落在德国巴伐利亚洲东部的安贝格市，已经迎来25周岁生日的安贝格电子工厂。

虽然自改造数字工厂以来，厂房生产面积基本没有扩大，员工也没有增加，但安贝格工厂的产能却提升了8倍。由于自动化率达到了75%以上，安贝格工厂出产产品的缺陷率大幅度降低到12%。

考虑到中国已成为最大的自动化技术市场，西门子也将德国数字制造的“工业3.X”经验输送到了中国。

以安贝格工厂为蓝本，采取完全一致的规划、流程、工艺和质量标准体系，2013年2月，西门子在中国成都建成投产了德国之外的首家高度自动化的数字工厂，并在信息数据方面与安贝格工厂和西门子美国的研发基地实现了互通共享。

与安贝格工厂类似，西门子工业自动化产品成都生产及研发基地（SEWC）生产的也是数字制造的关键硬件——工控机、可编程控制器（PLC）、人机界面（HMI）等。这些产品每件都拥有自己的数据信息。在研发、生产、物流的每个环节中，这些数据信息不断被丰富，并实时更新到中央的数据平台。

每当一件新产品订单到来，研发中心的设计人员就可以利用产品全生命周期管理（PLM）系统下的集3D计算机辅助设计、制造和仿真分析作用为一体的NX软件，开发、设计产品并进行仿真分析和可生产性验证，编程时间与之前相比减少了90%。

设计的最终结果通过高性能的PLM系统的Teamcenter板块，实现产品开发部门到制造中心之间的数据交换，由制造执行系统（MES）分解制造指令，发送到流水线，并实时控制整个生产过程。

原料自动配送到流水线上之后，生产工人根据面前电脑屏幕上的执行动作图示，进行工序和动作执行。装配工作完成后，工人按下工作台上的按钮，MES系统就会根据传感器感知到的产品数据信息，指挥小车开往下一道工序。最后，经过质量检测和包装、装箱，最终的产品就会通过升降梯和传送带自动运到物流中心并进行出货运输。

由于实现了从管理、产品研发、生产到物流配送全过程的数字化，包括研发人员在内仅拥有350名员工的成都工厂，产品的一次通过率（FPY）达到了99%以上，产品的交货时间与西门子的其他中国工厂相比缩短了50%，工厂在能源上的消耗也减少了30%以上。

这是一个数字工厂最理想的状态。能够灵活、多批次的生产，没有库存压力，只有高效、自动化的连续流生产和准时生产。投产两年不到，西门子工业自动化产品成都生产及研发基地已经开始了第二期的规划，扩建厂房，扩大规模，引入更多的产品。

西门子数字工厂的版图正在不断扩张。继西门子成都工厂之后，西门子又与亚洲规模最大的亚麻纱制造商金达控股有限公司签署了战略合作协议，共同建设新的数字化工厂。

“这是中国本土民营企业第一次使用西门子的数字化工厂技术解决方案，去改造生产质量、工艺流程、效率和工厂设备的运维。”王海滨告诉记者。对于西门子和中国企业来说，这都是一次具有特殊意义的突破。

引进变革

数字制造已经揭开了神秘的面纱。随着人们对个性化产品需求的不断提高，对产品更新换代速度的要求不断提升，数字化变革的力量比在任何时候都要显著。

过去美国设计波音767飞机的时候，设计完成之后要做66次价格昂贵的风洞试验，通过物理模拟不同情况下的气体流动对飞机产生的影响。到了研究波音777和787的时候，因为可以做仿真数字模拟，风洞试验只需要做11次，缩减了55次之多。

在中国，那些较早引入部分数字化技术的企业已经早早地尝到了受益的滋味。华润水泥集团从2012年开始使用全集成驱动系统，在两年之内就节省了1000万元的能源成本。

采用了产品生命周期管理软件的汽车生产设备制造商柯马（上海）工程有限公司，利用虚拟仿真技术，将产品测试的过程搬到了数字化平台上，缩短了1/5的上市周期。

对于这样的变革，上海延峰江森座椅有限公司副总经理倪嘉文有着切身的体会。

1988年入职汽车行业的倪嘉文，第一份工作是做汽车内饰。当时没有任何数字化平台和系统，他只能用图纸绘画、设计，用木头做产品模型。那个时候的设计工作更像是一份纯手工的工艺活。产品设计的预见性也很差，验证中一旦出现问题，就要不断修改。开发一款新产品，要耗费相当长的时间和极大的成本。

现在的情况则完全不同。作为合资企业，延峰江森在1997年成立之初引入了数字技术。延峰江森研发中心的设计人员只要用数字软件就可以做设计和模型，代替真实的模型样件。数字模型可以进行数字化验证，完成试验之后投入加工制造，并用数字化管理生产。

“以前所有的经验和风险都输入了系统，做成了数字化模板。没有经验的人也可以站在前人的肩膀上，快速设计出符合要求的产品。”倪嘉文告诉记者。

这对于产品设计师来说极为关键。一般情况下，如果想要理解某样工艺制造的关键技术，设计师必须有20年以上的经验。当前人的经验被录入系统，并设置好设计上的极限阈值后，一个没有经验的新设计师也不会犯错误，不会设计出不符合制造规范的产品。

在使用数字制造后，从研发到测试到制造的所有工序都缩短了，潜在的安全隐患和召回风险也大大降低。“这是我们选择数字化的重要原因。”倪嘉文表示。

正对延峰江森的大门，原本占地2万平方米的厂房已经消失不见，取而代之的是1000人规模的技术中心和样件验证中心。验证中心内，各种各样的机器人和机器设备正在自动模拟实验。疲劳试验、头枕打击实验、气囊实验、撞击实验、成品3D照相虚拟检测一应俱全。endprint

以前需要将座椅装上汽车，找不同的环境温度、不同的道路做跑路实验，现在只需在一个可以模拟道路环境和温度湿度情况的6方向振动台上，就可以模拟测试道路运动给座椅带来的损伤。

倪嘉文告诉记者，这只是延峰江森数字化进程中的一个步骤。目前用数字化系统测试的仿真数据还需要和验证中心测试出的真实数据进行对比。当仿真数据与真实数据的一致性达到一定水平，真实测试的数量和周期才能够逐渐降低。

“等到仿真完全达到真实测试水平时，也许我们的测试中心也会跟过去的厂房一样，被其他的功能区代替。”倪嘉文向记者补充道。

延峰江森的目标是尽可能用数据管理，用机械化、自动化完成数字化的进程。从2012年的170亿元，到2013年的208亿元，再到今年预计的250亿元，延峰江森的销售额正在凭借数字化的力量超速增长，在汽车座椅市场占据1/3的份额。

跨越门槛

对于多数中国制造企业来说，数字制造还是一个很难跨越的门槛。很多本土企业还没有摆脱劳动密集型的工业2.0规模化流水线，仍然徘徊在价值链的低端。但也有一些颇有远见的中国制造企业早早布局数字化，跨越了工业3.0的门槛。

2011年，一座数字化工厂悄然出现在三一集团星沙总部内的18号厂房。凭借这个由湖大海捷、华工制造、华中科大、三一重工共同承担的“工程机械产品加工数字化车间系统的研制与应用示范”项目，三一重工的总装车间一跃成为行业内最先进的数字化工厂。

事实上，早在2008年，三一集团就由董事长梁稳根直接牵头启动了精益制造变革。在参观了丰田公司和卡特公司之后，三一集团制定了下料、成型、焊接、机加等8大工艺标准体系，并开始引进数字化设备。

2007年，三一重机昆山产业园引进第一台用于焊接的机器人。从昆山开始，机器人在三一集团的生产线上大批量使用。机器人的推广出乎意料的顺利，但要实现数字化制造并非如此简单。

“三一集团属于典型的离散型制造。我们的特点是品种特别多、每一品种批量很小。想要实现在一个流水线上批量制造不同品种的设备，对数字制造有很高的要求。”三一集团高级副总裁兼首席流程信息官贺东东告诉记者。

面对不同的订单，不同配置、不同型号设备的生产订单要由MES系统按计划统一下达。制造指令要能够快速分解到每一个工位，并且准确传递到零部件制造加工中心和仓储系统，准确送达装配线并且通过流水线的方式，装配出不一样的设备。这对三一集团来说无疑是一个挑战。

三一集团开始自己研发制造执行系统（MES），并且自己生产用于加工设备的专业高端机床，快速响应制造指令，加上自动的仓储和物流系统，三一集团终于打通了最后“一百米”，实现了制造设备层的机器与机器的连接。

2012年投产的三一重机上海临港产业园，当这里还是一片空地的时候，工厂已经被数字化建立起来了。占地7.2万平方米、光线明亮的红白相间的装配车间里，只有几十个工人在工位作业。

玻璃房顶下侧的空中自动输送链和地下的自动输送设备与10米高的立体高架仓库相连。立体库里，一支机械手臂正在按照生产计划，自动调度所有物料。

地面上，一台AGV小车刚刚从立体库出来，正沿着黄色定位标志线，将结构件物料与装配物料运送到指定的工位。现场的工人手里拿着PDA手持终端，对着完成工序的机器进行扫描，从而完成质检和向中央系统的报工。

“我们在做的是一个全息车间的概念，也就是全部车间实现信息化、数字化。”三一集团中挖公司制造商务副总监刘济东告诉记者。

全息车间内，每一个生产环节都采用数字化设备。所有设备都通过覆盖全厂区的无线网络，从原料到生产的各个环节都与生产系统相连，实现实时监控，同时与ERP系统高度集成，从而实现整个工厂管理和生产的高度协同。

这个车间拥有自动化设备180多台，拥有行业里最高的机器人使用率和用物联网技术构建的生产管理系统，在物流、装配、质检等每一个环节都实现了自动化，可以快速精准的完成制造流程。在生产线运行节拍调到最快的时候，每5分钟就可以制造一台挖掘机。

作为中国制造企业，三一集团已经跨越了数字制造过程中最难的一个门槛。中国的制造企业显然正在努力吸收西门子等公司的经验，向着先进制造转变和跨越。

这是一个关键的转折点。在欧美国家“制造业回流”的呼吁下，中国想要从制造大国成为制造强国，尚需负重致远。endprint