生產線數位孿生：來自領先電氣製造商的經驗教訓

請考慮這一點：您即將開始一個新的斷路器生產流程。在任何機械開始焊接或電纜開始連接之前，您可以在螢幕上看到整個流程的演示。您會看到從原材料引入、送入機器，到最終產品轉移給包裝工的整個過程。您可以識別瓶頸工位，修改生產線的設置，並在建立設備之前用不同的產品測試您的PLC程式。試想您將節省多少時間、金錢和精力！這就是數位孿生技術為製造業帶來的價值。數位孿生是利用軟體產品創建的產品、設備或生產線的虛擬表示。它能夠通過數據傳輸與其實體對應物連接。.

一些公司如西門子（Siemens）、施耐德電氣（Schneider Electric）、ABB 和伊頓（Eaton）已經引入了孿生技術並分享了他們的成果：縮短生產時間、更快上市、物料搬運時間減少近40%、調試時間減少80%，以及交期縮短一半。本指南將幫助解釋數位孿生在製造業中的概念、哪些公司使用此技術，以及它如何對想要實施自動化裝配線和測試的小型及中型企業帶來益處。

簡單來說，數位孿生可定義為一個與實際數據連結的產品、機械、產線或製造廠的線上模型，能模擬真實物件的性能。企業利用此技術進行流程模擬與測試（虛擬調試），在生產流程開始前揭示瓶頸、預測維護需求並確認產品變更。根據西門子、施耐德電氣和ABB的說法，採用此技術可使上市時間縮短超過40%、能源消耗降低32%、調試時間最多減少80%。.

什麼是數位孿生？製造商如何理解它

數位孿生究竟是什麼？它指的是物理物件或流程的虛擬表示，包含其特徵與規格。以下三個特性使數位孿生有別於標準CAD模型或一般建模技術。.

• 首先，數位孿生建模的是流程而非幾何形狀。這意味著數位孿生可以追蹤圓盤的運動、計算執行測量所需的時間，或了解故障零件的情況。.
• 其次，數位孿生獲取即時數據。來自感測器、PLC系統、MES及品質相關資訊的數據，會從實際系統傳輸到數位模型。.
• 最後，數位孿生用於做出明智的決策。簡單來說，工程師會向數位孿生提出一系列「如果…會怎樣」的問題，並選擇對生產有意義的回應。.

現代數位孿生技術整合了3D建模軟體、物理與邏輯模擬軟體、工業物聯網以及人工智慧的應用。為此，我們可以提及幾家公司，如西門子（NX、Tecnomatix Process Simulate 和 Plant Simulation）、ABB（RobotStudio）、達索系統、羅克韋爾自動化和NVIDIA（Omniverse）。.

製造業數位孿生的三層結構

談到工廠時，將製造業數位孿生視為由三個不同層次組成會很有幫助。西門子及其他供應商採用類似的結構。.

真正的效益來自三層之間的連結，產品孿生的變更會導致流程孿生的更新，且生產線的性能資訊會反饋給它們。.

按規模分類的四種類型數位孿生

另一種常用的數位孿生分類方法是根據其規模。.

• 元件孿生指的是如雙金屬片、彈簧或觸點等單元。.
• 資產孿生處理完整的機器或設備。.
• 系統孿生涉及多個單元協同工作，如微型斷路器組裝線。.
• 流程孿生指整條生產流程線，包括物流、規劃和能源供應。.

通常製造商會從系統孿生或資產孿生開始，因為這是最容易操作的孿生類型。.

領先電氣製造商如何使用數位孿生

數位孿生工廠的例子多見於電氣與自動化設備的生產，企業透過引用自家工廠作為成功案例來展示成果。您可以使用來自各公司網站的資料。.

西門子：從產品數位孿生到工廠數位孿生

德國埃爾朗根 – 物料流動與自動導引車（AGV）作業。西門子埃爾朗根電子工廠生產SINAMICS變頻器。透過Tecnomatix Plant Simulator和Process Simulate程式，工程師現在可以追蹤AGV在車間的運作及物料運輸，透過雙胞胎中的流程模擬，物料流通率幾乎降低了40%。此外，西門子利用機器人、容器和零件的數位雙胞胎來訓練AI系統，使用模擬機器人進行物料搬運，取代了為每個零件手動編程每台機器人的方式。結合IT與OT以及工業AI，西門子在四年內成功提升了69%的生產力，並降低了42%的能源消耗。.

根據西門子表示，公司能達成約八秒的目標生產週期時間，原因在於其數位雙胞胎的建立。西門子位於中國成都的工廠被打造為位於安貝格工廠的數位雙胞胎，以便在不同地區執行相同的製程。.

中國南京 – 一座虛擬存在的工廠。西門子數控工廠位於南京，專門生產CNC機床、驅動器和馬達。該製造設施在建造前，先在虛擬空間中完成整體設計與測試。該工廠現有73,000平方米，執行超過50項由AI驅動的作業。自2022年起，作業效率提升了78%，故障率降低了46%。該工廠於2026年1月被世界經濟論壇董事會（WEF）評選為全球燈塔工廠。.

施耐德電氣：能源、運營與速度的數位雙胞胎

EcoStruxure平台中數位雙胞胎技術的應用，使施耐德電氣能將其工廠連接至能源與IT解決方案，並為智慧工廠配備獨特的擴展工具。該公司在多個製造設施中使用數位雙胞胎，帶來顯著效益：

中國無錫 – 數位雙胞胎的應用節省了32%的暖通空調成本。公司利用5G技術提升機器人性能，導致該工廠準時交貨率提升30%，產品上市時間縮短25%。.

法國勒沃德勒伊 – 作為首批燈塔工廠之一，提供EcoStruxure增強操作員顧問應用，結合AR技術、能源消耗與預測性維護。該燈塔工廠節省了25%的能源並減少了25%的排放。.

美國列克星敦 – 利用物聯網與預測分析技術，實現即時數據接收，並降低了26%的能源消耗。.

Shanghai, China – 該工廠在工程和GENAIC中實施了機器學習技術，幫助其縮短訂單交付期67%，並提高生產力82%

在所有情況下，施耐德電氣宣稱節能介於10%至30%之間，並降低維護成本30%至50%。此外，上海的案例對低壓產品製造商非常具有說明性。.

ABB：使用機器人數位孿生進行虛擬調試

ABB於1998年推出RobotStudio模擬軟體。2026年3月，RobotStudio HyperReality問世，結合了NVIDIA Omniverse的進展以及產品、環境和機器人孿生的概念。公司強調該平台可實現模擬與實際機器人約99%的相關性，並將調試時間縮短約80%，開發成本降低約40%。此結果的主要原因之一是ABB在虛擬控制器和實體機器人控制器中使用相同的韌體。.

伊頓：生產中的模擬器與數位孿生

伊頓位於中國常州的工廠每年處理164,000個SKU及約5,000個新設計。數位孿生、模擬、人工智慧和機器人技術的應用使公司實現了39%的時間縮減、50%的效率提升及129%的營收增長。.

數位孿生成果比較

數位孿生為自動化生產線帶來的效益

對於購買或升級自動化組裝與測試線的製造商而言，數位孿生的好處是實用且可衡量的，有四項尤為突出。.

透過虛擬調試縮短啟動時間

在檢視虛擬調試過程時，可以看到在實體機械設備尚未到位前，其真實PLC程式已連接至機械的虛擬版本。工程師可測試序列、互鎖、安全邏輯、操作介面及故障管理，減少先前生產中的程式錯誤。使用高精度機器人模型時，減少比例可達80%。即使是基本模擬器，也能大幅減輕啟動時的混亂。.

產能與瓶頸模擬

每個自動化工站的速度都取決於其中最慢的一站。透過實際生產流程的模擬，工程師可以在實體建置前優化每個工站的工作時間。以斷路器為例：一個 MCB自動裝配線 每單位運行3秒的設備每小時可生產約1,200個斷路器，而一個 MCB自動測試線 每小時可測試1,800至2,400個。模擬結果顯示，組裝比測試更限制流程。.

維護預測與閉環品質

生產線啟動後，性能數位孿生可提供氣缸循環次數、馬達電流及壓力等資訊。接著分析趨勢，協助預見生產線磨損，避免故障或品質偏差。例如，校準時跳脫時間的長期變化表示裝置在達到IEC 60898-1標準限制前，紙質元件已出現故障。.

快速換線與驗證執行

低壓應用領域的製造商經常需要新增電壓等級及其他參數。在一條 MCCB自動生產線 覆蓋100至1,600 A的生產線上，框架尺寸換線需30至60分鐘，使用快速換模具，虛擬驗證每個新配方可保障換線時間。.

斷路器組裝與測試線的典型痛點

中小型製造商如何開始

西門子與施耐德的案例涉及龐大團隊與多年計畫。. 多數中型工廠無需完整工廠數位孿生也能受益。. 此類計畫可從小規模開始，並經歷大部分開發流程，如下說明：

1. 選擇一條生產線或一個關鍵工站。. 進行所選工站及輸送帶系統的3D建模，並連接實際PLC程式進行虛擬調試。.
2. 建立具動作與邏輯的3D模型。. 運行實際產品樣本，找出瓶頸與變更。.
3. 模擬產能與變異。. 生產線運行後，時間間隔、故障與測試資料應傳送至MES或供應商儲存，確保一切如預期運作。.
4. 連接即時數據。. 生產線運行後，將循環時間、故障與測試結果串流至MES或資料庫，使模型反映現實。.
5. 新增維護與品質分析。. 現在可透過分析上述數據判斷設備維護時機。.
6. 擴展至下一條生產線。. 重新使用模型、庫和資料結構於下一個專案。.

誠實是成本管理的關鍵。. 引入模擬程式、建模和資料整合需要時間並產生成本，且如果您的同事缺乏有用的資料可用。關於自動化層如何整合，請參閱我們的文章 完全整合自動化 以及 製造運營管理的文章; ；關於投資範圍，請參閱 工業自動化的效率效益; ；關於選擇生產線類型，請參閱我們的指南 選擇自動化生產線.

結論：數位孿生已成為競爭工具

透過實施數位孿生，Siemens 成功減少了 Erlangen 材料流通過程中的 40% 損耗，並在南京工廠實際建設前建立了虛擬模型。Schneider Electric 透過應用數位孿生技術，降低了無錫廠的能源消耗並提升其他智慧工廠的工作流程效率。ABB 宣稱已將調試時間縮短高達 80%。這些成果是真實的績效結果，而非僅僅是行銷創新。.

對於希望透過現代化生產線提升技術實施流程生產力的公司來說，數位孿生可以是關鍵解決方案。.

參考文獻

• Siemens – Erlangen 電子工廠的數位孿生 – 材料流通、AGV 模擬、AI 訓練與上市時間。.
• 西門子 – Erlangen 被命名為數位燈塔工廠（2024） – 生產力與能源成果。.
• 西門子 – Amberg 電子工廠 – 變體、換線與數位企業資料。.
• 西門子 – 南京被命名為全球燈塔工廠（2026） – 虛擬設計工廠與 AI 結果。.
• Schneider Electric – Lexington 與無錫燈塔認證（2021） – 數位孿生能源成果與物聯網能源管理。.
• Schneider Electric – 上海與蒙特雷燈塔（2024） – 產品、技術與成果。.
• Assembly Magazine – 深入 Schneider Electric 智慧工廠 – 擴增實境與全公司能源及維護節省。.
• ABB – RobotStudio HyperReality（2026） – 模擬與實際相關性及調試時間。.
• 伊頓 – 常州智慧工廠加入全球燈塔工廠網絡 – 模擬與數位孿生成果。.

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