綠色智能制造吹響雙轉型集結號

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2019-12-31 來源: 知識自動化

福特胭脂河工廠幾乎是整個上世紀工業經理人膜拜的圣殿。在那個“礦石-組裝一體化”的垂直集成工廠,從能源的源頭到一分鐘下線的T型車,福特將人類大規模生產能力發揮到極致。流水線是工廠里的“鬼斧神工”之作,機器產能開始出神入化。然而不為人所熟知的是,福特流水線的另外一個關鍵因素是能源的變革。電動機的發展,使得機器終于可以擺脫中央動力的限制。既往的中央動力(如一個蒸汽機),需要靠齒輪鏈條傳動后再次進行動力分配,這使得機器的布置受到巨大的限制。而電機帶來的分布式動力,終于讓機器可以按照咆哮的最高效率而布置。這場脫胎于1914年的流水線取得了一個多世紀的主宰性勝利,并從一開始就告訴我們,制造方式的轉變與能源效率的提升,從來就是不可分割的。而在當下,每一個志在數字化的企業,都需要一種智能制造與能源升級的雙轉型戰略。

 

智能制造是一個漸進的過程:先醫后藥,漸進式跑完全程

數字化技術的投入,就像向池子里扔進去的石頭,它形成的漣漪是逐漸蔓延開來的。工業的場景復雜多樣,這決定了企業在進行數字化轉型時無法一蹴而就。而智能制造需要將制造技術與ICT融在一起,很多時候還會跟組織的變革綁定在一起,它注定是一個漸進的過程。每個企業的數字化轉型,大方向都在通向羅馬,但選擇的路口則是各不相同。

 

智能制造往往需要從“找醫生”開始,找到自己的起點。只有“望聞問切”之后,確定當前工廠的自動化、信息化水平和管理組織特點,才能各自找到自己的切口。

 

作為中國領先的糖果生產和出口企業蘊之寶,最初也并不清楚“智慧化糖果工廠”應該是什么模樣。在借助于咨詢顧問前期的摸底,對流程、生產運營、信息可視化等多維度梳理之后,智能制造的藍圖才顯現出輪廓。原有生產方式存在的產品質量波動、工藝數據管理不透明等問題得以顯現。

 

要找出這些問題背后的根源并非難事。然而,心中要有一個全景的作戰地圖,才能確定出首先需要下手改造的地方。這些問題的背后,是很多企業習以為常的場景。人工投料的精準度不能保證,從而引起質量的波動;工人交接班記錄以紙質為主,不同班次之間的單據傳接亦非常零碎,所有的一切讓管理者腦海中無法形成一張完整的圖像。

 

對癥下藥,經過改造后的蘊之寶采用了實時數據庫,對產量、物料消耗、質量信息和設備運行信息,以及能耗全部進行了數字化的聯通。整個工廠變得透明和智慧。以前生產各環節如一個一個“黑箱般”的操作,如今成為屏幕上五顏六色的圖表體系,決策變得容易起來。

 

智能制造并不應完全由技術所推動,它對企業現有的管理方法和組織架構也形成了巨大挑戰。面對工業生產的復雜性和多樣性,合理的辦法是“先醫后藥+小步快跑”。

 

在全球著名的手機玻璃制造商道康寧的一家最大的硅氧烷工廠中,工廠的DCS控制系統已經運行了幾十年。雖然并未發生大的問題,但升級到數字化平臺卻是勢在必行。然而,數字化轉型并不是“推倒爐灶重來”——這會使得工廠生產的速度放緩。在實際解決方案中,可以通過分階段切換的方法,只通過增加布置全新機柜和控制器,進行旁路控制,然后加以切換。與此同時,保留現場布線等基礎設施。這種對“Brownfield”(已建工廠)的改造,就像是一臺精心設計的手術,它的前期是進行精確的診斷。

 

從精益到綠色:精益不足夠,綠色制造更進一步

精益作為是一種戰術方法的集合,是智能制造的基礎。就本質而言,是強調消除非增值活動所造成浪費,同時以最低的成本和更高的效率交付高質量的產品。一個組織的競爭力和盈利能力,如果使用精益制造工具進行管理,可以有效地提高生產效率。

 

為了保持競爭力,面對當今前所未有的全球競爭形式,企業必須設計和提供更好的產品和服務,并改善其制造業務。精益制造已被用于提高運營績效。運營管理關注的是盡可能有效地將材料和勞動力轉化為商品和服務,以使組織的利潤最大化。它是為了創建優化的版本,在不影響提供的服務或創建的產品的情況下,最大限度地利用資源。

 

可以說,精益制造代表了當今運營管理的最佳實踐。一般而言,企業進行精益制造并不會對環境的影響進行預判,但這不影響其能夠產生足夠的環境效益。由于資源浪費和環境污染并不是精益的主要焦點,這些指標也不會在精益方案中突出展示。

 

隨著可持續發展理念深入人心,先行的企業已經開始引入“綠色制造”,即在制造領域內更新生產流程和建立無害環境的業務。從本質上講,這是制造業的“綠色化”,即減少使用自然資源,回收和再利用材料,并在生產過程中減少排放。綠色制造拓展了精益的邊界。

 

綠色制造更多的是針對流程不同階段的一系列方法。它強調與產品質量和經濟性的總體要求相一致的環境目標的合法性。而為了實現更高水平的環境績效,組織必須首先采用精益哲學的原則和實踐。

 

綠色運營管理(GOM)正試圖使用精益運營的工具和概念,將綠色指標添加到公司用于評估業務流程的卓越度量中。綠色運營圍不斷擴大,正朝著將環境改善納入結構和基礎設施運營決策的所有領域的方向發展。這也意味著,智能制造同時需要納入更廣泛的各種可量化的綠色戰略。如工廠內部的綠色策略,包括照明、暖通空調(HVAC)或加壓空氣消耗,并在決策過程中確定涉及固定成本的方法。

 

1:綠色智能制造的要素

(來源:基于美國UCK大學ISM學院)

 

一個良好的工廠,需要秉承 “零填埋”、“零排放”、“零污染”、“零事故”的可持續理念,實現廠房集約化、原料無害化、生產潔凈化、廢物資源化、能源低碳化等目標。這是一個“智能制造與能源升級”的雙轉型過程。這也是綠色智能制造的本意。這種 “零垃圾填埋” 實現,不僅僅具有技術可行性,而且也有經濟性。法國施耐德電氣已經承諾到2030年,在其200個生產基地回收100%的工業廢料,而目前也有178個實現零廢物填埋,也包括位于中國的22家工廠。然而,這種環境效益也不應該成為一個企業的負擔。循環經濟的收益,也同樣成為企業家關注的熱點。通過將循環經濟的模式引入到綠色智能制造體系中來,預計還可以帶來12%的循環收入和持續增長。

 

2:從傳統制造到綠色智能制造

(來源:基于美國UCK大學ISM學院)

 

整體而言,精益制造和綠色制造之間的主要相似之處是在減少浪費方面。綠色制造是一種最大限度減少浪費和污染的制造方法。精益制造是以系統和持續的方法消除系統中的浪費為目的的系統。減少制造過程中的環境影響和資源消耗是綠色制造中的重要問題之一。從某種意義而言,精益制造也可以看成是綠色工程的一個環節。這兩個戰略(精益和綠色)可以整合并在一種稱為綠色運營(GO)的管理中,再加上各種數字化技術,推動綠色智能制造的發展,從而不僅減少浪費和污染,而且大幅度提高組織的生產率和利潤。

 

能耗管理是綠色智能制造的關鍵一環

智能制造實現的基礎是數字技術、自動化技術,同時也離不開可靠安全、互聯互通的能源供給。隨著智能制造實現的質量提升、能效降低,成本節約也會推動著企業、乃至全人類的可持續發展。據國際能源署(IEA)數據,到2040年電能將占最終能源消費增量的40%。一個更加高效、分散化、數字化的電氣化時代正在悄然到來,包括能耗管理在內的綠色制造,成為智能制造的一個重要的同行者。換言之,能效變革與智能制造是企業數字化的硬幣兩面,互相依存。

 

顯然,工廠需要一種雙目望遠鏡。除了智能制造所強調的智能之外,綠色智能制造還涉及到人的安全、環境友好、廢物管理等。其中,能源消耗則是一個重要的支點。施耐德電氣面向企業數字化轉型提出的“四維融合”模型中,第一個就是“能源與自動化的融合”,就是從能源視角,再度審視企業的每一個環節。而要實現節能減排,必須在能源的使用過程中進行。例如實時排查,關掉工廠里不需要運行的機器,這就需要流程系統與能源系統之間緊密互動。乳業集團伊利的數字工廠,通過互聯互通設備,實現能源與自動化的融合。這需要一種神經末梢級的擴散,從而讓每一個控制部件都可以即時響應雙重的控制。該工廠也最終在取得效率提升19%的同時,能源成本還降低5%。換算成節約的碳排放量,相當于多增加40畝地的闊葉林。

 

一個典型的能效管理,需要在能效顧問綜合視角下,考慮電氣資產管理、能源效率管理、設備健康管理、運行維護一體化以及智能配電方案等,從而提升傳統能源的高效利用。

 

 圖3:能效管理的視角

 

在這個業務領域下,能效顧問應用是一個核心。它需要對智能配電解決方案、運維、云計算都要有很寬廣的管理視角,從而將能源漏洞一一填補。工業壓縮機的能耗一直是工業運行的大黑洞,這里占據了整個生產流程總能能耗的11%。英格索蘭的離心壓縮機,正在逐步采用統一的軟件平臺和靈活的人機界面,對每臺壓縮機進行有效的監控,實時跟蹤機器運行,并在必要時啟動預測性維護策略,從而大幅度降低能耗。

 

全球最大的建材制造商中國建材集團下屬的祁連山水泥,就將能耗管理與水泥生產形成無縫接口,完善了企業能源數據的實時性和完備性,動態調整電力分配,僅2019年便節約電費400多萬元。

 

還有一個很重要的節點,經常被忽略掉,那就是建筑的節能。建筑,本身往往被排除在智能制造之外,然而對于一個工廠的綜合效益而言,它的能耗水平卻是不可忽略的。太古地產集團利用云能效顧問作為集團數字化能效管理轉型的重要工具,建立實時監控的綜合管理平臺以獲取各類能效優化解決方案,為業主實現10%的電能消耗節約。

 

很顯然,如果可以精確定位暖通系統(HVAC)和照明性能,根據實際運行情況來自動調整最適合人群的體感舒適度,這個過程中的能源節約將同樣令人愉快。作為綠色制造的一部分,能源管理數字化的建筑,完全可以每五分鐘就自動提交一份檢查報告,而不是以前的每個月檢查一次,從而對浪費程度、財務機會和舒適度,進行一個綜合性的評判。這是一個典型能源管理的數字化轉型。綠色和智能貫穿其中,從而使得整個工廠制造的效益得到很大的優化。

 

奇妙的是,盡管富有社會責任心的環保熱心人可以將其稱之為“減少碳足跡”的一部分,但其實它的切入點也可以很簡單:那就是圍繞著“人的舒適度”而來。沒有不足,也沒有過量。這是一個“綠色與智能”雙管齊下勇謀精進的典型。

 

綠色智能制造的入手

令人尊敬的公司,會將綠色制造轉化為競爭力。美國越來越多的制造商正在考慮回岸制造,避免過度依賴離岸制造。而再工業化的進程中,綠色智能制造就是一種競爭優勢的重要理念。

 

在美國,綠色制造業也已成為創造長期就業機會的工具。美國《質量雜志》曾經有文章指出,綠色制造業占所有清潔能源工作的26%。而且由于他們的專業技能基礎,清潔經濟工人的工資比美國經濟的其他工人高出13%。

 

事實上,在制造和供應鏈的各個環節,從智能工廠到綠色卡車交付供應鏈,這種可持續發展趨勢正變得越來越重要。綠色制造與智能制造,需要成為企業發展的合二為一的戰略。

 

4:綠色智能制造的典型指標分析

(來源:施耐德電氣對230家客戶的調研)

 

2011年德國機械設備聯合會VDMA就發起了“藍色能效”倡議,旨在使德國所有機械工業行業共同攜手,集中為可持續性發展提供強勁助力。作為第一代工業革命的機械行業的代表,紡織機械行業一直在積極參與。德國把能效作為紡機產品主要競爭的性能指標,每個企業都把是否提高能效作為新產品的首要條件,如立達公司規定達不到5%就不能作為新產品。在連續實施多年后,德國紡機的能效普遍提高30%以上,并促進了技術大大改進。

 

除了德國藍標之外,在節能的追求上,意大利紡機制造商以綠色標簽自居,以識別紡織機械產品的能源和環境性能,如歐瑞康紡織集團建立的e-save節能理念。法國高科技紡機制造商的主要關注點也是產品的節能,并注重廢物的循環利用。從全產業鏈上尋求節能減排技術與工藝,以及新能效管理路徑的追求,紡織機械設備在低能耗、高效率、低排水方面站穩腳跟,已經成為不折不扣的高科技產業。

 

想象一下,綠色籠罩著每一個工廠,而所有產品都要經歷“綠色X光”的透視。國際上Green Premium就是這樣的一個認證,它對一個產品在有毒有害物質、碳足跡方面有嚴格的規范,還要求公開產品從生產到降解的全生命周期環境影響信息。綠色光正在大踏步走來,企業也在迎頭變換顏色。施耐德電氣在2020年,預計75%的銷售收入都來源于Green Premium項目。在中國上海、武漢等城市的七家工廠都秉持同樣的“綠色工廠”的實踐。每個產品生產過程中都會強調如何通過綠色設計來讓產品不影響生態環境,在生產制造過程中做到無填埋,在維護服務階段盡可能地被分解利用。

 

綠色供應鏈同樣是一套非常有用的工具,在整個全生命周期的產品環節中,包括再利用、再制造和回收,都嵌入了綠色設計、綠色采購實踐、全面質量環境管理及各種產品報廢的做法。

 

正如最近十年來日益嚴苛的環保法規并沒有成為發動機的奪命拳,反而大大地促進了內燃機的技術發展,綠色的專利也更容易出現在先進技術中。根據聯合國工業組織在2019年11月發布的《2020年工業發展報告》指出,先進數字化制造技術趨向于環保型解決方案。這個領域的綠色專利高于平均水平,與機器人、機器學習、增材制造、計算機輔助設計與制造相關的技術尤其如此。專利審查人員強調,這些技術的最重要特征是它們對減少溫室氣體排放的潛在貢獻。

 

5:先進制造技術的專利也是綠油油的

(來源:聯合國工業發展組織)

 

環境友好的制造將成為行業最大的戰略挑戰之一,不僅從工程角度,而且從商業和營銷角度。許多大型跨國公司意識到即將出臺的海外(歐洲和日本)環境法規和消費者對新一代環保產品的日益增長的需求,并開始制定應對措施。許多企業開始接受:綠色產品和綠色生產技術,本身就是一種提高競爭力的方式。

 

小記:綠色智能制造,是一種可持續發展觀

全球經濟的發展遲早要與碳排放的增長相互脫鉤。而綠色智能制造將是提升數字化企業競爭力的重要一環。無論是物聯網技術,還是軟件與數據分析,都可以起到積極的支撐作用。

 

隨著底特律汽車業的衰落,福特胭脂河工廠在大部分廠區多已廢置。直到2000年,福特的孫子決定斥資20億美元將其進行重建。百年回歸的胭脂河工廠,最大的亮點就是兼具環保和精益生產的能力,而負責廠房修建的總設計師是將產品回收技術融入生產體系的世界第一人。而它的產品則是純電動??怂蛊?,這是綠色制造的巨大勝利。制造業的經理人會越來越熟悉這樣的旋律,綠色智能制造力圖給工業帶來一種更加綜合的平衡感,它需要刷新人們的制造理念:“更智能、更綠色”。從未離開的“能源與制造的雙打組合”,又回來了。

 

作者簡介

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 

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