然而，新的時(shí)代也帶來了新的挑戰(zhàn)。在如今的飲料市場，消費(fèi)者渴望“嘗鮮”，并且更加注重健康、品味和文化。因此，飲料企業(yè)需要提供品類更加豐富、包裝更加新穎的飲品。這對企業(yè)生產(chǎn)線的柔性提出了極高的要求。同時(shí)，競爭愈發(fā)激烈。為了提高競爭力，企業(yè)也需要在生產(chǎn)、能源管理和運(yùn)維等方面降低成本、提高效率。最后，飲料企業(yè)必須不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障食品安全。
從2015年起，娃哈哈攜手西門子，對其杭州下沙第二生產(chǎn)基地內(nèi)一條主要生產(chǎn)純凈水和含氣飲料的水汽線進(jìn)行數(shù)字化與智能化升級試點(diǎn)。這是食品飲料行業(yè)中第一個(gè)入選國家工信部智能制造試點(diǎn)示范的項(xiàng)目，也是中國第一條數(shù)字化與智能化飲料生產(chǎn)線。
圖1 西門子工程師與娃哈哈車間負(fù)責(zé)人巡視生產(chǎn)線
“西門子在數(shù)字化基礎(chǔ)及自動(dòng)化控制元件方面都是全球領(lǐng)先。娃哈哈很早就已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，現(xiàn)在，我們希望實(shí)現(xiàn)智能化以進(jìn)一步控制產(chǎn)品質(zhì)量。”杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司董事長兼總經(jīng)理宗慶后表示，“娃哈哈比較熟悉飲料生產(chǎn)線上需要控制哪些技術(shù)參數(shù)，而西門子又比較熟悉怎樣去控制。兩者結(jié)合起來，就可以達(dá)到事半功倍的效果。”
娃哈哈的煩惱
飲料的生產(chǎn)要經(jīng)歷水處理、配料、制蓋、制瓶、吹瓶、灌裝、套標(biāo)，裹包和碼垛等多道工序。在娃哈哈杭州下沙第二生產(chǎn)基地內(nèi)一條長達(dá)百米的水汽生產(chǎn)線上，一瓶瓶純凈水和含氣飲料快速而有序地飛過，生產(chǎn)速度達(dá)到每小時(shí)54000瓶。
雖然這樣的生產(chǎn)效率已是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，但娃哈哈的工程師們卻有一個(gè)不小的煩惱。水汽線上每臺(tái)設(shè)備都處在單機(jī)自動(dòng)控制的狀態(tài)，只知“埋頭苦干”，“兩耳不聞周圍事”。這樣一來，工廠不僅無法通過整線協(xié)調(diào)達(dá)到效率最大化，一旦生產(chǎn)線出現(xiàn)故障，原因也難以快速排查。
在娃哈哈遍布全國的飲料工廠里，80%至90%的設(shè)備已通過西門子的可編程邏輯控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化升級改造的過程中，西門子為娃哈哈細(xì)致規(guī)劃并提供了包括S7-1500系列控制器、工業(yè)服務(wù)器和人機(jī)界面(HMI)等在內(nèi)的自動(dòng)化設(shè)備、全集成自動(dòng)化平臺(tái)(TIA Portal)、WinCC系統(tǒng)、B.Data能源管理系統(tǒng)和Profinet工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的完整SIMATIC解決方案，幫助這條水汽線實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的互聯(lián)互通和中央監(jiān)控，達(dá)到柔性生產(chǎn)的要求，并優(yōu)化了產(chǎn)線能源管理，也通過產(chǎn)品質(zhì)量追溯，保障了食品安全。
從“單兵作戰(zhàn)”到互聯(lián)互通、中央監(jiān)控
實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)字化與智能化的核心是設(shè)備的互聯(lián)互通和中央監(jiān)控。有了西門子的解決方案，水汽線的生產(chǎn)設(shè)備從“單兵作戰(zhàn)”的狀態(tài)中解脫出來，形成了高效的“團(tuán)隊(duì)”，而散落在工廠各處的數(shù)據(jù)也形成了閉環(huán)，在生產(chǎn)線上高效流轉(zhuǎn)。
以前，娃哈哈集團(tuán)總部到各個(gè)分廠的企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)系統(tǒng)雖已實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，但工廠到車間內(nèi)各設(shè)備的數(shù)據(jù)卻沒有打通。現(xiàn)在，情況發(fā)生了徹底的改變。總部可以通過ERP系統(tǒng)將銷售訂單發(fā)送到工廠的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)中。接下來，MES會(huì)根據(jù)庫存等情況將銷售訂單拆分為不同的生產(chǎn)訂單并發(fā)送到西門子WinCC系統(tǒng)上，由它對生產(chǎn)訂單進(jìn)行分解，生成具體的生產(chǎn)方案并下發(fā)至不同的生產(chǎn)設(shè)備。
而在底層，西門子的PLC等自動(dòng)化設(shè)備覆蓋整條生產(chǎn)線。基于Profinet工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)設(shè)備遵照統(tǒng)一的OMAC數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通。生成的數(shù)據(jù)將由WinCC系統(tǒng)采集，并返回給MES系統(tǒng)。操作員可以利用TIA Portal進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通訊、組態(tài)和編程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備與系統(tǒng)的無縫連接。
西門子WinCC系統(tǒng)與PLC等自動(dòng)化設(shè)備組成了高效的中央監(jiān)控系統(tǒng)。借助西門子SIMATIC解決方案，娃哈哈打破了各個(gè)設(shè)備的信息孤島，讓從設(shè)備層到管理層的全部數(shù)據(jù)徹底貫通，成功實(shí)現(xiàn)了對整條生產(chǎn)線的數(shù)字化管控。
設(shè)備的互聯(lián)互通和對生產(chǎn)線的中央監(jiān)控為生產(chǎn)線的運(yùn)行帶來了革命性的變化。借助西門子SIMATIC解決方案，所有物料供給過程都可以由系統(tǒng)自動(dòng)控制。以前，在飲料行業(yè)中，由于沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)備的中央控制與互聯(lián)互通，操作員每次生產(chǎn)都需要根據(jù)訂單情況手動(dòng)控制物料供給。
圖2 西門子S7-1500系列控制器等自動(dòng)化設(shè)備覆蓋整條試點(diǎn)線
如今，試點(diǎn)線上所有物料供給都可以由系統(tǒng)根據(jù)訂單信息和實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)程自動(dòng)完成精準(zhǔn)控制。例如，如果一批產(chǎn)品中包含8000瓶飲料，當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算出已經(jīng)通過裹包機(jī)的成品為7500瓶，而生產(chǎn)線上剩下的500瓶產(chǎn)品也即將進(jìn)入裹包階段時(shí)，系統(tǒng)就可以自動(dòng)停止前道工序供料，保證訂單的準(zhǔn)確執(zhí)行。
如今，故障排查也變得更加便捷、及時(shí)。現(xiàn)在，中央監(jiān)控系統(tǒng)與分布在產(chǎn)線各處的攝像頭實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)。一旦設(shè)備報(bào)警，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)指揮攝像頭自動(dòng)切換畫面，快速定位報(bào)警點(diǎn)，以便操作人員及時(shí)處理故障，縮短停機(jī)時(shí)間。
此外，中央監(jiān)控系統(tǒng)也大大方便了娃哈哈的管理人員對車間進(jìn)行整體維護(hù)和管理。現(xiàn)在，操作員和管理人員可以通過WinCC系統(tǒng)輕松查看整條生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況。
全局設(shè)備效率(OEE)是衡量產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)。停機(jī)時(shí)間、產(chǎn)品質(zhì)量、人為失誤、設(shè)備磨損等都會(huì)對OEE帶來負(fù)面影響。現(xiàn)在，WinCC系統(tǒng)可以幫助娃哈哈計(jì)算OEE，方便管理人員準(zhǔn)確了解影響生產(chǎn)效率的薄弱環(huán)節(jié)，助力娃哈哈大幅提高整個(gè)車間的維護(hù)和管理水平。
化剛為柔，這條水汽線不簡單
傳統(tǒng)的飲料生產(chǎn)線只能生產(chǎn)一種固定飲品且不能對產(chǎn)品的標(biāo)簽和包裝做個(gè)性化調(diào)整。然而，面對瞬息萬變的市場環(huán)境，原本“剛性”的生產(chǎn)線已經(jīng)有些力不從心，“化剛為柔”勢在必行。
一方面，在今天，傳統(tǒng)銷售終端和電商平臺(tái)日益融合。作為一家在全國擁有眾多經(jīng)銷商的大企業(yè)，如何管理好復(fù)雜的經(jīng)銷商體系是娃哈哈面臨的主要挑戰(zhàn)之一。它需要找到更有效的方法來區(qū)分銷往不同經(jīng)銷商的產(chǎn)品，以更好地管理銷售渠道。這對娃哈哈生產(chǎn)線的柔性和批次管理水平提出了新的挑戰(zhàn)。
以前，由于無法實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品批次的精確區(qū)分和記錄，很多飲料企業(yè)都很難對經(jīng)銷商進(jìn)行精細(xì)化管理。現(xiàn)在，借助西門子WinCC系統(tǒng)和PLC等自動(dòng)化設(shè)備，試點(diǎn)線可以實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，在同一條生產(chǎn)線上不間斷地按訂單生產(chǎn)送往不同經(jīng)銷商的產(chǎn)品。
如何區(qū)分不同經(jīng)銷商呢?“一箱一碼”是西門子和娃哈哈共同想出的“金點(diǎn)子”。現(xiàn)在，每箱產(chǎn)品會(huì)配有一個(gè)經(jīng)銷商編碼。西門子的系統(tǒng)可以通過在產(chǎn)品包裝箱上自動(dòng)切換經(jīng)銷商編碼，實(shí)現(xiàn)對經(jīng)銷商銷售行為的管理，保證娃哈哈渠道策略的落實(shí)。
“如何準(zhǔn)確、高效地完成定制化生產(chǎn)以滿足消費(fèi)者對產(chǎn)品包裝等的個(gè)性化需求也是目前飲料行業(yè)普遍面臨的一大挑戰(zhàn)。解決這一難題的關(guān)鍵也是柔性生產(chǎn)和精準(zhǔn)的批次管理。”杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司研究院自動(dòng)化所所長許斌表示。
以前，很多飲料企業(yè)雖然能根據(jù)客戶的需求生產(chǎn)具有定制化標(biāo)簽的飲品，但是，在切換批次時(shí)，操作員需要自己判斷當(dāng)前批次的終點(diǎn)。現(xiàn)在，西門子中央控制系統(tǒng)可以根據(jù)訂單數(shù)量和實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)量對標(biāo)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的自動(dòng)批次控制，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)柔性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
在生產(chǎn)管理方面，企業(yè)也需要提高柔性來加快生產(chǎn)不同種類產(chǎn)品時(shí)工藝切換的速度以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。在娃哈哈，西門子的中央控制系統(tǒng)可以更準(zhǔn)確、高效地根據(jù)飲料生產(chǎn)工藝，提供柔性化的工藝路線選擇，并針對不同生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)切換，大大提高了生產(chǎn)線的柔性和效率。
圖3 娃哈哈工作人員通過在水處理過程中進(jìn)行掃碼驗(yàn)證，助力實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯
護(hù)航娃哈哈的生命線
光改進(jìn)生產(chǎn)工藝還不夠，更為關(guān)鍵的是不能讓產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題。食品安全是娃哈哈的生命線，不容妥協(xié)。現(xiàn)在，西門子的WinCC系統(tǒng)加入了“質(zhì)檢小分隊(duì)”。在試點(diǎn)線上，利用西門子的WinCC系統(tǒng)，娃哈哈可以對水處理及生產(chǎn)時(shí)所用到的各類原輔物料、半成品和成品進(jìn)行掃碼驗(yàn)證，生成對整批次產(chǎn)品的追蹤追溯的電子批記錄。這樣一來，相關(guān)負(fù)責(zé)人就能夠清楚知道一瓶飲料的生產(chǎn)信息，讓質(zhì)量追溯非常方便、清晰。
有了“質(zhì)檢小分隊(duì)”對投料等生產(chǎn)過程的嚴(yán)格把關(guān)，試點(diǎn)水汽線的廢次品率大幅降低，給消費(fèi)者又增加了一份“安心”。
“透明”的工廠
除了提高生產(chǎn)效率，高效的能源管理也是工廠提高整體經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。而提高能效的第一步就是讓工廠的能源流動(dòng)變得透明。在娃哈哈下沙第二生產(chǎn)基地，能源的供應(yīng)與使用是分開的。前者在動(dòng)力車間內(nèi)進(jìn)行，而后者則在生產(chǎn)車間中。動(dòng)力車間負(fù)責(zé)提供并分配生產(chǎn)所需的電力、高低壓空氣、蒸汽和水等。生產(chǎn)車間則利用這些能源從事生產(chǎn)。兩個(gè)車間各自默默工作，互相之間沒有直接的數(shù)據(jù)通訊。但這也導(dǎo)致企業(yè)管理者只能在動(dòng)力車間中看到整條生產(chǎn)線上不同能源的消耗量。
如今，借助西門子的WinCC系統(tǒng)及B.Data能源管理系統(tǒng)，娃哈哈可以在任何時(shí)間和地點(diǎn)對工廠內(nèi)能源的實(shí)時(shí)消耗情況進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，娃哈哈還將能源管理系統(tǒng)和生產(chǎn)線的中控系統(tǒng)進(jìn)行了集成。如此一來，能源管理系統(tǒng)就可以根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行情況對能動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行有效控制。此外，娃哈哈還對冷水機(jī)組進(jìn)行了群控，這樣也進(jìn)一步提高了整體能源利用效率。
在能源透明化的基礎(chǔ)上，娃哈哈還需要保證每個(gè)設(shè)備都僅在需要時(shí)開啟，以避免能源浪費(fèi)，從而提高能效。飲料生產(chǎn)需要使用一些高能耗設(shè)備。例如，在制作瓶胚的過程中，PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)粒子會(huì)被吸入干燥塔進(jìn)行約四個(gè)小時(shí)的預(yù)熱，這個(gè)過程需要消耗大量電能。在過去，有時(shí)，生產(chǎn)接近尾聲時(shí)，雖然生產(chǎn)線前部的干燥塔已經(jīng)完成了工作，但操作員有可能在所有生產(chǎn)進(jìn)程都結(jié)束后才關(guān)閉干燥塔，這樣就造成了能源的浪費(fèi)。
現(xiàn)在，娃哈哈對整條試點(diǎn)線的中央控制有助于避免不必要的能源消耗，從而提高能效。中央控制系統(tǒng)可以根據(jù)批次訂單自動(dòng)控制設(shè)備啟停。例如，系統(tǒng)可以根據(jù)訂單的執(zhí)行情況自動(dòng)計(jì)算出單機(jī)產(chǎn)量，并對它們進(jìn)行自動(dòng)啟停控制，如提前結(jié)束干燥塔的生產(chǎn)工作，這就大大降低了整個(gè)生產(chǎn)過程中的能源消耗。
“此次升級改造是飲料行業(yè)中首次將生產(chǎn)線從自動(dòng)化轉(zhuǎn)向智能化。這對飲料行業(yè)中的其它企業(yè)也具有借鑒意義。” 展望未來，宗慶后對此次和西門子的合作前景充滿信心，“中國正在號召企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化。因此，在未來，我們與西門子還可以在很多方面進(jìn)行合作，我們的合作前景還是很好的。”
