然而，新的時代也帶來了新的挑戰(zhàn)。在如今的飲料市場，消費者渴望“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，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行數(shù)字化與智能化升級試點。這是食品飲料行業(yè)中第一個入選國家工信部智能制造試點示范的項目，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)及自動化控制元件方面都是全球領(lǐng)先。娃哈哈很早就已實現(xiàn)了自動化，現(xiàn)在，我們希望實現(xiàn)智能化以進一步控制產(chǎn)品質(zhì)量。”杭州娃哈哈集團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)速度達到每小時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不小的煩惱。水汽線上每臺設(shè)備都處在單機自動控制的狀態(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)實現(xiàn)了自動化。在進一步實現(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)器和人機界面(HMI)等在內(nèi)的自動化設(shè)備、全集成自動化平臺(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，幫助這條水汽線實現(xiàn)了設(shè)備的互聯(lián)互通和中央監(jiān)控，達到柔性生產(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“團隊”，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，娃哈哈集團總部到各個分廠的企業(yè)資源計劃(ERP)系統(tǒng)雖已實現(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進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通訊、組態(tài)和編程，實現(xiàn)自動化設(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)自動控制。以前，在飲料行業(yè)中，由于沒有實現(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)訂單情況手動控制物料供給。
圖2 西門子S7-1500系列控制器等自動化設(shè)備覆蓋整條試點線
如今，試點線上所有物料供給都可以由系統(tǒng)根據(jù)訂單信息和實際生產(chǎn)進程自動完成精準(zhǔn)控制。例如，如果一批產(chǎn)品中包含8000瓶飲料，當(dāng)系統(tǒng)計算出已經(jīng)通過裹包機的成品為7500瓶，而生產(chǎn)線上剩下的500瓶產(chǎn)品也即將進入裹包階段時，系統(tǒng)就可以自動停止前道工序供料，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。現(xiàn)在，中央監(jiān)控系統(tǒng)與分布在產(chǎn)線各處的攝像頭實現(xiàn)了聯(lián)動。一旦設(shè)備報警，監(jiān)控系統(tǒng)就會指揮攝像頭自動切換畫面，快速定位報警點，以便操作人員及時處理故障，縮短停機時間。
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行整體維護和管理。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)線的運行狀況。
全局設(shè)備效率(OEE)是衡量產(chǎn)線實際生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)。停機時間、產(chǎn)品質(zhì)量、人為失誤、設(shè)備磨損等都會對OEE帶來負(fù)面影響。現(xiàn)在，WinCC系統(tǒng)可以幫助娃哈哈計算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車間的維護和管理水平。
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)銷商進行精細(xì)化管理。現(xiàn)在，借助西門子WinCC系統(tǒng)和PLC等自動化設(shè)備，試點線可以實現(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“金點子”。現(xiàn)在，每箱產(chǎn)品會配有一個經(jīng)銷商編碼。西門子的系統(tǒng)可以通過在產(chǎn)品包裝箱上自動切換經(jīng)銷商編碼，實現(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。
“如何準(zhǔn)確、高效地完成定制化生產(chǎn)以滿足消費者對產(chǎn)品包裝等的個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。”杭州娃哈哈集團有限公司研究院自動化所所長許斌表示。
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，操作員需要自己判斷當(dāng)前批次的終點。現(xiàn)在，西門子中央控制系統(tǒng)可以根據(jù)訂單數(shù)量和實際生產(chǎn)產(chǎn)量對標(biāo)機進行實時控制，實現(xiàn)高效準(zhǔn)確的自動批次控制，為進一步提高生產(chǎn)柔性打下堅實的基礎(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)品時工藝切換的速度以進一步提高生產(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，實現(xiàn)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的自動切換，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行掃碼驗證，助力實現(xiàn)質(zhì)量追溯
護航娃哈哈的生命線
光改進生產(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”。在試點線上，利用西門子的WinCC系統(tǒng)，娃哈哈可以對水處理及生產(chǎn)時所用到的各類原輔物料、半成品和成品進行掃碼驗證，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”對投料等生產(chǎn)過程的嚴(yán)格把關(guān)，試點水汽線的廢次品率大幅降低，給消費者又增加了一份“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。前者在動力車間內(nèi)進行，而后者則在生產(chǎn)車間中。動力車間負(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間和地點對工廠內(nèi)能源的實時消耗情況進行監(jiān)控。同時，娃哈哈還將能源管理系統(tǒng)和生產(chǎn)線的中控系統(tǒng)進行了集成。如此一來，能源管理系統(tǒng)就可以根據(jù)生產(chǎn)線的實際運行情況對能動設(shè)備的運行進行有效控制。此外，娃哈哈還對冷水機組進行了群控，這樣也進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設(shè)備都僅在需要時開啟，以避免能源浪費，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)粒子會被吸入干燥塔進行約四個小時的預(yù)熱，這個過程需要消耗大量電能。在過去，有時，生產(chǎn)接近尾聲時，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)進程都結(jié)束后才關(guān)閉干燥塔，這樣就造成了能源的浪費。
現(xiàn)在，娃哈哈對整條試點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)行情況自動計算出單機產(chǎn)量，并對它們進行自動啟停控制，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行合作，我們的合作前景還是很好的。”
