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2019全景工博會 2019工博會專題回顧
PLC

給飲料生產加點智慧 | 西門子助力娃哈哈打造中國首條數字化與智能化飲料生產線

  2018年08月22日  

  “甜甜的酸酸的,有營養味道好,天天喝,真快樂”,“愛你就是愛自己”、“早上喝一瓶,營養一上午”……當這些耳熟能詳的廣告語響起,娃哈哈飲料的滋味便會隨著舊時回憶一起浮上許多人的心頭。

  從酸酸甜甜的AD鈣奶到香甜可口的八寶粥,從遍布大街小巷的純凈水到暢銷中外的營養快線,對很多80后、90后而言,娃哈哈并不只是一個家喻戶曉的飲料品牌,它承載了不停歇的時光,更包含了對童年最美好的回憶。

  轉眼間,創建于1987年的杭州娃哈哈集團有限公司已經步入“而立之年”。當初依靠代銷汽水、棒冰起家的小公司如今已經成長為中國最大、效益最好的飲料企業,飲料產量位居世界前列,產品主要涵蓋蛋白飲料、包裝飲用水和碳酸飲料等十余類190多個品種。娃哈哈在全國29個省市自治區建有近80個生產基地、180多家子公司,擁有員工3萬名。

  然而,新的時代也帶來了新的挑戰。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,飲料企業需要提供品類更加豐富、包裝更加新穎的飲品。這對企業生產線的柔性提出了極高的要求。同時,競爭愈發激烈。為了提高競爭力,企業也需要在生產、能源管理和運維等方面降低成本、提高效率。最后,飲料企業必須不斷提高產品質量,保障食品安全。

  “我們飲料行業以前都是兩位數的增長,這幾年有所下降。不可否認的是,飲料行業面臨著轉型升級。”杭州娃哈哈集團有限公司董事長兼總經理宗慶后表示。

  從2015年起,娃哈哈攜手西門子,對其杭州下沙第二生產基地內一條主要生產純凈水和含氣飲料的水汽線進行數字化與智能化升級試點。這是食品飲料行業中第一個入選國家工信部智能制造試點示范的項目,也是中國第一條數字化與智能化飲料生產線。

  娃哈哈下沙第二生產基地

  “西門子在數字化基礎及自動化控制元件方面都是全球領先。娃哈哈很早就已實現了自動化,現在,我們希望實現智能化以進一步控制產品質量。”宗慶后表示,“娃哈哈比較熟悉飲料生產線上需要控制哪些技術參數,而西門子又比較熟悉怎樣去控制。兩者結合起來,就可以達到事半功倍的效果。”

  西門子工程師與娃哈哈車間負責人巡視生產線

  娃哈哈的煩惱

  飲料的生產要經歷水處理、配料、制蓋、制瓶、吹瓶、灌裝、套標,裹包和碼垛等多道工序。在娃哈哈杭州下沙第二生產基地內一條長達百米的水汽生產線上,一瓶瓶純凈水和含氣飲料快速而有序地飛過,生產速度達到每小時54000瓶。

  雖然這樣的生產效率已是業內領先,但娃哈哈的工程師們卻有一個不小的煩惱。水汽線上每臺設備都處在單機自動控制的狀態,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調達到效率最大化,一旦生產線出現故障,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%的設備已通過西門子的可編程邏輯控制器(PLC)實現了自動化。在進一步實現數字化和智能化升級改造的過程中,西門子為娃哈哈細致規劃并提供了包括S7-1500系列控制器、工業服務器和人機界面(HMI)等在內的自動化設備、全集成自動化平臺(TIA Portal)、WinCC系統、B.Data能源管理系統和Profinet工業網絡等在內的完整SIMATIC解決方案,幫助這條水汽線實現了設備的互聯互通和中央監控,達到柔性生產的要求,并優化了產線能源管理,也通過產品質量追溯,保障了食品安全。

  西門子S7-1500系列控制器等自動化設備覆蓋整條試點線

  從“單兵作戰”到互聯互通、中央監控

  實現生產線數字化與智能化的核心是設備的互聯互通和中央監控。有了西門子的解決方案,水汽線的生產設備從“單兵作戰”的狀態中解脫出來,形成了高效的“團隊”,而散落在工廠各處的數據也形成了閉環,在生產線上高效流轉。

  以前,娃哈哈集團總部到各個分廠的企業資源計劃(ERP)系統雖已實現互聯,但工廠到車間內各設備的數據卻沒有打通。現在,情況發生了徹底的改變。總部可以通過ERP系統將銷售訂單發送到工廠的制造執行系統(MES)中。接下來,MES會根據庫存等情況將銷售訂單拆分為不同的生產訂單并發送到西門子WinCC系統上,由它對生產訂單進行分解,生成具體的生產方案并下發至不同的生產設備。

  而在底層,西門子的PLC等自動化設備覆蓋整條生產線。基于Profinet工業網絡,生產設備遵照統一的OMAC數據接口標準實現了互聯互通。生成的數據將由WinCC系統采集,并返回給MES系統。操作員可以利用TIA Portal進行統一的數據管理、通訊、組態和編程,實現自動化設備與系統的無縫連接。

  西門子WinCC系統與PLC等自動化設備組成了高效的中央監控系統。借助西門子SIMATIC解決方案,娃哈哈打破了各個設備的信息孤島,讓從設備層到管理層的全部數據徹底貫通,成功實現了對整條生產線的數字化管控。

  設備的互聯互通和對生產線的中央監控為生產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自動控制。以前,在飲料行業中,由于沒有實現設備的中央控制與互聯互通,操作員每次生產都需要根據訂單情況手動控制物料供給。

  如今,試點線上所有物料供給都可以由系統根據訂單信息和實際生產進程自動完成精準控制。例如,如果一批產品中包含8000瓶飲料,當系統計算出已經通過裹包機的成品為7500瓶,而生產線上剩下的500瓶產品也即將進入裹包階段時,系統就可以自動停止前道工序供料,保證訂單的準確執行。

  如今,故障排查也變得更加便捷、及時。現在,中央監控系統與分布在產線各處的攝像頭實現了聯動。一旦設備報警,監控系統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,中央監控系統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。現在,操作員和管理人員可以通過WinCC系統輕松查看整條生產線的運行狀況。

  杭州娃哈哈集團有限公司設備工程部部長邵金榮切身感受到了生產透明化帶來的改變:“現在,我只要坐在辦公室里就能實時了解整條產線的運行狀況。這對管理層決策有很大幫助。”

  操作員在中控室內通過WinCC系統查看生產線生產狀況

  全局設備效率(OEE)是衡量產線實際生產能力的重要指標。停機時間、產品質量、人為失誤、設備磨損等都會對OEE帶來負面影響。現在,WinCC系統可以幫助娃哈哈計算OEE,方便管理人員準確了解影響生產效率的薄弱環節,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

  傳統的飲料生產線只能生產一種固定飲品且不能對產品的標簽和包裝做個性化調整。然而,面對瞬息萬變的市場環境,原本“剛性”的生產線已經有些力不從心,“化剛為柔”勢在必行。

  一方面,在今天,傳統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銷商的大企業,如何管理好復雜的經銷商體系是娃哈哈面臨的主要挑戰之一。它需要找到更有效的方法來區分銷往不同經銷商的產品,以更好地管理銷售渠道。這對娃哈哈生產線的柔性和批次管理水平提出了新的挑戰。

  以前,由于無法實現對產品批次的精確區分和記錄,很多飲料企業都很難對經銷商進行精細化管理。現在,借助西門子WinCC系統和PLC等自動化設備,試點線可以實現柔性生產,在同一條生產線上不間斷地按訂單生產送往不同經銷商的產品。

  如何區分不同經銷商呢?“一箱一碼”是西門子和娃哈哈共同想出的“金點子”。現在,每箱產品會配有一個經銷商編碼。西門子的系統可以通過在產品包裝箱上自動切換經銷商編碼,實現對經銷商銷售行為的管理,保證娃哈哈渠道策略的落實。

  “如何準確、高效地完成定制化生產以滿足消費者對產品包裝等的個性化需求也是目前飲料行業普遍面臨的一大挑戰。解決這一難題的關鍵也是柔性生產和精準的批次管理。”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,很多飲料企業雖然能根據客戶的需求生產具有定制化標簽的飲品,但是,在切換批次時,操作員需要自己判斷當前批次的終點。現在,西門子中央控制系統可以根據訂單數量和實際生產產量對標機進行實時控制,實現高效準確的自動批次控制,為進一步提高生產柔性打下堅實的基礎。

  “這樣一來,娃哈哈就可以根據訂單準確生產供婚禮、企業間合作和節日慶典等各種場合使用的具有不同定制化標簽的飲品,滿足消費者的需求。”許斌說。

  在生產管理方面,企業也需要提高柔性來加快生產不同種類產品時工藝切換的速度以進一步提高生產效率。

  在娃哈哈,西門子的中央控制系統可以更準確、高效地根據飲料生產工藝,提供柔性化的工藝路線選擇,并針對不同生產工藝,實現相關生產設備的自動切換,大大提高了生產線的柔性和效率。

  護航娃哈哈的生命線

  光改進生產工藝還不夠,更為關鍵的是不能讓產品質量出現問題。

  “近幾年來,消費者、各級政府和社會對食品企業的食品安全能力建設提出了更高的要求。為了響應這一要求,我們需要在原有的基礎之上,利用更多的自動化的監控手段來不斷強化我們的食品安全能力建設。”杭州娃哈哈集團有限公司質量監控部部長趙允表示。

  食品安全是娃哈哈的生命線,不容妥協。現在,西門子的WinCC系統加入了“質檢小分隊”。在試點線上,利用西門子的WinCC系統,娃哈哈可以對水處理及生產時所用到的各類原輔物料、半成品和成品進行掃碼驗證,生成對整批次產品的追蹤追溯的電子批記錄。這樣一來,相關負責人就能夠清楚知道一瓶飲料的生產信息,讓質量追溯非常方便、清晰。

  娃哈哈工作人員通過在水處理過程中進行掃碼驗證,助力實現質量追溯

  有了“質檢小分隊”對投料等生產過程的嚴格把關,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

  除了提高生產效率,高效的能源管理也是工廠提高整體經濟效益的關鍵。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基地,能源的供應與使用是分開的。前者在動力車間內進行,而后者則在生產車間中。動力車間負責提供并分配生產所需的電力、高低壓空氣、蒸汽和水等。生產車間則利用這些能源從事生產。兩個車間各自默默工作,互相之間沒有直接的數據通訊。但這也導致企業管理者只能在動力車間中看到整條生產線上不同能源的消耗量。

  如今,借助西門子的WinCC系統及B.Data能源管理系統,娃哈哈可以在任何時間和地點對工廠內能源的實時消耗情況進行監控。同時,娃哈哈還將能源管理系統和生產線的中控系統進行了集成。如此一來,能源管理系統就可以根據生產線的實際運行情況對能動設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。

  西門子團隊攜手娃哈哈共同打造國內第一條數字化與智能化飲料生產線

  在能源透明化的基礎上,娃哈哈還需要保證每個設備都僅在需要時開啟,以避免能源浪費,從而提高能效。

  飲料生產需要使用一些高能耗設備。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熱,這個過程需要消耗大量電能。在過去,有時,生產接近尾聲時,雖然生產線前部的干燥塔已經完成了工作,但操作員有可能在所有生產進程都結束后才關閉干燥塔,這樣就造成了能源的浪費。

  現在,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。中央控制系統可以根據批次訂單自動控制設備啟停。例如,系統可以根據訂單的執行情況自動計算出單機產量,并對它們進行自動啟停控制,如提前結束干燥塔的生產工作,這就大大降低了整個生產過程中的能源消耗。

  “在未來,娃哈哈將把下沙第二生產基地試點線的成功經驗推廣到集團遍布全國的400多條生產線上,以進一步提高集團生產線的質量控制水平、機械效率水平和能源效率水平。”邵金榮表示。

  三十年間,娃哈哈一步一個腳印,最終成為中國飲料行業的龍頭企業。在這個過程中,它憑借的不只是情懷,更多的是不斷創新和勇于嘗試的氣魄和勇氣。在看似普通的娃哈哈飲料背后是合作、科技的力量和對于卓越的不懈追求。

  “此次升級改造是飲料行業中首次將生產線從自動化轉向智能化。這對飲料行業中的其它企業也具有借鑒意義。” 展望未來,宗慶后對此次和西門子的合作前景充滿信心,“中國正在號召企業實現智能化。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。”

 

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