西门子公司是欧洲最大的通信设备企业，同时也是欧洲最大的军工电子生产商。从“二战”开始，西门子公司制造了大量的飞机、潜艇、导弹用电气设备和发射装置。20世纪70年代中期以来，德国加快了雷达技术的发展，先后研制和装备了一批新的雷达，如西门子公司MPDR30、MPDR3002S、“奥列斯特”雷达。其中，研制的“奥列斯特”三坐标全方位相控阵移动式雷达充分体现了雷达技术的先进水平。西门子公司研制的CTM200无线电中继设备是德国第4代军用移动式和固定式通信设备，主要用于“霍克”防空导弹系统，还可以用于大、中、小容量的战略和战术网。

西门子公司下属的安贝格电子制造工厂，主要生产SIMATIC可编程逻辑控制器及相关产品，是欧洲乃至全球最先进的数字化工厂，被认为最接近工业4.0概念雏形的工厂，是以德国工业4.0为目标而打造现代工厂，也是发展智能工厂的典范，如图3.2-1所示。

图3.2-1　安贝格工厂从工业1.0到工业4.0的发展历程

安贝格数字化工厂30多年的发展历程如图3.2-2所示。从1982年开始引入车间管理系统起，到RFID的引入，到数据优化的管理，到工艺路线管理系统。这是一个蝶变的过程，也是一个持续改善的过程。这座外观与工人数量基本维持原状、连生产面积都未增加的工厂，30多年一直向着一个光芒之地在自我进化。那个光芒之地，正是我们心目中的工业4.0圣地。在这个演化过程中，安贝格工厂在数字化、智能化发展中形成了自身特色和优势。

安贝格工厂可以看作是所有智能工厂的原型工厂。该工厂将工艺的规划与工程化、生产系统的规划与工程化、仿真优化及验证全部实现数字化，并且能够达到实体与数字信息同步，达到设计、制造、调试信息一体化的联动；其中任何一个环节的数据变化，都能在整个环节上同步进行变更，强调的是集成的、统一的数据标准。

正是依赖统一的数据和联动机制，安贝格工厂仅通过工业互联网就可以进行联络，大多数设备都在无人操作状态下进行挑选和组装。安贝格工厂为全球6万多家客户提供产品，达到自接到订单最短可在一天之内为用户提供产品，生产组织形式真正高效、灵活。

图3.2-2　德国安贝格数字化工厂建设足迹

（1）安贝格工厂的数字化、智能化能力水平。

安贝格工厂特别突出的特点是，机器控制机器的生产，也就是端到端的数字化，这也是未来制造所要达到的目标。该工厂拥有高度数字化的生产流程，能灵活实现小批量、多批次生产，特别是，每100万件产品中残次品仅为10余件，生产线可靠性达到99%、可追溯性高达100%。安贝格工厂的生产效率和柔性化水平如图3.2-3所示。

图3.2-3　安贝格工厂的生产效率和柔性化水平

10多年来，安贝格工厂的人员（保持在1 200左右）及厂房规模（10 000平方米，100×100）均没有发生变化，但通过自动化改造、数字化生产等先进技术，使工厂的产能提升了8倍。具体表现在以下几个方面。

①缩短生产周期。

在安贝格工厂，每年约有5 000次工作计划变更（20%以上是由元器件供货中断造成的）；凭借75%的自动化率，每天生产120种型号的产品；每天约有5 000万种工艺和产品进入SIMATIC IT系统；24小时的生产交货期（从工厂收到生产订单到产品生产出来后，配送到中央仓库）。

②柔性化、敏捷性生产。

每天，安贝格工厂进行大约350次切换，确保生产出1 000种不同产品；99.5%以上的交付可靠性，保证实现24小时交付；±20%的人员配置灵活性以及时满足需求。

③提高生产效率。

1秒钟生产1个产品；每年生产高达30亿件的零部件；每年生产1 500亿SIMATIC产品，相当于平均每秒就能生产出1台控制设备；全自动运输系统确保在15分钟内将物料从仓库送至生产设备。

④自动化水平。

目前，在安贝格工厂里，真实工厂与虚拟工厂同步运行，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。安贝格工厂的生产自动化率到达75%，只有剩余1/4的工作需要人工完成。由人力完成的部分，只有生产过程的开头部分，即员工将初始组件（裸电路板）放置到生产线上的环节，此后所有的工作均由机器自动控制完成。工厂的每条生产线上都运行着约1 000台SIMATIC控制器。这些产品通过产品代码控制它们自身的制造过程，它们可告知生产设备它们的要求是什么、下一步工序是什么。

更为关键的是，除了生产过程的自动化，工厂更关注物流自动化和信息自动化与生产过程自动化的匹配。在设计上，安贝格工厂与其他工厂的区别在于，生产车间在二楼，一楼是智能物流配送系统，其运用方式是在正常计划配送的基础上，根据生产线使用情况，技术人员将快要用完的物流，扫描物流号后，会通过RFID自动将信息传递到中央物流区，中央物流区会自动地将相关物流准确地配送自相应的线边库，整个过程不需要人工参与，依靠信息系统全自动化完成，相应的时间在15分钟左右。

⑤数据采集能力。

为了准确收集数据，安贝格工厂超过3亿个元器件都有自己的“身份证”。这些基础识别信息包括：哪条生产线生产的、用什么材质、当时用的扭矩是多少、用什么样的螺丝钉，等等。当一个元件进入烘箱时，机器会判断该用什么温度以及时间长短，并可以判断下一个进入烘箱的元件是哪一种，适时调节生产参数。

安贝格工厂通过SIMATIC平台，每条线实现了超过1 000个站点的数据采集，基本实现了生产透明化。比如全体员工都可以看到实时生产状态的信息，具体可以做到以下三点。

——实时在线放映生产状态报告。

——统一的分析管理工具。

——对生产过程的每个环节进行有效的监控。

⑥IT生产执行能力。

安贝格工厂的IT系统曾面临过分散、信息孤岛等问题，但通过改造，现在产品与生产设备的通信、所有流程均已实现了IT控制并进行了优化，具体表现在以下三个方面。

——形成整体的集成思路。

——形成了统一的数据标准。

——实现了多IT系统的平台集成。

目前，IT系统每天将生成并储存约5 000万条生产过程信息。安贝格工厂全数字化工作流程如图3.2-4所示。

图3.2-4　安贝格工厂全数字化工作流程

⑦生产管理水平。

安贝格工厂在对传统BOM（Bill of Material）管理的基础上，延伸到了BOP（Bill of Processor）的管理，形成了工艺结构树。

⑧装配工艺。

安贝格工厂对手工装配的员工，不需要进行太多培训，而是系统提供相应的装配工序，上岗员工只需10～35分钟的安全培训，就可胜任相应的工作；而且，员工每天的工作岗位是不确定的，可以实现灵活的调动。但对于外围技术工人，则需要经过至少是3年以上的技术培训，才能胜任。

⑨质量第一的理念。

为保证质量第一，安贝格工厂创新性地提出了dpm-A的指标，即百万出错率，使得工厂产品质量迅速提升，从20世纪90年代的560百万出错率，下降到如今十几的水平，相当于质量水平达到了99.998 9%。

为了保证完美的质量管理，安贝格工厂采用了相互制约的多系统监测系统，如物流清单、工艺制程、在自动监测基础上配合一定量的人工抽检。

⑩员工仍具有不可或缺的地位。

在高度数字化和自动化的安贝格工厂，员工仍具有不可替代的作用。比如，在生产车间中，时不时会看到工人在走动巡查。工厂有大约1 200名员工，实行三班轮换制，每班有300～400名员工。员工会起身查看自己负责环节的进展，比如手工连接上某些原材料以及查看数据等。(www.daowen.com)

由于工厂里的所有设备都已经联网，可以实时交换数据，因此员工可以通过移动终端查看重要信息。而1 000多台扫描仪实时记录所有生产步骤，记录焊接温度、贴片数据和测试结果等产品细节信息。员工最为重要的作用，是提出改进意见。现在，员工提出的改进意见对年生产力增长的贡献率达40%，剩余60%源于基础设施投资，包括购置新装配线和用创新方法改造物流设备。员工提改善意见可以得到奖励，工厂曾经发放了220万欧元的奖金给予提意见并获采纳的员工。

（2）安贝格工厂体系架构。

安贝格数字化工厂体系架构由企业层、管理层、操作层、控制层和现场层五个层级构成。其中，企业层对产品研发和制造装备进行统一管控，与ERP进行集成，建立统一的顶层研发制造管理系统。管理层、操作层、控制层、现场层通过以太网进行工业组网，实现从生产管理到工业网底层的网络连接，实现管理生产过程、监控生产现场执行、采集现场生产设备和物料数据的业务要求。图3.2-5是安贝格工厂体系架构示意图。

①企业层。

企业层即产品全生命周期管理层，是企业的管理职能。融合产品设计生命周期和生产生命周期的设计生产流程，对设计到生产的流程进行统一集成式的管控，在企业层级实现生产全生命周期的技术状态透明化管理。通过集成PLM系统和MES、ERP系统，进行企业层级全数字化定义，信息采集到信息形成到产品设计到产品生产的全过程高度集成数字化。在数字化工厂内实现了具有独有信息数据的产品的研发到该产品制造的垂直的数字化管理控制。通过对PLM和MES的融合实现设计到制造的连续的数字化数据流转。

图3.2-5　安贝格工厂的架构

②管理层。

生产过程管理层。管理层主要实现了生产计划在制造职能部门的执行，管理层统一分发执行计划，进行生产计划和现场信息统一协调管理。管理层通过MES与底层的工业控制网络进行生产执行层面的管控，操作人员和管理人员在数字化管理系统中依次提供该具有独有信息数据的产品的计划执行状况、跟踪状况以及所有资源（人、机、料、法、环）的当前状态，同时获取底层工业网络对设备工作状态、实物生产记录等信息的反馈。

③操作层、控制层和现场层。

操作层、控制层和现场层基于底层工业网络，被整合成集成自动化系统（TIA），基于赛博网络方法使用TIA技术集成现场生产设备物理创建底层工业网络，在控制层通过PLC硬件和工控软件进行设备的集中控制，在操作层有操作人员对整个物理网络层的运行状态进行监控、分析。

集成自动化系统实现了数字化工厂内整个生产流程的自动化过程，从原料入库到生产，一直到物流配送，支持各种批量生产、连续生产等生产模式的制造流程。通过网络连接制造过程管理系统，通过实时工业总线连接过程控制系统和由PLC、设备、控制器、传感器等组成的底层物理网络；通过建立设备内置智能系统实现对设备的实时监控和状态数据采集，并把采集到的实时数据传输到MES中，为在MES中设备状态分析和质量状态分析提供数据支持。

安贝格工厂的体系架构实现高度智能化、自动化、柔性化和定制化，研发制造网络能够快速地响应市场的需求，实现高度定制化的节约生产。

综上，可以看到，安贝格的智能工厂主要依赖数字化、模拟仿真、模块化及相对标准化的产品设计，和基于自己产品的物料清单、工艺清单的数字化、信息化与自动化的高度融合，来实现智能工程的稳定运行。

（3）安贝格工厂的网络集成。

制造设备、生产过程的集成式企业策略，在工业4.0的框架中软件、硬件、平台深度融合，也就是工业制造领域的人、机、料、法、环的相互多重融合，其核心体现以下几个方面。

一是数字化工厂的管理体系的智能化，即所选用生产系统和过程具有一定的智能化。也就是间接实现了生产设施的网络化分布式布置格局，构成了人与机与法与环与料的有机多重组合，构造了体系的智能基础。

二是生产过程的智能化。在数字化工厂内，比如生产过程中的物流管理的智能化即实现人与料的融合，操作者与机器的智能化互动即实现了人与机的融合，新型的3D技术在工业生产过程中的应用体现了人的智能与机的融合。

安贝格工厂依托本身是工控产品和PLM平台产品的集成供应商结合自身技术优势，把工业4.0的概念在工厂中进行了实际应用，如图3.2-6所示。

图3.2-6　工业4.0在数字化工厂中的应用

①建立数字企业化平台。

在统一的数字化平台上进行企业资源、企业供应链、企业系统的融合管理，建立一个跨职能的层级数字化平台，实现资源、供应链、设计系统、生产系统的统一的柔性协调和智能化管控。企业所有层级进行全数字化管控，通过数字化数据的层级流转实现对市场需求的高定制化，并实时监控企业的资源消耗、人力分配、设备应用、物料流转等生产关键要素，分析这些关键要素对产品成本和质量的影响，以达到智能控制企业研发生产状态，有效预估企业运营风险。

②建立智能化物理网络。

基于赛博物理网络基础集成安贝格工厂的IT平台、工控软件、制造设备的各种软硬件技术，建立安贝格工厂的工业网络系统，如图3.2-7所示。

③建生产现场物理网络。

把生产线的制造设备连接到物理网络中，采集设备运行情况，记录生产物料流转等生产过程数据，如图3.2-8所示。

图3.2-7　智能化物理网络

图3.2-8　生产现场物理网络

在安贝格工厂中，根据外部需求采集信息构成产品的需求数据信息，研发部门根据该信息依据标准化的制度和设计标准形成具有该新品特有的属于其自身的数据信息。这个独特的数据信息将跟踪该产品一生，从研发阶段到生产过程阶段，再到质量检验过程，再到通过外部物流到用户手中，以及后续使用状况均实时存储于数字化工厂的数据库之中。

这种在数字化工厂中存在的状况可称之为柔性运行，也就是将工业生产的售前、生产、售后集于一体，通过互联网的终端效应将它们有机地联合到一起，更方便快捷地服务于终端用户。也就是以产品本身所具有的特有信息构成一个具有生命周期的产品，更好地跟踪和服务。

这个产品生命周期分为产品的信息需求阶段、产品研发阶段、产品制造阶段、产品各部件质量检验阶段、产品生成控制阶段、产品供应阶段、产品使用阶段、产品损耗阶段、产品耗费阶段等全过程。安贝格工厂全生命周期生产流程如图3.2-9所示。这个过程存在的依据就是数字化工厂所给予的产品自身特有的信息数据，这个数据信息就是实现无缝信息互联的基础，也是实现智能化生产的基石。

图3.2-9　安贝格工厂 全生命周期生产流程

安贝格工厂在同一数据平台上对企业各个职能和专业领域进行数字化规划，这种贯穿于工厂各个领域的规划包括以下几个方面。

——产品独有信息数据的数字化生成。

——具有独有信息数据的数字化产品开发。

——具有独有信息数据的数字化产品的制造准备。

——具有独有信息数据的数字化产品的数字化生产。

——具有独有信息数据的数字化产品的数字化企业管理。

——具有独有信息数据的数字化产品的数字化企业维护。

——具有独有信息数据的数字化产品的数字化供应链管理。

通过对企业各个领域的数字化集成实现企业精益文化的建立和企业的精益运营。