工业4.0的定义

两个多世纪以前，蒸汽机的发明带来的第一次工业革命开启了农业社会向工业社会的转变。20世纪初期，随着电力的应用、劳动分工和大规模生产的出现，拉开了第二次工业革命的大幕。20世纪70年代后，随着自动化技术的出现，开创了第三次工业革命。前三次工业革命源于生产的机械化、电气化和信息化改造。当前，随着信息物理系统（Cyber-physical System，简称CPS）在制造业中的推广应用，正在引发第四次工业革命。“工业4.0”概念就是以数字制造为核心的第四次工业革命，工业革命的历史如图1-1所示。

分为三点：

● 通过价值链和价值网络实现企业间的横向集成。在工业4.0环境下，企业通过CPS系统，可以保障新商业策略、价值网络和商业模式得到持续的支持和实施。横向集成是指将各种企业内和企业间的商业运营IT系统集成在一起，实现全供应链的集成（见图1-2）。图1-2 横向全供应链集成

● 贯穿整个价值链的端到端的设计工程数字化集成。CPS系统使得产品的开发、制造及服务可以实时地在虚拟世界进行仿真研究，并控制现实的制造过程，实现全数字化的价值链（见图1-3）。图1-3 全数字化的价值链

● 企业内部可灵活重组网络化制造系统的纵向集成。在智能工厂中，柔性的制造模式将不同层面的自动化IT系统（执行器、传感器、控制器、制造执行系统、企业计划系统等层面）集成在一起，灵活地按照生产任务进行组织，实现全集成自动化。

西门子的“工业4.0”最佳实践

西门子认为，制造业存在如下基本需求——保障产品质量、提高生产效率、缩短产品上市时间、增加制造的灵活性。然而在传统的制造条件下，企业通常要牺牲灵活性来提升生产效率、缩短产品上市时间。如何同时满足这些需求决定了西门子的创新方向——智能制造，这也就是西门子定义的“工业4.0”。

有“欧洲最佳工厂”之称的西门子德国安贝格电子制造工厂是西门子打造的第一个数字化工厂（见图1-5），正是由这家工厂探索出了从传统制造向数字制造转型的技术线路。西门子中国成都工厂SEWC作为安贝格在中国的双胞胎工厂，也实现了从企业管理、产品研发到制造控制层面的高度互联，通过在整个价值链中集成IT系统应用，实现涵盖设计、生产、物流、市场和销售等诸多环节在内的高度复杂的全生命周期的自动化控制和管理。SEWC于2013年9月11日正式开始运营。

关于SEWC，让用户和分析师津津乐道的是这座工厂不仅是一个数字化企业，而且绝大多数技术来自西门子。工厂里生产的每一件新品，都拥有自己的数据信息，数据在研发、生产、物流的各环节不断丰富，并实时保存在一个数据平台中。基于这一数据基础，ERP、PLM、MES、控制系统以及供应链管理实现了信息互联。工厂采用了西门子PLM（全生命周期管理）软件，通过虚拟化的产品规划和设计，实现信息无缝互联。利用制造执行系统SIMATIC IT和全集成自动化解决方案（TIA），将产品和生产生命周期进行集成，缩短产品上市时间。该设计还赋予工厂灵活性，可满足1500多种不同产品的混线生产（允许批量为1），并为将来的产能调整做出合理规划。

典型的西门子数字化制造平台如图1-6所示。

西门子支持行业客户的整个价值链——从产品设计到生产、服务，将自动化技术、产业控制技术和工业软件无缝地结合在一起。运用先进的全集成的软硬件解决方案，实现产品与生产的生命周期的集成，即打造数字化企业（工厂），实现虚拟世界与实物世界的无缝连接，帮助企业降低产品研发成本、缩短新产品上市时间，如图2-36所示。

西门子完整的MBE解决方案，以系统工程思想为指导，贯穿从产品需求开始，经过产品设计、产品制造直至产品服务的完整产品全生命周期的过程，在各个阶段的各种信息能够被准确的定义到以MBD模型为核心的技术数据包中，并始终保持上游的技术数据包能够被下游直接重用，一直拓展到生产现场或服务现场。西门子MBE解决方案，是通过综合利用NX为基础的MBD定义工具、Tecnomatix支持MBD模式的数字化制造解决方案、Teamcenter支撑MBE企业产品全生命周期管理平台，LMS支持的仿真和试验，有机形成了从设计、工艺、制造、试验及服务和维护全面的MBE解决方案体系，包括：基于模型的系统工程、基于模型的产品设计、基于模型的分析应用、基于模型的机电一体系统工程、基于模型的全生命周期质量管理、基于模型的工装设计、基于模型的零件工艺、基于模型的装配工艺、基于模型的质量检测、基于模型的作业指导书、基于模型的制造执行、基于模型的实物样机测试——集成的振动噪声、基于模型的MBE供应链管理、基于模型的MBE数字化服务管理、复杂产品的构型管理、基于MBD的标准和规范等。通过这些各种专业的MBE能力灵活应用与组合，可帮助制造企业分阶段、分步骤实现MBE企业能力体系构建。西门子MBE解决方案的总体架构如图2-39所示。

基于模型的制造执行管理

产品制造执行（MES）是生产现场管理的集成系统平台，接收ERP系统下发的生产主计划、PLM系统产生的制造BOM、工艺路线、作业指导书等工艺数据，进行生产排程、制造执行、数据采集、统计报表等，为管理层提供科学决策用的实时精确数据，并将任务完工信息反馈给ERP系统，将产品实做数据（AsBuilt）提交到PLM系统以用于实物技术状态管理、维护维修及改进优化。

纵观制造业信息化发展历程，主要有以下三个阶段：

● PDM：以产品数据管理为核心。● cPDM：以应对产业全球化而产生的多PDM协同。● PLM：将数据管理延伸到工艺、工装、验证等，管理产品全生命周期数据和生产过程。

目前，充分利用数字化技术，将前端产品、工艺定义阶段的产品（Product）数据管理与后端产品制造阶段的生产（Production）数据管理融合，实现产品与生产协同生命周期管理，这一融合是企业发展的新动力（见图14-1）。

基于模型的制造执行的主要业务挑战

● 基于模型设计和工艺数据的产品制造：传统的产品制造都是基于产品设计图纸、工艺卡片进行工作的，对于以3D模型为载体和对象的产品设计数据、工艺数据，如何显示、浏览，如何确保数据的安全及及时更新等，同时机加车间如何将准确的NC代码传递到数控机床，应用于数控加工；装配车间装配现场的仿真结果应用等问题，将是新的业务挑战。● 基于模型设计和工艺数据的产品检验：探索基于模型3D标注的产品检验模式，手工检验方式向数字化联机检验过渡，事后问题处理向基于统计分析的事前质量问题预防转换。● 基于模型制造的现场问题反馈：如何实现基于模型的现场问题反馈，减少技术人员在现场处理问题的时间，减少生产等待的时间。● 基于模型制造的实做数据记录：实做数据的采集，与产品BOM、模型、标注的对应的挑战。数据返回PLM系统进行管理，并用于产品维修与优化的挑战

西门子提供从产品到生产的“一站式”的完整解决方案，实现从产品、工艺、工装、工厂的虚拟设计与验证，到产品的实物制造、检测、交付等全过程（见图14-2）。

西门子产品与生产集成解决方案以计算机、网络为基础，在Teamcenter中实现产品部分的功能，在Simatic IT中实现生产部分的功能，向上与门户、OA、ERP等业务系统集成，为企业提供业务创新与科学管理的战略决策支撑（见图14-3）。

基于模型的制造执行业务流程如图14-3所示。● 在Teamcenter中完成产品、工装、工艺、工厂设计与验证后，将产品BOM与工艺BOM送至ERP系统进行主计划编制，形成生产工单与物料BOM，再发送到PLM和MES系统。● PLM系统接收到生产工单与物料清单后，与对应版本的产品和工艺数据组合，形成制造工作包，下发给MES系统。● MES系统接收到生产工单和制造工作包后，进行生产排程和物料准备，然后下发给工作中心进行生产制造、产品检验、数据采集的过程，必要时还进行现场问题反馈，超差品处理。最终将实做数据返回PLM系统，而将计划完工和物料消耗等的数据返回ERP系统。

基于模型的数控加工程序的制造现场应用

基于模型技术进行零部件的数控加工制造，通过后置处理产生NC程序，NC程序在PLM平台中统一进行版本控制和文件管理，通过PLM与DNC的紧密集成，实现基于模型技术的数控加工编程的输出与加工机床的连接。NC程序的管理是将其挂接在工艺结构上的数控工序下，基于工序对象实现版本控制，在统一的流程控制下实现NC程序的下发和回传。PLM、DNC和数控机床集成化应用如图14-7所示。

基于模型的实做数据管理

令制造执行系统中的产品制造过程、检验结果、消耗的物料、任务批次、工件序列号等信息组成实做数据，并提交给PLM系统以实做BOM的形式（见图14-14）进行管理，构造实物的完整虚拟表现，涵盖质量证明单、装配记录卡、现场问题处理单、超差记录、试验记录单、装配配套表、零部件配套表、全三维模型等，固化和追踪产品实物技术状态，提供MBD三维模式的实物记录。

西门子基于模型的制造执行解决方案的价值体现如下

● 产品与生产的紧密整合的解决方案为现代制造业发展提供了新动力。● 结合基于模型的产品和工艺数据精确、实时下发生产现场的特点，该方案实现了用精确数字传递与展示设计意图，减少了以往2D与3D多次转换带来精度和时间上的损耗，使工人的操作更规范、便捷，提高了产品的生产效率和质量。● 基于模型的产品检验更有效地简化了手工操作，提高检验精度和效率，并将检验数据与产品模型、标注关联，实现产品质量数据的统计和分析，达到及早纠正偏差，预防质量问题的发生。● 实现基于模型的现场问题反馈，有效减少技术员与工人处理问题的时间，提高他们的工作效率和质量，减少现场停工时间。● 结合基于模型实做数据的采集，以及实做数据返回PLM系统与模型的关联管理，该方案可有效应用于后期产品的维护、维修，以及产品改型、改进设计和制造。

基于模型的MBE数字化服务管理

根据国际研究机构AMR的调查研究结果显示：“高效的产品服务保障为企业带来40%～80%的利润……对于有复杂装备的产品服务，其产值可达到产品价值的2～5倍……”。因此在复杂产品使用企业日益增加产品维护、维修服务投入的同时，复杂产品原厂商OEM也充分利用其技术与知识的优势为客户提供优质的产品服务，获取更大产值与利润。

无论使用复杂产品的企业与OEM厂商，都在致力于优化服务资源与流程，实现实物产品技术状态与履历以及服务知识的管理，来提高产品维护、维修的效率与质量。对于OEM厂商，面临的更大挑战是：如何充分、综合利用企业跨设计、制造、服务部门的技术与知识，来提供优质服务，同时形成设计、制造、服务相互促进的局面；使其提供的产品服务优异于专业服务公司或产品使用企业自身，使产品使用企业更愿意购买OEM厂商的直接服务。对于走上MBE之路的OEM厂商，MBD模型成为跨部门知识的主要载体，因而在整个产品服务周期内如何充分利用MBD模

数字化服务解决方案（西门子Teamcenter MRO）可建立完整的产品服务工程、维护、维修和大修的功能，从而满足产品服务生命周期管理和企业实物产品管理的需求。尤其对于复杂产品，数字化服务解决方案使产品的整个生命周期的各环节完全可视化，可以使用配置驱动的产品服务的能力来规划服务运作，优化服务执行，并更好地利用实物产品与零件、工具和设备库存，最大限度地提高服务部门的效率：

● 服务数据管理：可以使企业透明化，了解复杂长寿命实物产品（包括实物构型和技术状态），并且可以有效收集服务活动，更新实物产品的即时状态，包括实物产品的维修在役状态、更换件情况、时间寿命、备件/串件历史等，实现基于批次或序列号的追溯。通过完整电子履历或卷宗的记录，提升下次服务的准确性与高效性，进而支持PBL（基于绩效的后勤）/SLA（服务等级协议）合同模式。

● 服务需求管理：根据系统工程思想，在进行产品设计时，可同步开展产品服务的工程工作，根据客户需求和产品特点，分解定义产品，甚至是每个部件的服务需求。通过服务需求管理与共享，为产品设计人员提供设计参考，也为产品服务的提升打下基础。

● 服务请求管理：可帮助企业有效地管理服务请求，通过流程的方式，完整记录和管理整个服务请求的闭环过程。从而加快响应速度，提高客户满意度，同时控制成本和维护标准。

● 服务规划：企业可以创建、管理和利用服务规划信息，以支持旨在预防、基于条件或可靠性的维护模型；同时创建与管理IETM（交互式电子技术手册），支持高效的产品服务以及服务培训。

● 服务计划和执行。企业可以有效地制定服务作业和任务计划，并跟踪从执行工作到完工和签字确认的整个过程，以收集重要的资产信息，改进服务计划和未来的产品。

● 报告和分析：企业可以查看服务中的运营信息，以找出实物产品的绩效性/可靠性方面的发展趋势，跟踪/分析资产和组织的关键绩效指标（KPI）。

数字化维护服务解决方案（见图17-4）以面向产品全生命周期的视角，通过有效闭环连接产品规划、产品设计、产品制造与产品服务的业务环境，不仅提高了产品服务的质量、效率和服务知识，同时通过服务反馈来提升产品规划、设计、制造的质量。

总之数字化维护服务解决方案关注整个产品的服务生命周期，可以为企业（产品使用企业与产品OEM企业）带来如下收益：● 使服务组织能够更高效地规划和交付产品服务。● 最大限度地提高所管理的实物产品的可用性和可靠性。● 为服务团队提供资产知识，以便他们了解服务要求。● 形成反馈闭环，以使产品开发人员清楚客户所关心的问题。● 支持旨在预防、基于条件或可靠性的维护操作。● 是MBE企业使MBD模型以及相关信息最大限度地应用到产品服务的过程。