小產品大制造 工廠數字化轉型的爬升
http://www.199rrr.com 2020-09-01 10:43 來源：知識自動化 林雪萍
作者
林雪萍：南山工業書院發起人，北京聯訊動力咨詢公司總經理
這貌似是一家平淡無奇的法國工廠，生產幾類日常不起眼的產品：小開關、接觸器、工業按鈕和指示燈。這應該是國內制造商最擅長的場景。而這個工廠2019年總產值已達12億元，人均產值近200萬元。那么這樣一個看上去似乎并沒有高科技含量的產品，如何能在中國制造拼出核心競爭力？或許在這個工廠中，可以找到答案。
從拼裝開始的工廠進化
法國企業似乎難免給人留下奢侈和豪華的印象。然而這家工廠，最早還真是拼湊出來的家當。2011年跟隨西部大開發而落地武漢的時候，一切從簡，生產線都是從外地搬遷過來的：微型斷路器來自天津，接觸器則來自上海。這些裝備拆卸后，搬運過來重新組裝。
這里的工廠，似乎從來沒有把最先進的機器當成最重要的投資。
2012年施耐德電氣武漢工廠在臨時廠房開始量產，當年產值就達到5個億，2013年底遷入新廠房，仍然保持連續幾年的雙位數增長，產能也一直在跳躍式的發展。可以說，這個工廠激發了最昂貴“工具”的活力，那就是激活了人的思想。全員改善思想貫徹到人，利用好一切合手的工具，從精益，到自動化，到數字精益，再到綠色智能制造，在循序漸進中，同樣的機器，可以撬動復雜的效率因果。
一門難啃的生產體系
通常，中國工廠最熟悉的質量認證體系主要有ISO14000和ISO9000等。但這種體系其實只是一個基本門檻，只要按流程走，就相對容易實現。而如果想要在行業內勝出，僅靠這些ISO體系，是完全難以勝任的。
施耐德電氣有一套績效體系SPS，這可以說是企業為自己挖下一個坑。因為據稱這是全球工廠最難通過的審核。這原本就是一套生產體系，類似豐田生產系統TPS。它由內部專家團隊結合外部經驗和多年實踐，提煉出來的一套工廠績效規范。
它內部設立專門的審核委員會，進行每年的體系升級和定期審核。達到了先進水平的工廠，可以每3年進行一次審核；而如果只達到入門級，則需要年年被審核。最高分為1200分，但目前全球最好的工廠也只是大約900分。這種將標準化工業體系，像英雄揭榜一樣明鏡高懸，為推動工廠全員參與改善，提升了暗自比拼的動力。武漢工廠在第一次審核就達到了697分，現在已經超過800分，它就像一個身高指示器，標定了持續增長的空間。
機器慢一下，等人跟上來
方圓之前，規矩先行。
在遷入更多生產線之后，這里的工廠并沒有立刻開始自動化設備的升級。而是大張旗鼓地導入了績效系統，讓每個人都能夠熟悉工業體系的含義。
只要有大的投入，機器效率可以呈現出指數級的提升；但人的認識，則只能適應線性地擴容。如果說自動化是對機器的效率提升，那么績效體系就是對人的思想改造。而思想的改造，則是一個緩慢的過程。這是一個機器等人的過程。如果不考慮其他因素，分期投資生產線的效率，其實比一次性投資要低。但采用分階段、循序漸進的自動化和智能化，其實就是為了讓機器同步伴隨人的成長。
在武漢工廠，當績效系統引入完畢之后，大規模的自動化改造才開始跟上。
用工具、設備來改造人，其實是很難搞定的。打卡，就是一種簡單粗暴飽受爭議的約束。而簡單粗暴的KPI，也會讓人產生應對性和消極性的舉措。只有用工業思想改造，用管理工具協助，才能有效發揮員工效率。不是唯工具論，而是用系統論，來看待一個工廠、一臺機器、一個員工的最大產出，是一次系統工程科學的大會。
供應鏈彈性，體現在三級物流
如果去觀察這個工廠的供應鏈彈性，那需要從微觀尺度、看到大尺度，再到宏觀社會的三個尺度，就會發現內部物流的及時性，外部物流的韌性，和全局物流的預判性。
內部物流的及時性。供應鏈彈性，在一個工廠內部，可以在物料的及時性和生產線的柔性能力。這里的物流系統，分為三種。第一種是水蜘蛛模式，滿載而來空載而去。生產車間各工位觸發物料需求信息時，系統自動計算出最優的取料順序，發送到水蜘蛛的PDA終端，并在最短的時間內完成取料，送料到需求工位。第二種是AGV，滿載而來滿載而去。它通過磁條導航連接原物料倉庫、生產車間和成品倉庫，定時帶來物料，并帶走成品。第三種模式為智能AGV，靈活的物流精靈。它有自己獨立的物料供求管理系統，通過WIFI和地面二維碼矩陣來代替人力，完成半成品運送、補貨管理等。而這背后，機器的互聯也是重要的支撐因素，600多臺工廠設備，全部進行了連接。這使得物料的補充，可以根據整個生產線的機器效率而進行的平衡計算。
在廠房的邊上，仍然保留著一個早期斷路器的舊生產線，這是根據法國的原有設計建造的。它采用了懸空導軌的物流輸送方式，思路別有新意。這個“老古董”的存在，意味深長地表明：工廠持續改善的邊界，是沒有的。它也指引著工廠精益系統的改善者，將眼光從地面物流，轉向高階懸空物流。那是一個更為高階的挑戰。
供應鏈的外部韌性，同樣值得考量。經過多年的發展，武漢工廠已實現了95%的原材料在中國采購。2020年疫情期間，從3月份開始啟動復工復產，用了3周時間就實現了從啟動到跑滿程的運營，而經過兩個月就達到滿產。供應鏈保持了頑強的柔韌性，在極端條件下仍然保持張力。這種外部韌性，得益于日常良好的規劃。武漢工廠80家供應商，其中有一半的采購金額在武漢周邊，很多只有30公里的采購半徑。一個工廠的智能制造的效率，其實有兩個天花板，一個在內，一個在外。工廠的自動化水平很高，但如果上游的原料、零部件供應跟不上，工廠再快沒有用；同樣，如果生產的大量成品，形成庫存積壓無法及時運出去，也會造成巨大浪費。良好的供應鏈設計，需要內外兼顧。
只有這兩點，對于一個國際化公司，仍然是不夠的。供應鏈的彈性，在全球化分布的體系中，會呈現出不可預測的風險。就像炸藥的引線和爆炸點，并不在于同一個地點，延遲會產生巨大的誤判。
武漢工廠這里有一個運輸控制塔，與全球的物流體系保持緊密的關聯。它監控多個指標，對物流的流動性保持預警；與此同時，增加社會事件性的異常點的監控，例如巴黎航空員工罷工，會對全球200個工廠，產生何種干擾。這是在中央控制塔要去解決的問題。
通過三級物流體系，讓車間各種來往的物料小車，連接到宏大的敘事畫卷中，構建一個有彈性的供應鏈體系。
工廠運營，就是圍繞著人的系統
這個工廠的成長性，呈現年輪性的回歸。這個8年前落地的工廠，也有了一個不斷成長與發展的歷程，其精益生產的盤旋上升令人矚目。精益是一個工廠的立足之本，是驅動業務流程的基本邏輯。精益在自動化之前，而自動化之后，數字化精益再次登場。
這里并沒有傳統MES軟件，而是以精益數字化系統LDS的軟件形式出現。這里的MES系統跟精益直接結合在一起。這里主要由四個模塊組成，包括安燈、效率、自動排單、電子看板，其它輔導性內容則包括電子作業指導書等。指導書以前是手冊，現在都是數字化內容，操作員在操作的時候，通過平板電腦，成為擺手就來的工具。
電子績效模塊，可以對線下工人，進行異常提醒，定制的手表可以直接接受安燈的信息。而通過機器顧問和自動化解決方案，員工可以隨時隨地通過手機了解到全廠200多臺設備的狀態；工藝人員能夠實時監測振動、噪音、溫度、主機電流，一旦出現異常，會立即響應。
這里，并沒有令人意外的特殊模塊。如果說特色，加強現場的能動性，則隨時可見。大部分決策，都在現場邊上，“站著”把問題解決。
與一般工廠到信息中心“中央大腦”不同，這里更加強調 “線邊小腦”。這里的生產線并不復雜，有的6-8個工序就完成一件產品。每一條生產線旁邊往往有兩個顯示屏，一個是生產執行的數據，一個是機器異常的數據。這樣，每條生產線的能耗、良品率，和設備運行狀態，都是一目了然。這樣，讓身邊的人，簡單明了地完成判斷。現場開會，就地決策，不需要報表。讓員工的注意力，更多圍繞在生產上。
那么員工如何跟企業領導溝通？這里設置了一個五步循環信息流，使得一線工人的問題，直達總經理。這便是即時管理體系SIM（Short Interval Management），可以認為是“趁熱打鐵管理法”。殘余問題參與下一個循環。它由一系列會議組成，形成了從下到上反映問題、從上到下承諾和支持并解決問題的流程。
作為SPS績效管理的一部分，它跟生產管理系統TPS的最大差異，就是為了跟人溝通。從SIM1-SIM3都是車間級的問題，每天解決每天改善；而所有未解決的問題，不會超過五天，就會流轉到SIM5最高管理層。而SIM3作為一個前后連通的環節，起到把管理者“拉到現場看問題”的作用。
圖1 SIM5管理
（Source：施耐德電氣內部資料）
圍繞人的活力而建設工廠系統的思路，大大推動了工廠現場創新。比如小開關產品的測試線，就經歷了這樣一個三級跳的過程。最初都是從法國直接進口的。后來從法國購買圖紙，團隊與本地集成商一起進行設備制造。幾年實戰，團隊可以自己設計自動生產線。而到了2010年，新產品全球同步上市，全球生產線的設計也要標準化。中國團隊決定對冷卻生產線的工站進行改造。法國原始設計是龍門式，產品被提升到空中，在設備頂端的傳送帶上進行冷卻，然后落回來進行檢測。這種設計是典型的三高：費用高、停機率高、維護頻率高。而中國工業化團隊自主研發了一款游輪式冷卻線，費用降低58%，停機率和維護頻率接近0。法國團隊看到后，也采納了這個設計。在中國工廠的現場火花，所激發的中國制造能力，完成了反向輸出。
制造現場創造的價值不容忽視。索尼當年制造晶體管收音機的時候，生產率非常不穩定，良品率只有5%。工程師反復調整工藝，也不得其法。最后還是一位女工憑借天分和恒心，仔細檢查了所有的工序，才找出產品缺陷的原因：銻元素惡化了成品率。后來改換成磷之后，索尼的晶體管收音機大獲成功。車間現場，總是充滿了意外的蓬勃活力。
成熟只是下一個開始的跳板。當施耐德電氣于2012年在武漢建廠之后，初期設備調試，要靠東部成熟工廠的支持。但隨著團隊的不斷成長，武漢工廠也開始挑戰那些已經成熟的生產線，最后生產線的速率再次提升達到15%。中國的工廠眾多，如果能夠著眼于就地改善，也會是一塊等待開發的沃土。
漏不掉的新人培養
同樣重要的問題是，如何快速讓新人快速上手。這里根據培訓難度，將崗位設立為ABCD四檔，人員逐步升級。培訓一般最短1周，最長1個月。工廠有專門的培訓中心，而且培訓技能站就設立在現場流水線之中。每一種展示的器具，都貼上了功能標簽，例如腳踏板的高度設計上，會貼一張“人機工程讓人更放松”標簽。幾十種技能的培訓道具，其功能對新人可以說一目了然。
圖2 新人培訓技能站
這種快速培訓，在疫情期間發揮了巨大作用。由于許多員工無法回廠，隨著復工復產進程的加快和訂單需求的增多，當時1個月需要招工300人。如果沒有合理的培訓管理，新人其實就是一種搗亂。成熟的人員培訓機制，才會使得工廠人員在突然受到沖擊的時候，可以做到慌而不亂。
就像是有旅客喜歡精美的美食而追隨新加坡航空一樣，許多來這里參觀的人員，會喜歡上這里的培訓課程。
走向綠色智能制造
從發展歷程看，武漢工廠2014年實現精益提升SPS（Schneider Performance System），2015年上馬自動化，2016年落實精益數字化系統LDS，2017年開始與全球工廠同步部署施耐德電氣的智能制造EcoStruxure系統。
從績效系統、精益思想出發，到自動化，到數字精益，歷經三年。直到第四年，網絡化與智能化升級，才開始推行。這是一個反復夯實地基的過程。
最難的不是機器的效率，而是工業文化的滲透與落地。2017年這里進行數字化智能化改造的時候，一開始工廠也不知道如何落實。而公司領導則反復開會，到處都是關于智能制造的宣傳品、紀錄片。自上向下，層層滲透。有了思想的意識，在工廠不能停工的情況下，工廠數字化升級采用了“數字化引領的能效與自動化雙驅動”的一體兩翼策略。通過分析全廠瓶頸，數字系統打全面戰役，自動化系統打局部戰役，能耗管理則采用最小顆粒度方式，逐層級、逐產線進行滲透智能化的改造。
從武漢工廠的生產線數字化改造看，數字化的滲透比較細。上通工廠級，下通設備級和產品級，包括生產設備的互聯互通、車間無紙化、工廠網絡升級、數字化精益系統LDS的應用、廠務設備智能化、機器顧問系統、能源精細顆粒度管控等。
能源轉型和制造升級，是中國面臨的一個雙轉型。一個工廠的能源管理，一類就是工廠的大型能耗設備，一類是廠房工程里面的廠房、樓宇等輔助設施。能源與自動化的融合，成為一個連體系統，會產生更大的價值。這里屋頂光伏可提供15%-20%的電能，而且完全接入企業能源監控系統，而第三方提供方的暖通、水和壓縮空氣，也都支持系統的通信協議，全部都接入到一套系統中。而為了實現這一點，這個工廠一共安裝了五百多塊電表，用于監控設備和生產線能耗，同時提供電力顧問專家系統，解決能耗的日常處理。這些精細顆粒度的能耗計量和監控手段，使得這里的能源消耗只占整體產值的3.9%。
而走向智能制造的工具，同樣是無處不在。雖然工廠生產的零部件種類并不多，但生產過程中至少需要3000種備件。有些備件，緊急情況下就采用3D打印直接制造。這種方式已經解決了5%的備件替代。
人機協同的機器人，形成了移走式的工作站，可以快速編程，實現插拔式工位，有效地解決生產線瓶頸問題。而人機增強型操作助手AOA，作為一塊平板電腦，既可以讀取諸如運行狀態、參數等數據，調用一臺設備的數字孿生，也可以調用圖紙包括Video。更重要的是，它可以看成是一個增強型的上位機SCADA，除了監控之外，還兼具了作業助手的功能。
在這里，似乎到處可以看到智能制造的影子；但又并非濃墨重彩。它們看上去并不是主角，而人，才是C位之焦點。
小結：循序漸進推綠色智能制造
在工廠轉一圈出來，幾點印象深刻：
第一條是工序可以逐步自動化，不求一步到位。也不必一次性投資過大。要尋找合理的成本估算點。
第二條：永不停歇的優化：先精益，后自動化，然后數字化精益；交織進行。人、機、料、法、環、測，相互交織，同進同上，螺旋上升。持續進行改善，永遠不會駐足。顯然，持續優化需要一個拉長的時間軸。從這個意義來看，單純為一個工廠做數字化和智能化的評測，幾乎毫無意義。必須立足于優化目標和投入決心，評測才是有價值的，因為它必須立刻指向一個優化的行動。
第三是能源管理的顆粒化細化。只有能測量，才能做管理。能效管理，最能體現這一點。一是讓能耗可視化，就能起到很好的警醒作用；而進一步，則把能源碎片化和顆粒化，例如電表開關一體化，局部分布式計量，從而進行計量化。
第四是柔性工位，而不是柔性產線。尋找影響產能的瓶頸工位。采用插拔式工位，可以串聯式的局部放大產能，從而使得全部生產線保持高效節拍。這可以通過增加移動機器人、移動工位等方式來實現。
最后一點，也是最重要的一點：設立宏大目標，然后上下同心。武漢工廠每年設定復合增長的目標。在能源節省方面，施耐德電氣全球是3.3%的平均值；而武漢工廠能達到10%的優化。但即使如此，這里仍然每年要做到12%的直接工時節約，實現15%的質量提升，以及單位產值能耗降低10%。廠長每天都在想如何將這些指標分解及實現。有了這種商業向上的宏大目標，才能激發從工位、到車間、到供應鏈的全員響應。通過清晰可見的文化影響和KPI分解，落實到一線員工，從而形成全民合力。
不起眼的小產品，照樣創造利潤，綠色智能制造如虎添翼。這背后，是一套工廠現場的深度挖潛，以及對供應鏈的管控。這正是平淡制造的大學問。
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