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全過程虛擬化支持生產(chǎn)大樓的設(shè)計(jì)及自動(dòng)化

天窗機(jī)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(jì)了其位于奧地利 Vitis 的新工廠。項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(yùn)行真實(shí)的仿真，進(jìn)行預(yù)先優(yōu)化，并使用倍福基于 PC 的控制技術(shù)地實(shí)施交付所有流程。

珀?duì)柭居?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?duì)柭呀?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(jī)電組件產(chǎn)品，事實(shí)上，珀?duì)柭驯还J(rèn)為是天窗機(jī)械組件和門鎖外殼的全球市場領(lǐng)導(dǎo)者。“幾乎全球所有汽車品牌在生產(chǎn)汽車時(shí)都配備我們的產(chǎn)品。”珀?duì)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?duì)柭?2018/2019 年開始在 Vitis 規(guī)劃建設(shè)一座新的工廠。“Pollmann 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(gè)系統(tǒng)都是最先進(jìn)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(jì)和可擴(kuò)展性非常關(guān)鍵。”Robert Pollmann 在解釋項(xiàng)目對合作伙伴 Peneder、Stiwa 和倍福提出的高要求時(shí)說道。

機(jī)械工程與工業(yè)工程的智能聯(lián)網(wǎng)

在機(jī)械工程領(lǐng)域，人們已經(jīng)普遍使用 3D 模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。而在建筑和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，只有少數(shù)有遠(yuǎn)見的開路先鋒們在新項(xiàng)目的規(guī)劃和實(shí)施中不斷推進(jìn)數(shù)字孿生的應(yīng)用。這其中就包括 Peneder Bau-Elemente GmbH 和 Stiwa 集團(tuán)。“我們作為一家設(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。”Stiwa AMS 公司樓宇自動(dòng)化業(yè)務(wù)部主管 Thomas Führer 強(qiáng)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(dòng)，員工又如何在車間內(nèi)走動(dòng)？“在規(guī)劃設(shè)計(jì)智慧工業(yè)建筑時(shí)，所有這些因素都需要考慮到，包括能量流。”Thomas Führer 在指出提高生產(chǎn)效率的重要因素時(shí)繼續(xù)說道。

由于珀?duì)柭鼉H會根據(jù)客戶訂單需求進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)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(gè)月內(nèi)全面投產(chǎn)。“涉及到大量技術(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。”工廠經(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(dòng)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(dòng)，以及生產(chǎn)基地的靈活擴(kuò)展。

Vitis 擴(kuò)建工程的第一個(gè)階段包括建造一座 9400 m2 的廠房、一個(gè)目前有 5500 個(gè)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(jì)，工廠可以非常快捷、方便地?cái)U(kuò)展到五個(gè)車間，因此所有的供給線路以及物料輸送和人員走動(dòng)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(dòng)下一個(gè)擴(kuò)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(gè)通道，通往各臺用電設(shè)備的樞軸從這里向左和向右延伸。”Robert Pollmann 說道，他非常欣賞總承包商的遠(yuǎn)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(jì)

基于生產(chǎn)的規(guī)劃重點(diǎn)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。“建筑被認(rèn)為是機(jī)器。”Thomas Führer 用一句話簡要概述了 Peneder 和 Stiwa 的做法，即使用典型的機(jī)械工程方法和軟件工具。珀?duì)柭O(shè)計(jì)了建筑的 3D 模型之外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)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(yùn)營過程一樣。BIM 是一種將不同學(xué)科的各個(gè)子模型（例如建筑、物流、建筑和電氣工程、樓宇自動(dòng)化和設(shè)施管理）整合到一個(gè)中央 3D 模型中的虛擬規(guī)劃設(shè)計(jì)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(yùn)營的每個(gè)階段，他們都使用了 BIM。“使用 BIM 實(shí)現(xiàn)的虛擬設(shè)計(jì)可為建筑的施工及后續(xù)運(yùn)營帶來很多優(yōu)勢。”倍福奧地利分公司樓宇自動(dòng)化行業(yè)經(jīng)理 Christian Pillwein 證實(shí)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(shí)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(shí)間或維護(hù)，設(shè)備很少會在同一時(shí)間段內(nèi)全部運(yùn)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%。“25% 的差值蘊(yùn)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(dòng)化控制。”Thomas Führer 分享道。在硬件方面，珀?duì)柭恼麄€(gè)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(dòng)化系統(tǒng)則通過五臺 CX50xx 嵌入式控制器控制。珀?duì)柭ㄟ^ KNX、M-Bus 和 MP-Bus 以及 Modbus TCP 和 RTU 等子系統(tǒng)以及約 700 個(gè)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(gè)項(xiàng)目的主要挑戰(zhàn)是需要開發(fā)一個(gè)基于需求的智能控制方案，它可以將制造自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化整合于一體。”Christian Pillwein 強(qiáng)調(diào)道。由于珀?duì)柭谶@兩個(gè)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(shí)現(xiàn)技術(shù)整合。“我們不僅能夠監(jiān)測和控制樓宇設(shè)備，還可以實(shí)時(shí)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)。”Thomas Führer 解釋道，這對于珀?duì)柭聫S區(qū)的設(shè)施管理負(fù)責(zé)人 Rainer Hobiger 來說無疑是一個(gè)絕佳的好消息。“我們可以通過在線儀表板查看哪些設(shè)備正在運(yùn)行以及它們的運(yùn)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(yán)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(shí)際性能后立即派出維護(hù)人員。”Rainer Hobiger 說道。

除了取決于負(fù)載的通風(fēng)之外，珀?duì)柭€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(gè)廠區(qū)的供暖，驅(qū)動(dòng)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(jī)間接使用。冷熱循環(huán)機(jī)本身和空氣壓縮機(jī)的熱量也會被回收。“總的來說，我們必須協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)中使用的多個(gè)溫度回路。”工廠經(jīng)理 Manfred J?ger 在解釋珀?duì)柭鼧O力為這個(gè)項(xiàng)目尋找“能夠從工業(yè)角度看待項(xiàng)目的樓宇自動(dòng)化專家”的原因時(shí)說道。

符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建筑

“我認(rèn)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(shí)很簡單 — 可靠、全天候地運(yùn)行。“倍福的產(chǎn)品系列符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)完整的樓宇自動(dòng)化提供了完美的解決方案。基于 PC 的控制技術(shù)對用戶全方位開放。”以 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(yùn)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(shí)粉絲：“每一個(gè)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(gè)解決方案中。”這里使用了 400 多個(gè)不同的 EtherCAT 端子模塊。

珀?duì)柭捅陡Ｔ跀U(kuò)建工程開始之前就已經(jīng)相當(dāng)熟悉了。“我們基本上是同一時(shí)期發(fā)展起來的。”Manfred J?ger 在回顧兩家公司合作的第一個(gè)自動(dòng)化技術(shù)項(xiàng)目時(shí)說道。“當(dāng)時(shí)，我們對廠房的建設(shè)提出了非常特殊的要求，而事實(shí)證明倍福比他們的競爭對手要靈活得多。”這位 Vitis 工廠負(fù)責(zé)人回憶并解釋了當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)向使用基于 PC 的控制技術(shù)的原因。時(shí)至今日，珀?duì)柭巡辉僦皇鞘褂帽陡？刂破骺刂茊闻_設(shè)備，而是用它們實(shí)現(xiàn) Vitis 二廠的中央樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。

大家對機(jī)械工程與工業(yè)工程的成功整合非常滿意（左起）：Rainer Hobiger（珀?duì)柭驹O(shè)施管理部主管）、Manfred J?ger（珀?duì)柭?Vitis 工廠廠長）、Robert Pollmann（珀?duì)柭鼑H公司管理合伙人）、Thomas Führer（Stiwa 公司樓宇自動(dòng)化部負(fù)責(zé)人）、Christian Pillwein（倍福奧地利分公司樓宇自動(dòng)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(rèn)為是一臺機(jī)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?duì)柭?Vitis 工廠擁有高效的能源管理系統(tǒng)和通過基于 PC 的自動(dòng)化控制實(shí)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