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全過程虛擬化支持生產(chǎn)大樓的設(shè)計及自動化

天窗機械組件和門鎖外殼的全球市場領(lǐng)導(dǎo)者珀尓曼公司依托全面的數(shù)字孿生技術(shù)，基于虛擬環(huán)境設(shè)計了其位于奧地利 Vitis 的新工廠。項目設(shè)計師、安裝人員及業(yè)主緊密合作，利用預(yù)測的重要數(shù)據(jù)在 3D 環(huán)境中運行真實的仿真，進行預(yù)先優(yōu)化，并使用倍福基于 PC 的控制技術(shù)地實施交付所有流程。

珀爾曼公司由 Franz Pollmann 在 1888 年創(chuàng)立，最初在奧地利的卡爾施泰因鎮(zhèn)以制作精密儀器和鐘表等業(yè)務(wù)起家。130 多年后，珀爾曼已經(jīng)成為一家創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)商和制造商，再次聲名鵲起。今天，公司的核心專長是為汽車行業(yè)提供高度復(fù)雜的機電組件產(chǎn)品，事實上，珀爾曼已被公認為是天窗機械組件和門鎖外殼的全球市場領(lǐng)導(dǎo)者?！皫缀跞蛩衅嚻放圃谏a(chǎn)汽車時都配備我們的產(chǎn)品?！辩隊柭鼑H第四代管理合伙人 Robert Pollmann 指出。為滿足公司業(yè)務(wù)穩(wěn)定增長的需要，珀爾曼于 2018/2019 年開始在 Vitis 規(guī)劃建設(shè)一座新的工廠?！癙ollmann 2.0 系統(tǒng)是我們邁向工業(yè) 4.0 的重要組成部分，因此我們與所有參與方都非常清楚，我們需要整個系統(tǒng)都是最先進的。對我們來說，能夠發(fā)揮內(nèi)部物流的最大效率和依賴整棟建筑的模塊化設(shè)計和可擴展性非常關(guān)鍵?！盧obert Pollmann 在解釋項目對合作伙伴 Peneder、Stiwa 和倍福提出的高要求時說道。

機械工程與工業(yè)工程的智能聯(lián)網(wǎng)

在機械工程領(lǐng)域，人們已經(jīng)普遍使用 3D 模型進行設(shè)計和仿真。而在建筑和樓宇自動化領(lǐng)域，只有少數(shù)有遠見的開路先鋒們在新項目的規(guī)劃和實施中不斷推進數(shù)字孿生的應(yīng)用。這其中就包括 Peneder Bau-Elemente GmbH 和 Stiwa 集團?！拔覀冏鳛橐患以O(shè)備制造商和軟件公司，一直致力于尋找優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境的方法?！盨tiwa AMS 公司樓宇自動化業(yè)務(wù)部主管 Thomas Führer 強調(diào)道。他深知環(huán)境條件對設(shè)備整體效率有巨大影響。設(shè)備四周的空間有多大？生產(chǎn)車間的最佳條件是什么？物料如何在車間內(nèi)部流動，員工又如何在車間內(nèi)走動？“在規(guī)劃設(shè)計智慧工業(yè)建筑時，所有這些因素都需要考慮到，包括能量流?！盩homas Führer 在指出提高生產(chǎn)效率的重要因素時繼續(xù)說道。

由于珀爾曼僅會根據(jù)客戶訂單需求進行產(chǎn)能擴張，因此從一開始就迫切需要 Vitis 二廠必須在奠基儀式后 10 個月內(nèi)全面投產(chǎn)?！吧婕暗酱罅考夹g(shù)和開發(fā)工作的微型組件產(chǎn)品仍在卡爾施泰因總部生產(chǎn)，但我們需要額外的產(chǎn)能大批量生產(chǎn)汽車門鎖外殼和鎖蓋等體積較大的組件?！惫S經(jīng)理 Manfred J?ger 說道。基本要求包括大幅提高生產(chǎn)過程的自動化、盡可能地減少物流工作、能源及其它所有資源的可持續(xù)利用、人員和貨物的結(jié)構(gòu)化流動，以及生產(chǎn)基地的靈活擴展。

Vitis 擴建工程的第一個階段包括建造一座 9400 m2 的廠房、一個目前有 5500 個托盤位的立體倉庫，以及辦公室、工藝區(qū)和休息區(qū)。根據(jù)聯(lián)合開發(fā)的總體規(guī)劃方案的設(shè)計，工廠可以非?？旖荨⒎奖愕財U展到五個車間，因此所有的供給線路以及物料輸送和人員走動都匯集在中央物流中樞。這樣做的好處在于，只需相應(yīng)地延長這條主通道即可啟動下一個擴建階段：“我們自己完全沒想到讓建筑采取坐北朝南的格局，也沒想到要集中布局一個通道，通往各臺用電設(shè)備的樞軸從這里向左和向右延伸?！盧obert Pollmann 說道，他非常欣賞總承包商的遠見卓識。

Designing buildings through an industrial lens

工業(yè)鏡頭助力成功完成建筑設(shè)計

基于生產(chǎn)的規(guī)劃重點在于制造過程及其所有的能量流和物料流以及所有與生產(chǎn)效率相關(guān)的環(huán)境條件?！敖ㄖ徽J為是機器?！盩homas Führer 用一句話簡要概述了 Peneder 和 Stiwa 的做法，即使用典型的機械工程方法和軟件工具。珀爾曼除設(shè)計了建筑的 3D 模型之外，還設(shè)計了一個數(shù)字孿生用作建筑信息模型（BIM），它能夠測試比例、物料、光線、形狀和顏色的一致性，正如規(guī)劃好的生產(chǎn)和運營過程一樣。BIM 是一種將不同學(xué)科的各個子模型（例如建筑、物流、建筑和電氣工程、樓宇自動化和設(shè)施管理）整合到一個中央 3D 模型中的虛擬規(guī)劃設(shè)計方法。Peneder 公司是工業(yè)建筑和商業(yè)建筑領(lǐng)域的專家，從規(guī)劃到運營的每個階段，他們都使用了 BIM?！笆褂?BIM 實現(xiàn)的虛擬設(shè)計可為建筑的施工及后續(xù)運營帶來很多優(yōu)勢。”倍福奧地利分公司樓宇自動化行業(yè)經(jīng)理 Christian Pillwein 證實道。

僅生產(chǎn)、物流和樓宇技術(shù)之間的閉環(huán)控制就能顯著降低電力成本。Christian Pillwein 以按需通風(fēng)為例：生產(chǎn)過程與建筑和能源供應(yīng)系統(tǒng)之間的智能連接，確保只有在當(dāng)前使用的設(shè)備實際需要的情況下，才會給車間通風(fēng)換氣。畢竟，考慮到轉(zhuǎn)換時間或維護，設(shè)備很少會在同一時間段內(nèi)全部運行。即使是一些堪稱典范的企業(yè)，其設(shè)備綜合效率（OEE）平均也只有 75%?！?5% 的差值蘊含著巨大的節(jié)能潛力，可以很好地利用基于需求的樓宇自動化控制?！盩homas Führer 分享道。在硬件方面，珀爾曼的整個控制系統(tǒng)采用的都是倍福組件。

一臺 C69xx 控制柜式工業(yè) PC 用作控制室服務(wù)器，而 HVAC 控制中心、通風(fēng)和房間自動化系統(tǒng)則通過五臺 CX50xx 嵌入式控制器控制。珀爾曼通過 KNX、M-Bus 和 MP-Bus 以及 Modbus TCP 和 RTU 等子系統(tǒng)以及約 700 個倍福 EtherCAT 端子模塊和總線端子模塊將各種傳感器和執(zhí)行器集成到基于 PC 的控制系統(tǒng)和 TwinCAT 控制平臺中。

“這個項目的主要挑戰(zhàn)是需要開發(fā)一個基于需求的智能控制方案，它可以將制造自動化和樓宇自動化整合于一體?！盋hristian Pillwein 強調(diào)道。由于珀爾曼在這兩個方面都采用了倍福基于 PC 的控制技術(shù)，因此能夠非常輕松地實現(xiàn)技術(shù)整合?！拔覀儾粌H能夠監(jiān)測和控制樓宇設(shè)備，還可以實時記錄運行數(shù)據(jù)?！盩homas Führer 解釋道，這對于珀爾曼新廠區(qū)的設(shè)施管理負責(zé)人 Rainer Hobiger 來說無疑是一個絕佳的好消息?！拔覀兛梢酝ㄟ^在線儀表板查看哪些設(shè)備正在運行以及它們的運行情況。”能耗的突然暴增往往是由下述兩種情況引起：生產(chǎn)單位數(shù)量增加或設(shè)備磨損嚴重。“由于數(shù)量也可以被跟蹤，我們可以在簡要分析我們的目標(biāo)與實際性能后立即派出維護人員。”Rainer Hobiger 說道。

除了取決于負載的通風(fēng)之外，珀爾曼還采取了一些其它措施來確保能源的可持續(xù)利用。建筑坐北朝南不僅陽光充足，而且通風(fēng)效果好，可以大幅降低采暖降溫所消耗的能源。注塑系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱可以回收用于控制整個廠區(qū)的供暖，驅(qū)動器散發(fā)到周圍空氣中的熱量可以直接使用，而模具冷卻產(chǎn)生的廢熱則通過冷熱循環(huán)機間接使用。冷熱循環(huán)機本身和空氣壓縮機的熱量也會被回收?！翱偟膩碚f，我們必須協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)中使用的多個溫度回路?！惫S經(jīng)理 Manfred J?ger 在解釋珀爾曼極力為這個項目尋找“能夠從工業(yè)角度看待項目的樓宇自動化專家”的原因時說道。

符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建筑

“我認為，硬件主要是一種手段，目的是創(chuàng)造一些流程，并與軟件相結(jié)合帶來效益。”Thomas Führer 說道。他希望盡可能少地使用硬件；它的工作其實很簡單 — 可靠、全天候地運行。“倍福的產(chǎn)品系列符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為實現(xiàn)完整的樓宇自動化提供了完美的解決方案?；?PC 的控制技術(shù)對用戶全方位開放?！币?Stiwa 為例，他們目前正在使用的 Oracle 數(shù)據(jù)庫就是在倍福工業(yè) PC 的后臺運行，用于分析復(fù)雜的 if-then 算法。對于現(xiàn)場層，Thomas Führer 也是開放性的忠實粉絲：“每一個現(xiàn)場組件，無論其制造商是誰，都可以通過相應(yīng)的接口或總線系統(tǒng)集成到整個解決方案中。”這里使用了 400 多個不同的 EtherCAT 端子模塊。

珀爾曼和倍福在擴建工程開始之前就已經(jīng)相當(dāng)熟悉了?！拔覀兓旧鲜峭粫r期發(fā)展起來的。”Manfred J?ger 在回顧兩家公司合作的第一個自動化技術(shù)項目時說道?！爱?dāng)時，我們對廠房的建設(shè)提出了非常特殊的要求，而事實證明倍福比他們的競爭對手要靈活得多。”這位 Vitis 工廠負責(zé)人回憶并解釋了當(dāng)時轉(zhuǎn)向使用基于 PC 的控制技術(shù)的原因。時至今日，珀爾曼已不再只是使用倍?？刂破骺刂茊闻_設(shè)備，而是用它們實現(xiàn) Vitis 二廠的中央樓宇自動化系統(tǒng)。

大家對機械工程與工業(yè)工程的成功整合非常滿意（左起）：Rainer Hobiger（珀爾曼公司設(shè)施管理部主管）、Manfred J?ger（珀爾曼公司 Vitis 工廠廠長）、Robert Pollmann（珀爾曼國際公司管理合伙人）、Thomas Führer（Stiwa 公司樓宇自動化部負責(zé)人）、Christian Pillwein（倍福奧地利分公司樓宇自動化行業(yè)經(jīng)理）以及 Harald Setka（Peneder 公司建筑師）

在基于生產(chǎn)的規(guī)劃中，建筑被認為是一臺機器。在規(guī)劃階段充分考慮到了所有生產(chǎn)過程以及所有能量流和物料流以及所有與生產(chǎn)效率相關(guān)的環(huán)境條件

由于珀爾曼 Vitis 工廠擁有高效的能源管理系統(tǒng)和通過基于 PC 的自動化控制實現(xiàn)的智能高效的生產(chǎn)方式，因此被奧地利弗勞恩霍夫研究院評選為奧地利最佳工廠