如何通过数字化应对制糖行业的挑战

ABB 2018-07-10

数字化制糖生产的全部潜力在于人、资产、生产过程和企业系统之间的无缝互操作性，以及有效地利用可用数据。

摘要

虽然每一个制糖生产商都面临着自己特定的制造挑战，但是他们同样有一些贯穿于整个行业的共同挑战。在当今，企业最紧迫的问题是优化能源消耗、减少材料使用和库存成本、提高资产利用率和产量。其他需要优先解决的问题还包括改进质量以及减少变化、错误和浪费，同时最大化地满足材料的可追溯性及相关法律法规的履行。这些企业最终渴望去实现一个敏捷制造的环境。伴随着物联网、工业4.0和数字技术的不断发展，企业应对这些挑战的解决方案我们现在可以直接找到。在这里我们将研究如何将技术应用于横向和垂直价值链。我们认为今天大多数的数字系统并不是完全集成的。公司、供应商和客户并没有紧密的联系。工程、生产和服务等部门也不例外。从企业到工厂底层的功能没有完全整合。甚至工程本身(从产品到工厂到自动化)都缺乏完整的集成。但是凭借数字化和工业4.0，公司、部门、职能和能力将变得更具凝聚力，跨公司、通用数据集成网络将不断进化，并实现真正意义上的自动化价值链。

介绍

制糖生产商的战略目标十分简单：在全球化日益加剧和产品开发成本上升的环境下，提供有竞争力的产品，提高盈利能力和实现业务的发展。

在实现这些目标时，虽然每一个制糖生产商都面临着自己特定的制造挑战，但是他们同样有一些贯穿于整个行业的共同的挑战。包括：

– 优化能源消耗

– 减少材料使用和库存成本

– 提高资产利用率和产量

– 提高质量，减少变化、错误和浪费

– 最大限度地保证材料的可追溯性并满足法规的要求

– 实现敏捷制造环境

那么，我们应该如何利用数字化来确保公司、部门、职能和能力变得更具凝聚力?如何更好地整合横向和垂直价值链?参见图-1(Koch et al., 20141)。如何确保跨公司、通用数据集成网络进化并实现真正的自动化价值链?最重要的是，要如何通过所有这些工作来解决上述的六个行业挑战?

数字化有助于建立一个坚实的过程数据采集平台。这通过确保过程数据被用于整个工厂的管理决策来解决垂直整合。横向集成将工厂连接到数字世界，连接供应商和客户。(Koch et al., 2014)。

图-1：数字化有助于建立一个坚实的过程数据采集平台

我们的出发点是准确理解“自动化”意味着什么，以及不同的过程控制水平如何影响整个制糖生产设施中发现的横向和垂直价值链。

理解自动化

自动化有助于执行连续和重复的操作，消除原本需要的手动操作。制糖生产过程中的自动化可以实现高产量、单一形式的质量和工厂的高利用率，同时减少能量损耗和对环境的影响。

通常有三种类型的自动化：

-监控和数据采集(SCADA)：涵盖对强大的远程通信有严苛要求，但对高速传输和计算能力需求不高的网络自动化应用。

- 可编程逻辑控制器(PLC)：针对工厂自动化应用，具有高速要求和许多离散I/O通信通道。

- 分布式控制系统(DCS)：应用于需要高计算能力的过程自动化应用。这里有两种DCS的变体 – 核心自动化和扩展自动化。核心自动化可以灵活扩展且易于使用，主要面向中小型规模操作的应用。扩展自动化可以为用户提供超越DCS的经典控制范围，涉及更多丰富的信息，并且可以将电信、视频和/或工厂的供电侧集成到自动化过程中。

此外，自动化还基于以下三类现场设备：

– 测量产品：就好像是工厂操作的眼睛和耳朵。

– 执行产品：诸如电机和传动，就像是肌肉一样可以在现场完成某些工作。

– 控制系统：就如同是工厂的大脑和神经系统。

为了开发企业和控制系统之间的自动化接口，我们引入了ANSI/ISA-95标准，并将其应用于所有行业和各种过程，如批处理、连续和重复。ISA-95标准的目的是提供一致的数据，这是实现供应商与制造商通信的基础。

ISA-95有五个级别(0级到4级)，如图-2所示：(Scholten B, 2007²)

图-2：ISA-95模型

ISA-95 – 自动化级别

0级(现场级)- 定义实际物理过程并包含现场设备，如流量和温度传感器及诸如控制阀之类的最终控制元件。

1级(直接控制)- 定义了感知和操作物理过程所涉及的活动，是PLC系统和控制器以及完整的过程控制器的传统仪器级。它包含了输入/输出(I/O)模块及其相关的分布式电子控制器。

2级(工厂监视)- 定义了监测和控制物理过程的活动。它包括用于优化产量的子过程工厂控制，通常使用先进的传感器或直接在该过程中的自动分析仪。PLC、SCADA和DCS在这里操作，从1级采集所有的过程数据。

3级(生产控制)-定义工作流程的活动以及生产所需的最终产品。它不直接控制过程，而是监控生产和目标。它包括整个工厂的生产协调系统，最大限度地降低成本和最大化产量和质量控制。通常，这些是通过制造执行系统(MES)来管理的，MES实时分析和控制生产过程中的各种元素(例如：人员、输入、设备)。这有助于决策者了解如何优化每个工厂的现有条件来提高产量。这就是制造运营管理(MOM)解决方案发挥作用的地方。制造运营管理(MOM)是一个综合的、可扩展的、模块化的套件，包括过程智能、制造执行、生产智能和生产优化。使用来自2级的数据，MOM进行历史趋势分析和关键性能指标的分析。

4级(生产调度)-定义了管理一个制造企业所需的与业务相关的活动。它涵盖了企业资源计划(ERP)系统，并通过允许公司在多个地理分散的生产现场管理类似的变量，同时也实现了许多后台功能的自动化，将其纳入下一个层次。ERP将数据传递到3级，然后将其转化为2级的动作。

数据传输

图-3，展示了如何将上述ISA-95模型应用于制糖工业的实际例子。在0级和1级之间交换实时数据。过程数据被传送到2级的监视和控制(表现为材料接收到发送出货)。同时，第3级(由MES和MOM表示)组织和分析数据，并以更容易做出业务决策的形式呈现。这里已经集成了操作技术(OT)和信息技术(IT)数据。3级和4级之间的数据共享(ERP所代表的)通常是资源(人员、设备和材料)、生产能力(可供使用的)、产品定义(如何制造产品)、生产计划(生产和使用什么)和生产性能(什么被制造和使用了)。第4级共享这个OT/IT用于横向集成。

图-3：制糖工业中产品与解决方案的数据交换

MOM是一个模块化系统，这样客户就可以选择要执行的模块。MOM包含许多功能，但不是所有功能都是用户在一开始时就全部需要的。图-4显示了ABB的建议，基于经验和客户反馈，逐步构建MOM各阶段。在第一阶段，建议使用OEE和停机时间管理模块。这意味着首先在MOM功能模块内实现最基本的数据采集类型，并随着需求的增长而扩展MOM。例如，KPI仪表盘，OEE和停机时间管理相对容易实现，并通常在投资回报方面更容易证明。同时他们还为以后添加其他功能模块提供了坚实的基础。

图-4：建议逐步实施MOM项目

MOM对制糖生产过程的影响是巨大的。下面的表-1给出了一些挑战、特点和受益的样本。

挑战	特点和受益
提高资源利用率（生产力，效率）	- 原料使用的实时总览和库存清查/WIP - 机械和设备利用 -实时生产状态和偏差
减少错误和变化（浪费）	- 定义的工作流和异常处理过程中的质量控制 - 电子作业指导书和检查表 - 训练有素的操作员 -无纸化制造
促进持续改进	-对质量检验记录、偏差和不合格产品的系统收集，可视化和分析 -停机时间和中断 -操作员知识
实现敏捷制造	-易于引进新产品和新工艺 - 应对客户变化的反应能力 - 消除生产约束，控制缓冲区 - 工程和设计解决方案的集成

表-1：MOM对制糖生产的影响

制糖应用库

在ISA-95模型中的2级是DCS(ARC咨询公司，20173)，其中许多都是制糖工业的专用软件。例如，ABB的制糖应用库。通过它解锁了应用制糖工业每个工作职能的数据：从关注利润的管理人员到关键高峰季节连续生产的维修团队。

制糖应用是一个完整的、一致和全面的软件数据库，针对所有的制糖工艺应用，从甜菜和甘蔗延伸到精制糖。它满足所有工艺区域的要求，包括原料处理、净化、蒸发、结晶、糖化等工序。同时还包括生物质发电厂、乙醇和水处理在内的所有公用设施。

它是建立在与主要工艺设备供应商和制糖生产商的合作所获得的知识基础上的。这确保了最新的过程控制理念被纳入到应用库中。一个典型的例子就是具有高性能人机界面(HMI)的真空批处理罐的应用库。如图-5所示。左侧的图形显示了模型识别，以便更好的视觉监控。这一最新的最佳实践方法允许操作员可以直观地监视系统中的控制对象。模式识别相比数字显示、偏差条和趋势更加有效，可以使操作员能够在使用大量数据的同时更加轻松地验证稳定状态。

右边的图显示了制糖应用库的高性能HMI，专注于推进操作员的状态感知和他们对异常情况的正确有效的响应。

应用库包含了用于控制和监视的各种组件。每个组件都是完整的功能单元，随时可以使用，并且可以适应特定的用户需求或工艺要求。

特别重要的是，DCS和MOM以及制糖应用库的结合可以帮助用户有效解决本文开头描述的六个挑战。它通过汇集信息技术(IT)和操作技术(OT)来实现这一目标。

这种数字化组合为用户提供了最先进的自动化平台，这是第一次实现同时优化制糖厂设备的工艺和电气控制。与自动化供应商合作，制糖生产商可以设计出一个定义良好的自动化策略，确保工艺控制系统、自动化和通信、电气和变速驱动技术以及信息技术实现有效地协同工作。

图-5：真空批处理罐的应用库的图形界面使操作员能够提高操作效率，同时减少操作错误

此外，从制糖生产过程中产生的大量数据，用户现在可以将其转化为有意义的信息，适合于特定的工作角色。这直接实现了工厂的高效性、灵活性和对环境的保护。

在这里，我们将描述如何解决上述制糖行业的六个挑战，使用如上所述的最新自动化理念。

优化能源消耗

污染控制和能源消耗的成本上升需要使用创新技术。制糖过程充满了能量密集型应用，每个都消耗大量的电能，因此，需要严格控制成本，参见图-6(Pathak A N, 19994)。

图-6：制糖生产能源消耗亮点

电力和蒸汽消耗是制糖工业里最大的成本，这里有许多节能机会。例如，蒸汽消耗可以被计算、监测和控制，以匹配工厂的各个部门的实际需求。这可以直接影响并减少20%的整体能耗。

那些在制糖领域有着长期应用的自动化供应商，已经从制糖生产过程的各个方面获得了非常深入的知识。这个专业知识可以在应用库中找到(参见前面的内容)。

任何有效的制糖过程的核心必然是工业控制系统。当与制糖应用库集成时，过程和能源可以被同时优化，换句话说，这直接可以实现节能。

应用库的一个好处就是它可以保存详细的过程数据，帮助建立运营成本的基准，如能源使用。举例来说，真空罐应用库能够监测和控制每个批次期间的蒸汽消耗。同时，它提供了完整的过程控制水平、压力和温度，有助于稳定所有控制回路。稳定的环境有助于减少或消除能源浪费。

如今另一个可以获得的特点是MOM中的能源管理工具。该能源管理工具可以为所有能源、生产和环境数据提供快速的基于Web的访问。它包括一个强大的报告引擎。这可以实现连续多年跟踪能源消耗和生产关键性能指标。它可以很容易集成到现有的基础设施当中，如电能表或网络分析仪，并在网络仪表盘中提供方便的对比，如每天/每周/每月/每年，或者生产线/工厂现场/国家。

ISA-95的现场级和直接控制设备(0级和1级)提供了进一步的节能机会。例如，应用于大型离心机的变速驱动器，它位于制糖过程的中心，可以节省多达60%的能源消耗。

自动化的效果/结果

– 低能量和二氧化碳排放

– 跨厂区能源利用的透明度

– 提升产能

– 降低生产成本

– 提高盈利能力

减少材料使用和库存成本

由于原料不同、订单不可预测，制糖生产成功的关键是成本控制和减少浪费。库存包括原料、在制品和成品，是制糖成本的重要组成部分。但是因为库存的增长，使得存储、计数、寻找和挑选变得更加困难。

然而，由于产品成本是可控的，如果要经济地实现生产率的增长，库存的合理规划、采购、处理、核算和控制是至关重要的。

良好的成本和浪费控制的核心在于库存管理。主动库存管理提供了一个检查，来防止生产或盗窃产生的材料损失。它确保了足够的材料、存储和备品，同时减少库存和短缺，这可能会导致昂贵的运营中断。例如，存货缺货可能导致生产线关闭，而重新启动的成本非常高。主动库存管理可以将制造周期降低到最小限度。

消除不必要的浪费也是十分重要的。例如，生产商正在考虑使用甘蔗渣(甘蔗的副产品)进行发电、造纸、制成刨花板和牛饲料。糖蜜可以被认为是丁醇、酵母、工业酒精和高蛋白糖蜜。石灰，制糖提取过程中的副产品，可以被生产和出售作为土壤调理剂，这样可以帮助保存宝贵的石灰石储备。

库存管理面临的挑战是平衡库存与需求的供应。一个公司需要有足够的库存来满足客户的需求，同时确保不会因为库存短缺而丢失订单。同样的，一个公司也不想拥有太多的库存，因为这可能是很昂贵的。库存足够但不是太多是企业的最终目标。库存可以被视为可以用其他方式花费的现金。任何超出客户需求的东西都是浪费。

制造运营管理(MOM)提供了各种帮助库存控制的能力，包括:

– 物料管理：提供一种有效的方法来接收材料、登记和预订内部仓库，跟踪消耗和生产的材料，并报告回ERP

– 称重和分配：确保正确的材料和数量分配，通过对条形码识别，实现对材料、容器和秤的确认检查

– 库存管理：能够有效控制仓库结构(仓库、单元、筒仓)和包含材料(包装、料仓、容器)的元素，包括订单、批次、数量、填充日期/时间、需要重新填充、到期日期处理等信息

另一个挑战是许多制糖设施使用来自不同供应商的各种可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)，这就产生了许多自动化的孤岛。如果一个过程区域发生故障，那么整个过程不能自动调节以做出反应。这会导致材料和能源的浪费。通过整合一个供应商的所有自动化和电气产品和系统，大大提升了运营效率。

自动化的效果/结果

– 通过检查防止不良生产和盗窃产生的损失

– 确保物资、仓库和备品的充足供应

– 尽量减少库存和短缺

– 将制造周期降低到最小限度

– 消除浪费

– 平衡库存与需求的供应

增加资产利用率和产量，同时缩短上市时间

制糖生产或精炼糖是资源稀缺型生产，因此需要严格控制成本。然而，消费者喜好的改变和竞争品牌的崛起强调在保持最高质量标准的同时，满足多样性的需求。

制糖的高峰期历时五到至八个月。在此期间，所有工艺设备 - 从真空罐到离心机 - 必须可靠地运行，并进行优化生产最高质量的最终产品。

因此生产和维护部门需要紧密合作，以确保生产在制糖高峰期中永远不会出现故障。停机时间或生产损失是由可用的损失时间(LTA)定义的。LTA主要测量由于设备故障和停机或者由操作失误引起故障的损失时间或设备不可用时间。

因此，任何维护或生产停止都被安排在指定的时间和日期，持续时间也是事先预定好的。良好的资产行为意味着良好的生产产出。

不一致的系统行为是制糖工业关注的首要原因。这些违规行为可能回阻碍生产，需要更多的人力来提高生产能力。缺乏工艺知识和自动化专业知识会导致低产量。

降低生产成本、提高甘蔗生长的一些重要措施包括，强化生产、营养、水和害虫管理和收割。

通过微调DCS控制系统及制糖应用库(见“制糖应用库”)，可以监控和协调所有关键的电气、仪表和控制资产。它为无缝制造和业务流程集成提供了完整的解决方案。

制糖应用库还提供了全面的控制和简单的操作界面，以及预诊断和报警管理。提高了运行效率，缩短了故障检修时间，提高了利用率。

此外，MOM还提供了一个完整的设备效能(OEE)模块和停机时间管理功能。

自动化的效果/结果

– 产量提高多达25%

– 人力成本降低50%

– 通过SMS短信获得信息

– 工厂经理通过电子邮件接收日常生产报告

提高质量以及减少变化、错误和浪费

将数据转化为准确的信息，确保生产在一开始就是正确的，同时消除浪费，避免任何糖质量的变化。在制糖工业努力改善最终产品质量所面临的许多挑战中，需要更优质的果汁净化、改进的煮沸实践、现代化的煮沸方案和更好的制糖处理工艺。

一个可重复的过程对于保持一致的质量和实现生产和精炼的产出最大化至关重要。DCS和制糖应用库提供了对所有工艺步骤的连续控制和精确处理，并确保每次都能生产出一致的、高质量的产品。

制糖应用库可以确保配方被连贯的执行，从精炼到干燥过程，以及关键质量和过程数据可以被直接连接到每个批次循环的特定阶段。它提供了一个简单的人机界面(HMI)，使操作员可以更容易控制自己的设备。例如，真空罐的控制只需要进行简单的设定值便可以实现复杂的控制，以匹配蒸煮曲线。这可以保证生产出更加一致和更高质量的最终产品。

同时，MOM系统还可以提供：

– 质量管理：在执行过程中执行质量和合规措施(检查表、自动或手动收集质量数据)

– 支持取样和测试要求

– 公差管理：不合格报告、系统收集产品、过程、程序或合规规范的偏差信息

– 电子作业指令：知道操作员通过重要的步骤，按照要求生产和安全指示及检查

– 虚拟培训：帮助维护车间的过程、产品和安全知识

自动化的效果/结果

– 通过制糖应用库的一致和精确控制来改善制糖质量

– 通过DCS、MOM和专用制糖应用库来减少变化，为基于历史数据检索的有价值的信息提供正确和透明的决策平台

– 减少错误，因为制糖应用库可以通过HMI提供简单有效的操作，帮助操作员消除或减少操作错误

– 避免浪费，所有信号回路和顺序步骤可以被DCS和制糖应用库监视和控制

最大限度地保证材料的可追溯性并满足法规的要求

不断变化的食品安全标准强调更好的原材料可追溯性、实验室取样和产品控制。为了保证原材料的质量和提高工厂的效率，有必要通过提供原材料的可追溯性来优化生产产量和质量，同时遵守最新的规定。

制糖生产商需要根据产品的目的地提供对质量和安全的不同见解。精制糖，作为最终产品包装给消费者，必须包含记录和测试数据，显示完整的可追溯性，以满足监管机构和零售商的需求。另一种情况是，当运输精炼用原料糖或发送散装辅料时，则需要更详细的质量信息。这些信息相应地，将形成供应链质量记录的一部分，同时，使其流程能够适合于所运配料的特性。

这种复杂的制造操作需要大数据，这些数据可以很容易地引导，以使关键的过程、质量和事件信息可以在正确的时间被接收。

MOM可以提高产品质量、可靠性、跟踪和可追溯性，以便适应相关法律法规。它为所有类型的操作数据提供管理访问，从而为纠正措施和性能改进提供决策支持。它提供了一个进入生产环境的窗口，为过程分析和操作度量提供客观、详细的数据。

MOM物料管理软件用来识别物料、追踪消耗的原料、追踪已生产的材料、原料来源和目的地的优先次序和控制、物料可混用性、称重、分拣和包装。物料跟踪和跟踪模块还提供强大的产品谱系报告，允许搜索和分析生产数据。

自动化的效果/结果

– 单独、多个和批量的跟踪和追溯

– 物料识别、物料消耗和物料生产的实时报告，避免产品被盗

– 物料兼容性和可用性的管理

– 称重和分配支持

– 物料谱系

– 监视运输和仓库活动

– 提供缺陷产品的早期识别，避免消费者召回

– 快速、准确和容易诊断问题