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摘要

雖然每一個制糖生產商都面臨著自己特定的制造挑戰，但是他們同樣有一些貫穿于整個行業的共同挑戰。在當今，企業最緊迫的問題是優化能源消耗、減少材料使用和庫存成本、提高資產利用率和產量。其他需要優先解決的問題還包括改進質量以及減少變化、錯誤和浪費，同時最大化地滿足材料的可追溯性及相關法律法規的履行。這些企業最終渴望去實現一個敏捷制造的環境。伴隨著物聯網、工業4.0和數字技術的不斷發展，企業應對這些挑戰的解決方案我們現在可以直接找到。在這里我們將研究如何將技術應用于橫向和垂直價值鏈。我們認為今天大多數的數字系統并不是完全集成的。公司、供應商和客戶并沒有緊密的聯系。工程、生產和服務等部門也不例外。從企業到工廠底層的功能沒有完全整合。甚至工程本身（從產品到工廠到自動化）都缺乏完整的集成。但是憑借數字化和工業4.0，公司、部門、職能和能力將變得更具凝聚力，跨公司、通用數據集成網絡將不斷進化，并實現真正意義上的自動化價值鏈。

介紹

制糖生產商的戰略目標十分簡單：在全球化日益加劇和產品開發成本上升的環境下，提供有競爭力的產品，提高盈利能力和實現業務的發展。

在實現這些目標時，雖然每一個制糖生產商都面臨著自己特定的制造挑戰，但是他們同樣有一些貫穿于整個行業的共同的挑戰。包括：

– 優化能源消耗

– 減少材料使用和庫存成本

– 提高資產利用率和產量

– 提高質量，減少變化、錯誤和浪費

– 最大限度地保證材料的可追溯性并滿足法規的要求

– 實現敏捷制造環境

那么，我們應該如何利用數字化來確保公司、部門、職能和能力變得更具凝聚力？如何更好地整合橫向和垂直價值鏈？參見圖-1（Koch et al., 20141）。如何確保跨公司、通用數據集成網絡進化并實現真正的自動化價值鏈？最重要的是，要如何通過所有這些工作來解決上述的六個行業挑戰？

數字化有助于建立一個堅實的過程數據采集平臺。這通過確保過程數據被用于整個工廠的管理決策來解決垂直整合。橫向集成將工廠連接到數字世界，連接供應商和客戶。（Koch et al., 2014）。

圖-1：數字化有助于建立一個堅實的過程數據采集平臺

我們的出發點是準確理解“自動化”意味著什么，以及不同的過程控制水平如何影響整個制糖生產設施中發現的橫向和垂直價值鏈。

理解自動化

自動化有助于執行連續和重復的操作，消除原本需要的手動操作。制糖生產過程中的自動化可以實現高產量、單一形式的質量和工廠的高利用率，同時減少能量損耗和對環境的影響。

通常有三種類型的自動化：

- 監控和數據采集（SCADA）：涵蓋對強大的遠程通信有嚴苛要求，但對高速傳輸和計算能力需求不高的網絡自動化應用。

- 可編程邏輯控制器（PLC）：針對工廠自動化應用，具有高速要求和許多離散I/O通信通道。

- 分布式控制系統（DCS）：應用于需要高計算能力的過程自動化應用。這里有兩種DCS的變體 – 核心自動化和擴展自動化。核心自動化可以靈活擴展且易于使用，主要面向中小型規模操作的應用。擴展自動化可以為用戶提供超越DCS的經典控制范圍，涉及更多豐富的信息，并且可以將電信、視頻和/或工廠的供電側集成到自動化過程中。

此外，自動化還基于以下三類現場設備：

– 測量產品：就好像是工廠操作的眼睛和耳朵。

– 執行產品：諸如電機和傳動，就像是肌肉一樣可以在現場完成某些工作。

– 控制系統：就如同是工廠的大腦和神經系統。

為了開發企業和控制系統之間的自動化接口，我們引入了ANSI/ISA-95標準，并將其應用于所有行業和各種過程，如批處理、連續和重復。ISA-95標準的目的是提供一致的數據，這是實現供應商與制造商通信的基礎。

ISA-95有五個級別（0級到4級），如圖-2所示：（Scholten B, 2007²）

圖-2：ISA-95模型

ISA-95 – 自動化級別

0級（現場級）- 定義實際物理過程并包含現場設備，如流量和溫度傳感器及諸如控制閥之類的最終控制元件。

1級（直接控制）- 定義了感知和操作物理過程所涉及的活動，是PLC系統和控制器以及完整的過程控制器的傳統儀器級。它包含了輸入/輸出（I/O）模塊及其相關的分布式電子控制器。

2級（工廠監視）- 定義了監測和控制物理過程的活動。它包括用于優化產量的子過程工廠控制，通常使用先進的傳感器或直接在該過程中的自動分析儀。PLC、SCADA和DCS在這里操作，從1級采集所有的過程數據。

3級（生產控制）- 定義工作流程的活動以及生產所需的最終產品。它不直接控制過程，而是監控生產和目標。它包括整個工廠的生產協調系統，最大限度地降低成本和最大化產量和質量控制。通常，這些是通過制造執行系統（MES）來管理的，MES實時分析和控制生產過程中的各種元素（例如：人員、輸入、設備）。這有助于決策者了解如何優化每個工廠的現有條件來提高產量。這就是制造運營管理（MOM）解決方案發揮作用的地方。制造運營管理（MOM）是一個綜合的、可擴展的、模塊化的套件，包括過程智能、制造執行、生產智能和生產優化。使用來自2級的數據，MOM進行歷史趨勢分析和關鍵性能指標的分析。

4級（生產調度）- 定義了管理一個制造企業所需的與業務相關的活動。它涵蓋了企業資源計劃（ERP）系統，并通過允許公司在多個地理分散的生產現場管理類似的變量，同時也實現了許多后臺功能的自動化，將其納入下一個層次。ERP將數據傳遞到3級，然后將其轉化為2級的動作。

數據傳輸

圖-3，展示了如何將上述ISA-95模型應用于制糖工業的實際例子。在0級和1級之間交換實時數據。過程數據被傳送到2級的監視和控制（表現為材料接收到發送出貨）。同時，第3級（由MES和MOM表示）組織和分析數據，并以更容易做出業務決策的形式呈現。這里已經集成了操作技術（OT）和信息技術（IT）數據。3級和4級之間的數據共享（ERP所代表的）通常是資源（人員、設備和材料）、生產能力（可供使用的）、產品定義（如何制造產品）、生產計劃（生產和使用什么）和生產性能（什么被制造和使用了）。第4級共享這個OT/IT用于橫向集成。

圖-3：制糖工業中產品與解決方案的數據交換

MOM是一個模塊化系統，這樣客戶就可以選擇要執行的模塊。MOM包含許多功能，但不是所有功能都是用戶在一開始時就全部需要的。圖-4顯示了ABB的建議，基于經驗和客戶反饋，逐步構建MOM各階段。在第一階段，建議使用OEE和停機時間管理模塊。這意味著首先在MOM功能模塊內實現最基本的數據采集類型，并隨著需求的增長而擴展MOM。例如，KPI儀表盤，OEE和停機時間管理相對容易實現，并通常在投資回報方面更容易證明。同時他們還為以后添加其他功能模塊提供了堅實的基礎。

圖-4：建議逐步實施MOM項目

MOM對制糖生產過程的影響是巨大的。下面的表-1給出了一些挑戰、特點和受益的樣本。

表-1：MOM對制糖生產的影響

制糖應用庫

在ISA-95模型中的2級是DCS（ARC咨詢公司，20173），其中許多都是制糖工業的專用軟件。例如，ABB的制糖應用庫。通過它解鎖了應用制糖工業每個工作職能的數據：從關注利潤的管理人員到關鍵高峰季節連續生產的維修團隊。

制糖應用是一個完整的、一致和全面的軟件數據庫，針對所有的制糖工藝應用，從甜菜和甘蔗延伸到精制糖。它滿足所有工藝區域的要求，包括原料處理、凈化、蒸發、結晶、糖化等工序。同時還包括生物質發電廠、乙醇和水處理在內的所有公用設施。

它是建立在與主要工藝設備供應商和制糖生產商的合作所獲得的知識基礎上的。這確保了最新的過程控制理念被納入到應用庫中。一個典型的例子就是具有高性能人機界面（HMI）的真空批處理罐的應用庫。如圖-5所示。左側的圖形顯示了模型識別，以便更好的視覺監控。這一最新的最佳實踐方法允許操作員可以直觀地監視系統中的控制對象。模式識別相比數字顯示、偏差條和趨勢更加有效，可以使操作員能夠在使用大量數據的同時更加輕松地驗證穩定狀態。

右邊的圖顯示了制糖應用庫的高性能HMI，專注于推進操作員的狀態感知和他們對異常情況的正確有效的響應。

應用庫包含了用于控制和監視的各種組件。每個組件都是完整的功能單元，隨時可以使用，并且可以適應特定的用戶需求或工藝要求。

特別重要的是，DCS和MOM以及制糖應用庫的結合可以幫助用戶有效解決本文開頭描述的六個挑戰。它通過匯集信息技術（IT）和操作技術（OT）來實現這一目標。

這種數字化組合為用戶提供了最先進的自動化平臺，這是第一次實現同時優化制糖廠設備的工藝和電氣控制。與自動化供應商合作，制糖生產商可以設計出一個定義良好的自動化策略，確保工藝控制系統、自動化和通信、電氣和變速驅動技術以及信息技術實現有效地協同工作。

圖-5：真空批處理罐的應用庫的圖形界面使操作員能夠提高操作效率，同時減少操作錯誤

此外，從制糖生產過程中產生的大量數據，用戶現在可以將其轉化為有意義的信息，適合于特定的工作角色。這直接實現了工廠的高效性、靈活性和對環境的保護。

在這里，我們將描述如何解決上述制糖行業的六個挑戰，使用如上所述的最新自動化理念。

優化能源消耗

污染控制和能源消耗的成本上升需要使用創新技術。制糖過程充滿了能量密集型應用，每個都消耗大量的電能，因此，需要嚴格控制成本，參見圖-6（Pathak A N, 19994）。

圖-6：制糖生產能源消耗亮點

電力和蒸汽消耗是制糖工業里最大的成本，這里有許多節能機會。例如，蒸汽消耗可以被計算、監測和控制，以匹配工廠的各個部門的實際需求。這可以直接影響并減少20%的整體能耗。

那些在制糖領域有著長期應用的自動化供應商，已經從制糖生產過程的各個方面獲得了非常深入的知識。這個專業知識可以在應用庫中找到（參見前面的內容）。

任何有效的制糖過程的核心必然是工業控制系統。當與制糖應用庫集成時，過程和能源可以被同時優化，換句話說，這直接可以實現節能。

應用庫的一個好處就是它可以保存詳細的過程數據，幫助建立運營成本的基準，如能源使用。舉例來說，真空罐應用庫能夠監測和控制每個批次期間的蒸汽消耗。同時，它提供了完整的過程控制水平、壓力和溫度，有助于穩定所有控制回路。穩定的環境有助于減少或消除能源浪費。

如今另一個可以獲得的特點是MOM中的能源管理工具。該能源管理工具可以為所有能源、生產和環境數據提供快速的基于Web的訪問。它包括一個強大的報告引擎。這可以實現連續多年跟蹤能源消耗和生產關鍵性能指標。它可以很容易集成到現有的基礎設施當中，如電能表或網絡分析儀，并在網絡儀表盤中提供方便的對比，如每天/每周/每月/每年，或者生產線/工廠現場/國家。

ISA-95的現場級和直接控制設備（0級和1級）提供了進一步的節能機會。例如，應用于大型離心機的變速驅動器，它位于制糖過程的中心，可以節省多達60%的能源消耗。

自動化的效果/結果

– 低能量和二氧化碳排放

– 跨廠區能源利用的透明度

– 提升產能

– 降低生產成本

– 提高盈利能力

減少材料使用和庫存成本

由于原料不同、訂單不可預測，制糖生產成功的關鍵是成本控制和減少浪費。庫存包括原料、在制品和成品，是制糖成本的重要組成部分。但是因為庫存的增長，使得存儲、計數、尋找和挑選變得更加困難。

然而，由于產品成本是可控的，如果要經濟地實現生產率的增長，庫存的合理規劃、采購、處理、核算和控制是至關重要的。

良好的成本和浪費控制的核心在于庫存管理。主動庫存管理提供了一個檢查，來防止生產或盜竊產生的材料損失。它確保了足夠的材料、存儲和備品，同時減少庫存和短缺，這可能會導致昂貴的運營中斷。例如，存貨缺貨可能導致生產線關閉，而重新啟動的成本非常高。主動庫存管理可以將制造周期降低到最小限度。

消除不必要的浪費也是十分重要的。例如，生產商正在考慮使用甘蔗渣（甘蔗的副產品）進行發電、造紙、制成刨花板和牛飼料。糖蜜可以被認為是丁醇、酵母、工業酒精和高蛋白糖蜜。石灰，制糖提取過程中的副產品，可以被生產和出售作為土壤調理劑，這樣可以幫助保存寶貴的石灰石儲備。

庫存管理面臨的挑戰是平衡庫存與需求的供應。一個公司需要有足夠的庫存來滿足客戶的需求，同時確保不會因為庫存短缺而丟失訂單。同樣的，一個公司也不想擁有太多的庫存，因為這可能是很昂貴的。庫存足夠但不是太多是企業的最終目標。庫存可以被視為可以用其他方式花費的現金。任何超出客戶需求的東西都是浪費。

制造運營管理（MOM）提供了各種幫助庫存控制的能力，包括:

– 物料管理：提供一種有效的方法來接收材料、登記和預訂內部倉庫，跟蹤消耗和生產的材料，并報告回ERP

– 稱重和分配：確保正確的材料和數量分配，通過對條形碼識別，實現對材料、容器和秤的確認檢查

– 庫存管理：能夠有效控制倉庫結構（倉庫、單元、筒倉）和包含材料（包裝、料倉、容器）的元素，包括訂單、批次、數量、填充日期/時間、需要重新填充、到期日期處理等信息

另一個挑戰是許多制糖設施使用來自不同供應商的各種可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統（DCS），這就產生了許多自動化的孤島。如果一個過程區域發生故障，那么整個過程不能自動調節以做出反應。這會導致材料和能源的浪費。通過整合一個供應商的所有自動化和電氣產品和系統，大大提升了運營效率。

自動化的效果/結果

– 通過檢查防止不良生產和盜竊產生的損失

– 確保物資、倉庫和備品的充足供應

– 盡量減少庫存和短缺

– 將制造周期降低到最小限度

– 消除浪費

– 平衡庫存與需求的供應

增加資產利用率和產量，同時縮短上市時間

制糖生產或精煉糖是資源稀缺型生產，因此需要嚴格控制成本。然而，消費者喜好的改變和競爭品牌的崛起強調在保持最高質量標準的同時，滿足多樣性的需求。

制糖的高峰期歷時五到至八個月。在此期間，所有工藝設備 - 從真空罐到離心機 - 必須可靠地運行，并進行優化生產最高質量的最終產品。

因此生產和維護部門需要緊密合作，以確保生產在制糖高峰期中永遠不會出現故障。停機時間或生產損失是由可用的損失時間（LTA）定義的。LTA主要測量由于設備故障和停機或者由操作失誤引起故障的損失時間或設備不可用時間。

因此，任何維護或生產停止都被安排在指定的時間和日期，持續時間也是事先預定好的。良好的資產行為意味著良好的生產產出。

不一致的系統行為是制糖工業關注的首要原因。這些違規行為可能回阻礙生產，需要更多的人力來提高生產能力。缺乏工藝知識和自動化專業知識會導致低產量。

降低生產成本、提高甘蔗生長的一些重要措施包括，強化生產、營養、水和害蟲管理和收割。

通過微調DCS控制系統及制糖應用庫（見“制糖應用庫”），可以監控和協調所有關鍵的電氣、儀表和控制資產。它為無縫制造和業務流程集成提供了完整的解決方案。

制糖應用庫還提供了全面的控制和簡單的操作界面，以及預診斷和報警管理。提高了運行效率，縮短了故障檢修時間，提高了利用率。

此外，MOM還提供了一個完整的設備效能（OEE）模塊和停機時間管理功能。

自動化的效果/結果

– 產量提高多達25%

– 人力成本降低50%

– 通過SMS短信獲得信息

– 工廠經理通過電子郵件接收日常生產報告

提高質量以及減少變化、錯誤和浪費

將數據轉化為準確的信息，確保生產在一開始就是正確的，同時消除浪費，避免任何糖質量的變化。在制糖工業努力改善最終產品質量所面臨的許多挑戰中，需要更優質的果汁凈化、改進的煮沸實踐、現代化的煮沸方案和更好的制糖處理工藝。

一個可重復的過程對于保持一致的質量和實現生產和精煉的產出最大化至關重要。DCS和制糖應用庫提供了對所有工藝步驟的連續控制和精確處理，并確保每次都能生產出一致的、高質量的產品。

制糖應用庫可以確保配方被連貫的執行，從精煉到干燥過程，以及關鍵質量和過程數據可以被直接連接到每個批次循環的特定階段。它提供了一個簡單的人機界面（HMI），使操作員可以更容易控制自己的設備。例如，真空罐的控制只需要進行簡單的設定值便可以實現復雜的控制，以匹配蒸煮曲線。這可以保證生產出更加一致和更高質量的最終產品。

同時，MOM系統還可以提供：

– 質量管理：在執行過程中執行質量和合規措施（檢查表、自動或手動收集質量數據）

– 支持取樣和測試要求

– 公差管理：不合格報告、系統收集產品、過程、程序或合規規范的偏差信息

– 電子作業指令：知道操作員通過重要的步驟，按照要求生產和安全指示及檢查

– 虛擬培訓：幫助維護車間的過程、產品和安全知識

自動化的效果/結果

– 通過制糖應用庫的一致和精確控制來改善制糖質量

– 通過DCS、MOM和專用制糖應用庫來減少變化，為基于歷史數據檢索的有價值的信息提供正確和透明的決策平臺

– 減少錯誤，因為制糖應用庫可以通過HMI提供簡單有效的操作，幫助操作員消除或減少操作錯誤

– 避免浪費，所有信號回路和順序步驟可以被DCS和制糖應用庫監視和控制

最大限度地保證材料的可追溯性并滿足法規的要求

不斷變化的食品安全標準強調更好的原材料可追溯性、實驗室取樣和產品控制。為了保證原材料的質量和提高工廠的效率，有必要通過提供原材料的可追溯性來優化生產產量和質量，同時遵守最新的規定。

制糖生產商需要根據產品的目的地提供對質量和安全的不同見解。精制糖，作為最終產品包裝給消費者，必須包含記錄和測試數據，顯示完整的可追溯性，以滿足監管機構和零售商的需求。另一種情況是，當運輸精煉用原料糖或發送散裝輔料時，則需要更詳細的質量信息。這些信息相應地，將形成供應鏈質量記錄的一部分，同時，使其流程能夠適合于所運配料的特性。

這種復雜的制造操作需要大數據，這些數據可以很容易地引導，以使關鍵的過程、質量和事件信息可以在正確的時間被接收。

MOM可以提高產品質量、可靠性、跟蹤和可追溯性，以便適應相關法律法規。它為所有類型的操作數據提供管理訪問，從而為糾正措施和性能改進提供決策支持。它提供了一個進入生產環境的窗口，為過程分析和操作度量提供客觀、詳細的數據。

MOM物料管理軟件用來識別物料、追蹤消耗的原料、追蹤已生產的材料、原料來源和目的地的優先次序和控制、物料可混用性、稱重、分揀和包裝。物料跟蹤和跟蹤模塊還提供強大的產品譜系報告，允許搜索和分析生產數據。

自動化的效果/結果

– 單獨、多個和批量的跟蹤和追溯

– 物料識別、物料消耗和物料生產的實時報告，避免產品被盜

– 物料兼容性和可用性的管理

– 稱重和分配支持

– 物料譜系

– 監視運輸和倉庫活動

– 提供缺陷產品的早期識別，避免消費者召回

– 快速、準確和容易診斷問題

– 花費較少的時間解決可能妨礙法規遵從性和可追溯性的故障

– 更高的可視化能見度

– 降低生產成本

實現精益和/或敏捷制造

雖然制糖生產商很少受到消費者口味的變化或對新產品品種需求的影響，但仍然需要去適應精益或敏捷制造技術，以克服生產的挑戰。此外，一些生產商，特別是美國南部的生產商，如果市場需求或糖價格出現波動，有時會從制糖轉變為生產乙醇。

精益是指在供應鏈中通過少而精的工作實現更大的產量、更少的變化和更好的生產預測。同時，敏捷描述了響應需求變化的能力，無論是在數量上還是在多樣性方面。例如，天氣晴好期間，甘蔗供應鏈需要盡可能地提高產量。然而，在雨季或危機期間，需要靈活的資源來減少損失。

在制糖工業中，很少有數字系統是完全集成的。公司、供應商和客戶沒有緊密的聯系，工程、生產和服務等部門并不總是有效地相互溝通。然而，只有在每個人都談論相同的數字語言的情況下，才能實現敏捷制造的需求，即生產能夠適應特定的客戶需求。

MOM為用戶帶來了整個制糖生產過程的端到端的可視化。它是一個可擴展的模塊化套件，包括：

– 過程智能

– 制造執行

– 生產智能

– 生產優化

因此，它通過完全的集成操作提供了各種工廠利益相關者的有效決策和可靠的精益生產執行。它包含了豐富的、現成的功能，以及易于配置的模塊，以滿足特定的行業需求。

自動化效果/結果

– 一致的數量和質量減少生產風險

– 更少的決策者需求

– 降低運營成本

– 更好地管理工廠的資產容量

– 整個供應鏈效率的實質性改善

關于ABB

ABB（ABBN: SIX Swiss Ex）是全球電氣產品、機器人及運動控制、工業自動化和電網領域的技術領導企業，致力于幫助電力、工業、交通和基礎設施等行業客戶提高業績。基于超過130年的創新歷史，ABB技術全面覆蓋電力和工業自動化價值鏈，應用于從發電端到用電端、從自然資源開采到產成品完工的各種場景，譜寫行業數字化的未來。作為全電動汽車國際頂級賽事E級方程式的冠名合作伙伴，ABB也積極投身未來可持續發展，拓展電動交通技術疆界。ABB集團業務遍布全球100多個國家和地區，雇員達13.5萬。