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工业4.0:西门子的未来工厂是怎样的?

行业聚焦点中国仪表网2014年03月24日 14:31人气:6439

  导读:未来的制造不再是密集的工人、庞大的生产规模了,而是基于大数据、互联网、人,结合各种信息技术进行数字化、自动化的柔性制造。而这些正在西门子的工厂慢慢变成现实。
  

  •未来的制造不再是密集的工人、庞大的生产规模了,而是基于大数据、互联网、人,结合各种信息技术进行数字化、自动化的柔性制造。
  
  •在数字化制造下,研发和制造都基于同一个数据平台,研发和生产几乎同步,改变了传统制造的节奏。
  
  •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,而在西门子成都工厂的车间内,只需要寥寥可数的几个工人,因为大多数的工序都是自动完成的。
  
  未来工厂不再只是由大型设备堆砌起来的机械巨兽。未来人们对产品的追求也不再是千篇一律的大众化产品,取而代之的是多种多样、个性化、优质的产品。制造工厂追求的目标不再是工业化大生产,而是多品种、个性化、优质和高效。这样的变化,会产生几乎无穷无尽的参数指标以及难以处理的复杂供应链,传统工厂的生产水平已经达不到需求。
  
  什么是未来工厂?

  
  今天,最理想的生产状况是怎样的?例如要生产100辆卡车、100辆轿车,是先生产100辆卡车,还是大卡车与小轿车的这种混合交替生产?假如先生产100辆卡车,会产生大量的待售品,占用更多的现金流。所以理想的生产状况是进行灵活的小批量、多批次生产,使它能够很均匀、连续地生产,产生的待售品很少。如此一来,生产过程的原材料消耗也更少,现金流更好。
  
  位于德国安贝格的西门子电子制造工厂(以下简称“安贝格工厂”)就是智能化未来工厂梦想实现的雏形,也是以德国学术界和产业界提出的“工业4.0”概念为目标而打造的现代工厂。德国学术界和产业界在2013年提出的“工业4.0”概念是指以智能制造为主导的第四次工业革命或革命性的生产方法,将制造业向智能化转型。
  
  安贝格工厂拥有一套高度数字化的生产流程,生产的产品本身拥有16亿个部件,且每年的衍生产品制造数量超过5万台。为能灵活实现小批量、多批次的生产,西门子公司需要采购来自250家供应商的约1万种原材料,并将它们制造成950种不同类型的产品。根据Gartner在2010年的调查显示,安贝格工厂中每100万件产品中的残次品数量只有15件,生产线的可靠性达到99%、可追溯性高达100%。
  
  安贝格工厂的姊妹工厂——西门子工业自动化产品成都生产研发基地(以下简称“西门子成都工厂”)在成都高新西区诞生并且投产了。它外观朴素低调、也不铺陈排场,但全厂内实现了从管理、产品研发、生产到物流配送全过程的数字化,并且与德国生产基地和美国的研发中心进行数据互联。
  
  不仅如此,西门子成都工厂能实现灵活的小批量、多批次生产,这样产生的待售品很少,原材料消耗也很少,现金流也会较好,达到传统工厂难以实现的最理想的状态——高效、自动化的实现连续流生产和准时生产。
  
  专属的“生产旅程”
  
  传统的制造中,通常先由研发部门出一张图纸,然后交给生产部门做出样品,图纸再返回研发部门调整、修改后再进行生产。在数字化制造下,研发和制造都基于同一个数据平台,研发和生产几乎同步,改变了传统制造的节奏。
  
  西门子成都工厂研发制造新产品的旅程始于Siemens PLM Software产品生命周期系统管理(PLM)软件,它支持产品开发中从设计到工程和制造的各个方面。
  
  研发部门的工程师们在设计过程中进行仿真组装,实现“可见即可得”。由于西门子数字化设计软件的应用,大大缩短了产品从设计到分析的迭代周期,也减少了多达90%的编程时间。产品开发的时间相应缩短了。
  
  设计好的产品会带着专属于自己的数据信息继续“生产旅程”。这些数据同时都被“写”进数字化工厂的数据中心中,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进行零部件的采购,质量部门会依据产品的数据信息进行验收,物流部门则是依据数据信息进行零部件的确认。
  
  当质量、采购、物流等不同部门调用数据时,他们使用的是共享的文档库。而且任意数据发生更新,不同的部门也都能第一时间得到最新的数据,这使得西门子成都工厂研发团队的工作变得简单、高效,避免了传统研发制造企业的研发和生产环节或不同部门之间由于数据平台不同造成的信息传输壁垒。
  
  成都工厂承担着西门子全球工业自动化产品从研发到制造的角色。研发是数字化工厂“数据链条”的起点,研发环节产生的数据将在工厂的各个系统间实时传递,数据的同步更新避免了传统制造企业经常出现的由于沟通不畅产生的差错,也使得工厂的效率大大提升。
  
  西门子成都工厂总经理Andreas Bukenberger介绍:“应用了西门子数字化企业平台解决方案的成都工厂与西门子在中国的其他工厂比较,产品的交货时间缩短了50%。”而前文提到的西门子成都工厂的姊妹工厂——西门子德国安贝格电子工厂目前可实现年产零部件100万件,即平均1秒生产一个产品,未来的成都工厂将有望冲击这一纪录。
  
  自动化的生产

  
  在西门子成都工厂的厂房里,竟然看不见传统制造工厂密集的工人在不同的流水线上繁忙工作的情景,偌大的车间只有屈指可数的几个工人工作。
  
  以可编程控制器装配工位的工人为例,他每天的任务就由西门子MES系统生成,而且电子任务单会显示在他工作台前方的电脑显示屏上,实时的数据交换间隔小于1秒,随时可以看到最新的版本。西门子MES系统包揽了传统制造企业生产计划调度的职能。没有了人工抄写的任务单,省去了不同生产线交流的复杂环节。生产订单由MES统一下达,在与ERP系统高度的集成之下,还实现了生产计划、物料管理等数据的实时传送,工厂管理与生产也达到高度协同。
  
  在装配工作台上有5个不同的零件盒,每个零件盒上都配有指示灯。当自动引导小车送来一款待装配的产品时,电脑显示屏上会出现它的信息,相应所需零件盒上的指示灯亮起,装配的工人就知道该安装什么零件了。这是由于传感器扫描了产品的条码信息,并将数据实时传输到了MES系统,MES系统再通过与西门子全集成自动化系统(TIA)的互联操纵零件盒指示灯,从而代替人完成了思考的过程。这样满足了自动化产品“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。
  
  西门子全集成自动化解决方案(TIA)在很大程度上替代了人类的大脑、视觉和手臂。西门子用可编程控制器来引导生产流程,用视觉系统来识别质量、用自动引导小车来传递产品。
  
  工人装配好产品,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的条码信息,记录它在这个工位的数据。MES系统将以该数据作为判断基础,向控制系统下达指令,指挥小车将它送去下一个目的地,这个过程完全不需要人工。
  
  在到达下一个工序前,产品要通过“严格”的检验程序,在整个生产过程中针对产品的质量检测节点就超过20个。视觉检测是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数据平台中的正确图像作比对,一点小小的瑕疵都逃不过品质管理模块的“眼睛”。对比传统制造企业的人工抽检,这显然要可靠又快速得多。
  
  在经过多次装配并接受过多道质量检测后,成品将被送到包装工位。再经过人工包装、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运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,而在西门子成都工厂的车间内,只需要寥寥可数的几个工人,因为大多数的工序都是自动完成的。
  
  未来的制造不再是密集的工人、庞大的生产规模了,而是基于大数据、互联网、人,结合各种信息技术进行数字化、自动化的柔性制造。现在的定制化生产,甚至可以实现当月定制车,下个月就生产出来。
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