數(shù)字化工廠助推汽車工業(yè)4.0落地

汽車行業(yè)被公認(rèn)為是邁向“工業(yè)4.0”的制造業(yè)排頭兵，但目前國內(nèi)汽車制造企業(yè)離數(shù)字化的全面應(yīng)用還有很長的距離，人們所認(rèn)識到的數(shù)字化主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的設(shè)計階段，比如產(chǎn)品三維數(shù)字建模（CAD）、預(yù)裝配、干涉檢查與動力學(xué)分析 （CAE）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和流程管理（PDM）等。但是受到對市場快速反應(yīng)能力、生產(chǎn)高度柔性、保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的驅(qū)動，汽車企業(yè)也在加強對數(shù)字化制造的學(xué)習(xí)和嘗試。

西門子作為全球排名第二的軟件公司，在這場搶占未來制造業(yè)制高點的革命中已占據(jù)了先發(fā)優(yōu)勢。西門子致力于打造一個整個數(shù)字化平臺的價值鏈，把工業(yè)軟件和自動化有機結(jié)合起來，從產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)到工藝規(guī)劃、產(chǎn)線規(guī)劃，到產(chǎn)線實施、自動化配套，到生產(chǎn)制造執(zhí)行過程，再到整個產(chǎn)線生命周期的服務(wù)，這是西門子的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)平臺。這個結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)平臺，不但是數(shù)據(jù)庫的管理平臺，進行數(shù)據(jù)交換，無縫連接；同時也是指揮中心，協(xié)同各個不同的階段，軟件協(xié)同工作，協(xié)同設(shè)計，閉環(huán)反饋，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，其實質(zhì)就是數(shù)字化制造。

西門子對于數(shù)字化工廠的探索恰好彌補了之前企業(yè)對數(shù)字化應(yīng)用的認(rèn)識，已經(jīng)在一些車企工廠的實踐證明，實施數(shù)字化制造給企業(yè)帶來的收益要遠超企業(yè)預(yù)期。西門子目前所有對與傳統(tǒng)汽車的解決方案，都可以在新能源車制造領(lǐng)域進行應(yīng)用。在動力總成方面，新能源車電動機和電池的裝配，西門子也有成熟的解決方案。

Teamcenter是一款產(chǎn)品生命周期（PLM）產(chǎn)品，它是Siemens PLM Software的協(xié)同產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理解決方案，通過將不同供應(yīng)商提供的各種機械計算機輔助設(shè)計(MCAD)、電子 CAD (ECAD)、軟件開發(fā)和仿真工具、流程集成，Teamcenter能夠讓制造行業(yè)可管理性更高，生產(chǎn)力更強，協(xié)作更密切，控制力更強。

Teamcenter可以簡化并加速實施過程，提高生產(chǎn)力，加強協(xié)同，擴展對全產(chǎn)品生命周期過程的控制范圍，其全面統(tǒng)一的架構(gòu)可為用戶提供一套較為完整的端到端PLM組合。

在中國，Teamcenter在很多汽車行業(yè)的客戶中都有應(yīng)用，包括：上海汽車工業(yè)（集團）總公司（SAIC）、奇瑞汽車有限公司、上海延鋒江森座椅有限公司、沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司、江鈴汽車股份有限公司、長城汽車股份有限公司、東南（福建）汽車工業(yè)有限公司、一汽轎車股份有限公司等。

MindSphere是西門子推出的基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，依托西門子在自動化、電氣化領(lǐng)域的優(yōu)勢，幫助不同行業(yè)各種規(guī)模的企業(yè)快速高效地收集和分析工業(yè)現(xiàn)場的海量數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在價值，從而為企業(yè)的運營和優(yōu)化提供支持。

MindSphere被設(shè)計為一個開放的生態(tài)系統(tǒng)，工業(yè)企業(yè)可將其作為數(shù)字化服務(wù)的基礎(chǔ)，MindApps既可以使用原始設(shè)備制造商（OEM）、終端客戶、合作伙伴或西門子提供的應(yīng)用程序，也可通過開放的應(yīng)用程序接口開發(fā)定制App，還支持多種云基礎(chǔ)設(shè)施如SAP、AtoS、Microsoft Azure等。

為了能夠讓來自不同制造商的機械設(shè)備和工廠連接至MindSphere，西門子還推出了一款名為“MindConnect”的數(shù)據(jù)接入網(wǎng)關(guān)，即插即用，方便連接西門子和第三方產(chǎn)品。

在程序中，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的代碼塊已經(jīng)創(chuàng)建完成，工廠的供應(yīng)商想要在PLC中生成代碼塊，為避免人為操作的錯誤以及減少項目的創(chuàng)建時間，一個項目生成器便成為用戶所需。TIA PortalOpenness是面向程序功能塊的項目生成器，基于工藝描述自動生成PLC代碼，突出的優(yōu)點就是快速。SiVArc是面向畫面的生成器，基于已存在的PLC程序，自動生成HMI變量、畫面、屏幕對象和文本列表，完全集成到TIA Portal工程環(huán)境中，減少工程消耗，避免人為導(dǎo)致的錯誤。

第一個SiVArc版本是為了經(jīng)典Step7和WinCC而開發(fā)，第一個用戶是奧迪，之后是大眾集團。經(jīng)典版的SiVArc是一個獨立的應(yīng)用，主要用于汽車行業(yè)。TIA博途版本的SiVArc始于2013年的1.0，用于BMW，然后在中國和美國的生產(chǎn)線中也開始使用SiVArc。BMW在每個HMI站上可以節(jié)省30個小時的工程時間。

目前在汽車行業(yè)已經(jīng)采用的節(jié)能解決方案為人工操作，這種方式的缺點很多：需要額外的繼電器和連線，機器人容易丟失零位，恢復(fù)線體生產(chǎn)時間過長，重新啟動時的可靠性不高等。而大部分車廠在空閑時段并沒有采取任何措施。PROFIenergy規(guī)范對設(shè)備“開”和“斷”之間能量水平進行全新定義，在不增加任何成本的情況下，減少不生產(chǎn)時的能源消耗，例如用餐、夜晚、周末、假期等生產(chǎn)中斷時間。

當(dāng)然，只有支持PROFIenergy協(xié)議的的設(shè)備才會被PROFIenergy關(guān)斷，而且支持此功能的設(shè)備需要額外激活PROFIenergy。

SICAR是西門子設(shè)立的自動化標(biāo)準(zhǔn)，SICAR@TIAP V1.0已經(jīng)于2015年發(fā)布，新的SICAR@TIAP V2.0即將于2017年下半年發(fā)布，面向未有自動化標(biāo)準(zhǔn)的汽車廠或線體供應(yīng)商。使用SiCAR以后，調(diào)試項目事半功倍。目前，SICAR項目已經(jīng)在江鈴南昌工廠、北汽株洲工廠、江淮合肥工廠、吉利貴陽工廠和長安重慶工廠成功應(yīng)用。

TIA Portal硬件平臺還集成了對西門子低壓控制產(chǎn)品的解決方案，包括PLC及電動機控制柜等。通過TIA Portal硬件平臺，可以快速、方便、可靠地選擇、組態(tài)和訂購整個SIMATIC 產(chǎn)品組合中的組件，自動生成所需的模塊、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，而且不同選擇之間的對比也一目了然。得益于其易于使用的特性，可節(jié)省80% 的設(shè)計時間。

當(dāng)前形勢下，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)與商業(yè)模式不再保證市場占有率與競爭優(yōu)勢，數(shù)字化理念已經(jīng)貫穿整個工業(yè)領(lǐng)域，TIA Portal、Digital Twin、MindSphere、PLM NX Simulation、Teamcenter及IOT等已在制造企業(yè)廣泛應(yīng)用。而對于通用運動控制GMC的數(shù)字化，還并沒有引起太多人的注意。

GMC包含對SIMOTICS的連續(xù)及非連續(xù)運動的控制，其任務(wù)是執(zhí)行控制級傳來的指令，平穩(wěn)、高速、高精度地實現(xiàn)特定的運動過程。在汽車行業(yè)中，GMC貫穿整個機械設(shè)計到數(shù)字化操作的全過程：Sizer，高效的配置選型工程工具；TIA Startdrive，傳動系統(tǒng)的工程調(diào)試工具，無縫集成驅(qū)動技術(shù)，組態(tài)更高效、更直接，控制器與驅(qū)動產(chǎn)品完美對接，調(diào)試診斷可視化，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)平臺；Drive Train Analytics，實現(xiàn)驅(qū)動鏈數(shù)據(jù)可視化，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)價值，讓數(shù)據(jù)“活”起來。

GMC數(shù)字化能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)環(huán)節(jié)同步；深度優(yōu)化設(shè)計選型，降低成本；提升生產(chǎn)效率，推進柔性化制造；降低設(shè)備能耗，節(jié)能效果可視化。

無論是宏觀的工業(yè)4.0，還是具體的智能工廠、數(shù)字化工廠，企業(yè)的數(shù)據(jù)都需要“流動起來”，從沖壓車間到焊裝車間、涂裝車間、總裝車間，再到內(nèi)部和外部物流，工業(yè)通訊已應(yīng)用于汽車廠的所有車間和環(huán)節(jié)。

基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)計，整個通訊架構(gòu)從PROFINET實時生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)、車間級環(huán)網(wǎng)到骨干控制環(huán)網(wǎng)及工業(yè)核心網(wǎng)絡(luò)，滿足從車間到企業(yè)辦公設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)的在實時性、帶寬及路由等方面的需求，網(wǎng)絡(luò)層次清晰。各層級通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)及環(huán)網(wǎng)之間的備份連接最優(yōu)冗余技術(shù)，滿足對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的冗余需求，快速的網(wǎng)絡(luò)收斂時間（ms級）滿足最大程度避免通信中斷及數(shù)據(jù)丟失。并且采用一體化遠程運維網(wǎng)絡(luò)，提供實時遠程診斷及維護。

在大規(guī)模、大批量的汽車制造業(yè)中，生產(chǎn)與物料流的管理、資產(chǎn)管理、供應(yīng)鏈管理的追蹤與追溯，為生產(chǎn)和物流帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；谟唵紊a(chǎn)的數(shù)據(jù)的分處理，生產(chǎn)過程中的自動糾錯，實施庫存狀態(tài)的信息，生產(chǎn)工具與容器的最優(yōu)化安排，無錯的自動化識別，實際物料流程與數(shù)字化規(guī)劃的實時同步，實現(xiàn)增值服務(wù)的透明度……所有這些困擾通過一張電子標(biāo)簽便可完美解決。西門子智能標(biāo)簽RF680L支持嚴(yán)苛環(huán)境中的一碼到底，貫穿整個生產(chǎn)流程，免去不同車間之間的數(shù)據(jù)交換步驟，車身信息科隨時追溯，根據(jù)客戶需求定制，自動化安裝。

在德國梅塞德斯-奔馳車廠采用了SIMATIC RF600 RF680L，電子標(biāo)簽垂直安裝在前側(cè)車輪位，途經(jīng)三大車間，可下電泳池，在220℃高溫下可工作45分鐘，標(biāo)簽表面不殘留油漆。99.99%的讀取正確率保證隨時可以對車身數(shù)據(jù)進行追溯。

中國汽車工業(yè)4.0落地思考

推廣數(shù)字化制造是汽車企業(yè)提升核心競爭力的重要手段，先進管理方法和先進制造技術(shù)都需要通過數(shù)字化的途徑才能發(fā)揮其最大價值。而數(shù)字化發(fā)展的基本方向是產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化實現(xiàn)，對于汽車產(chǎn)品而言，制造環(huán)節(jié)往往比設(shè)計環(huán)節(jié)更為重要，一個好的產(chǎn)品設(shè)計只有能夠被高效率的制造出來，才能為企業(yè)創(chuàng)造價值。

北汽株洲二期工廠在建廠時就確立要建設(shè)成智能透明的汽車工廠，并與西門子合作，在焊裝線全部采用虛擬設(shè)計、虛擬仿真和離線變成技術(shù)，在虛擬的環(huán)境下進行焊裝線的生產(chǎn)驗證，解決驗證問題后再建造成實體焊裝線，打造數(shù)字化雙胞胎的焊裝生產(chǎn)線。虛擬生產(chǎn)線的建立為后期新車型的增加和線體改造提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并且能夠提前識別問題，縮短項目周期。

然而，實施制造過程的數(shù)字化應(yīng)用即數(shù)字化制造具有相當(dāng)?shù)碾y度，這主要是因為：

• 信息量巨大造成的數(shù)據(jù)管理困難。據(jù)通用汽車公司統(tǒng)計，和產(chǎn)品生產(chǎn)過程相關(guān)的數(shù)據(jù)量是設(shè)計數(shù)據(jù)流的100～1000 倍以上。

• 需要以全面的數(shù)字化設(shè)計為基礎(chǔ)。

• 涉及面大（包括設(shè)計、規(guī)劃、生產(chǎn)、物流等許多部門），對企業(yè)的綜合素質(zhì)要求高，需要進行流程重組。

因此，企業(yè)慎重地選擇一個優(yōu)秀的數(shù)字化制造解決方案，并采取合理的實施策略是非常關(guān)鍵的。在探索未來制造模式的道路上，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可以模仿，但是要抓住根本：質(zhì)量+成本+效率+創(chuàng)新，結(jié)合自身需求，循序漸進。

西門子的解決方案正在支持中國轉(zhuǎn)型升級，將電氣化、自動化、數(shù)字化的力量融入各行各業(yè)，以前所未見的高度、速度、精度和深度，讓關(guān)鍵所在，逐一實現(xiàn)。