绿色智能制造吹响双转型集结号


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福特胭脂河工厂几乎是整个上世纪工业经理人膜拜的圣殿。在那个“矿石-组装一体化”的垂直集成工厂,从能源的源头到一分钟下线的T型车,福特将人类大规模生产能力发挥到极致。流水线是工厂里的“鬼斧神工”之作,机器产能开始出神入化。然而不为人所熟知的是,福特流水线的另外一个关键因素是能源的变革。电动机的发展,使得机器终于可以摆脱中央动力的限制。既往的中央动力(如一个蒸汽机),需要靠齿轮链条传动后再次进行动力分配,这使得机器的布置受到巨大的限制。而电机带来的分布式动力,终于让机器可以按照咆哮的最高效率而布置。这场脱胎于1914年的流水线取得了一个多世纪的主宰性胜利,并从一开始就告诉我们,制造方式的转变与能源效率的提升,从来就是不可分割的。而在当下,每一个志在数字化的企业,都需要一种智能制造与能源升级的双转型战略。

 

智能制造是一个渐进的过程:先医后药,渐进式跑完全程

数字化技术的投入,就像向池子里扔进去的石头,它形成的涟漪是逐渐蔓延开来的。工业的场景复杂多样,这决定了企业在进行数字化转型时无法一蹴而就。而智能制造需要将制造技术与ICT融在一起,很多时候还会跟组织的变革绑定在一起,它注定是一个渐进的过程。每个企业的数字化转型,大方向都在通向罗马,但选择的路口则是各不相同。


智能制造往往需要从“找医生”开始,找到自己的起点。只有“望闻问切”之后,确定当前工厂的自动化、信息化水平和管理组织特点,才能各自找到自己的切口。


作为中国领先的糖果生产和出口企业蕴之宝,最初也并不清楚“智慧化糖果工厂”应该是什么模样。在借助于咨询顾问前期的摸底,对流程、生产运营、信息可视化等多维度梳理之后,智能制造的蓝图才显现出轮廓。原有生产方式存在的产品质量波动、工艺数据管理不透明等问题得以显现。


要找出这些问题背后的根源并非难事。然而,心中要有一个全景的作战地图,才能确定出首先需要下手改造的地方。这些问题的背后,是很多企业习以为常的场景。人工投料的精准度不能保证,从而引起质量的波动;工人交接班记录以纸质为主,不同班次之间的单据传接亦非常零碎,所有的一切让管理者脑海中无法形成一张完整的图像。


对症下药,经过改造后的蕴之宝采用了实时数据库,对产量、物料消耗、质量信息和设备运行信息,以及能耗全部进行了数字化的联通。整个工厂变得透明和智慧。以前生产各环节如一个一个“黑箱般”的操作,如今成为屏幕上五颜六色的图表体系,决策变得容易起来。


智能制造并不应完全由技术所推动,它对企业现有的管理方法和组织架构也形成了巨大挑战。面对工业生产的复杂性和多样性,合理的办法是“先医后药+小步快跑”。


在全球著名的手机玻璃制造商道康宁的一家最大的硅氧烷工厂中,工厂的DCS控制系统已经运行了几十年。虽然并未发生大的问题,但升级到数字化平台却是势在必行。然而,数字化转型并不是“推倒炉灶重来”——这会使得工厂生产的速度放缓。在实际解决方案中,可以通过分阶段切换的方法,只通过增加布置全新机柜和控制器,进行旁路控制,然后加以切换。与此同时,保留现场布线等基础设施。这种对“Brownfield”(已建工厂)的改造,就像是一台精心设计的手术,它的前期是进行精确的诊断。

 

从精益到绿色:精益不足够,绿色制造更进一步

精益作为是一种战术方法的集合,是智能制造的基础。就本质而言,是强调消除非增值活动所造成浪费,同时以最低的成本和更高的效率交付高质量的产品。一个组织的竞争力和盈利能力,如果使用精益制造工具进行管理,可以有效地提高生产效率。


为了保持竞争力,面对当今前所未有的全球竞争形式,企业必须设计和提供更好的产品和服务,并改善其制造业务。精益制造已被用于提高运营绩效。运营管理关注的是尽可能有效地将材料和劳动力转化为商品和服务,以使组织的利润最大化。它是为了创建优化的版本,在不影响提供的服务或创建的产品的情况下,最大限度地利用资源。


可以说,精益制造代表了当今运营管理的最佳实践。一般而言,企业进行精益制造并不会对环境的影响进行预判,但这不影响其能够产生足够的环境效益。由于资源浪费和环境污染并不是精益的主要焦点,这些指标也不会在精益方案中突出展示。


随着可持续发展理念深入人心,先行的企业已经开始引入“绿色制造”,即在制造领域内更新生产流程和建立无害环境的业务。从本质上讲,这是制造业的“绿色化”,即减少使用自然资源,回收和再利用材料,并在生产过程中减少排放。绿色制造拓展了精益的边界。


绿色制造更多的是针对流程不同阶段的一系列方法。它强调与产品质量和经济性的总体要求相一致的环境目标的合法性。而为了实现更高水平的环境绩效,组织必须首先采用精益哲学的原则和实践。


绿色运营管理(GOM)正试图使用精益运营的工具和概念,将绿色指标添加到公司用于评估业务流程的卓越度量中。绿色运营围不断扩大,正朝着将环境改善纳入结构和基础设施运营决策的所有领域的方向发展。这也意味着,智能制造同时需要纳入更广泛的各种可量化的绿色战略。如工厂内部的绿色策略,包括照明、暖通空调(HVAC)或加压空气消耗,并在决策过程中确定涉及固定成本的方法。

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图1:绿色智能制造的要素

(来源:基于美国UCK大学ISM学院)

 

一个良好的工厂,需要秉承 “零填埋”、“零排放”、“零污染”、“零事故”的可持续理念,实现厂房集约化、原料无害化、生产洁净化、废物资源化、能源低碳化等目标。这是一个“智能制造与能源升级”的双转型过程。这也是绿色智能制造的本意。这种 “零垃圾填埋” 实现,不仅仅具有技术可行性,而且也有经济性。法国施耐德电气已经承诺到2030年,在其200个生产基地回收100%的工业废料,而目前也有178个实现零废物填埋,也包括位于中国的22家工厂。然而,这种环境效益也不应该成为一个企业的负担。循环经济的收益,也同样成为企业家关注的热点。通过将循环经济的模式引入到绿色智能制造体系中来,预计还可以带来12%的循环收入和持续增长。

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图2:从传统制造到绿色智能制造

(来源:基于美国UCK大学ISM学院)


整体而言,精益制造和绿色制造之间的主要相似之处是在减少浪费方面。绿色制造是一种最大限度减少浪费和污染的制造方法。精益制造是以系统和持续的方法消除系统中的浪费为目的的系统。减少制造过程中的环境影响和资源消耗是绿色制造中的重要问题之一。从某种意义而言,精益制造也可以看成是绿色工程的一个环节。这两个战略(精益和绿色)可以整合并在一种称为绿色运营(GO)的管理中,再加上各种数字化技术,推动绿色智能制造的发展,从而不仅减少浪费和污染,而且大幅度提高组织的生产率和利润。

 

能耗管理是绿色智能制造的关键一环

智能制造实现的基础是数字技术、自动化技术,同时也离不开可靠安全、互联互通的能源供给。随着智能制造实现的质量提升、能效降低,成本节约也会推动着企业、乃至全人类的可持续发展。据国际能源署(IEA)数据,到2040年电能将占最终能源消费增量的40%。一个更加高效、分散化、数字化的电气化时代正在悄然到来,包括能耗管理在内的绿色制造,成为智能制造的一个重要的同行者。换言之,能效变革与智能制造是企业数字化的硬币两面,互相依存。


显然,工厂需要一种双目望远镜。除了智能制造所强调的智能之外,绿色智能制造还涉及到人的安全、环境友好、废物管理等。其中,能源消耗则是一个重要的支点。施耐德电气面向企业数字化转型提出的“四维融合”模型中,第一个就是“能源与自动化的融合”,就是从能源视角,再度审视企业的每一个环节。而要实现节能减排,必须在能源的使用过程中进行。例如实时排查,关掉工厂里不需要运行的机器,这就需要流程系统与能源系统之间紧密互动。乳业集团伊利的数字工厂,通过互联互通设备,实现能源与自动化的融合。这需要一种神经末梢级的扩散,从而让每一个控制部件都可以即时响应双重的控制。该工厂也最终在取得效率提升19%的同时,能源成本还降低5%。换算成节约的碳排放量,相当于多增加40亩地的阔叶林。


一个典型的能效管理,需要在能效顾问综合视角下,考虑电气资产管理、能源效率管理、设备健康管理、运行维护一体化以及智能配电方案等,从而提升传统能源的高效利用。

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 图3:能效管理的视角

 

在这个业务领域下,能效顾问应用是一个核心。它需要对智能配电解决方案、运维、云计算都要有很宽广的管理视角,从而将能源漏洞一一填补。工业压缩机的能耗一直是工业运行的大黑洞,这里占据了整个生产流程总能能耗的11%。英格索兰的离心压缩机,正在逐步采用统一的软件平台和灵活的人机接面,对每台压缩机进行有效的监控,实时跟踪机器运行,并在必要时启动预测性维护策略,从而大幅度降低能耗。


全球最大的建材制造商中国建材集团下属的祁连山水泥,就将能耗管理与水泥生产形成无缝接口,完善了企业能源数据的实时性和完备性,动态调整电力分配,仅2019年便节约电费400多万元。


还有一个很重要的节点,经常被忽略掉,那就是建筑的节能。建筑,本身往往被排除在智能制造之外,然而对于一个工厂的综合效益而言,它的能耗水平却是不可忽略的。太古地产集团利用云能效顾问作为集团数字化能效管理转型的重要工具,建立实时监控的综合管理平台以获取各类能效优化解决方案,为业主实现10%的电能消耗节约。


很显然,如果可以精确定位暖通系统(HVAC)和照明性能,根据实际运行情况来自动调整最适合人群的体感舒适度,这个过程中的能源节约将同样令人愉快。作为绿色制造的一部分,能源管理数字化的建筑,完全可以每五分钟就自动提交一份检查报告,而不是以前的每个月检查一次,从而对浪费程度、财务机会和舒适度,进行一个综合性的评判。这是一个典型能源管理的数字化转型。绿色和智能贯穿其中,从而使得整个工厂制造的效益得到很大的优化。


奇妙的是,尽管富有社会责任心的环保热心人可以将其称之为“减少碳足迹”的一部分,但其实它的切入点也可以很简单:那就是围绕着“人的舒适度”而来。没有不足,也没有过量。这是一个“绿色与智能”双管齐下勇谋精进的典型。

 

绿色智能制造的入手

令人尊敬的公司,会将绿色制造转化为竞争力。美国越来越多的制造商正在考虑回岸制造,避免过度依赖离岸制造。而再工业化的进程中,绿色智能制造就是一种竞争优势的重要理念。


在美国,绿色制造业也已成为创造长期就业机会的工具。美国《质量杂志》曾经有文章指出,绿色制造业占所有清洁能源工作的26%。而且由于他们的专业技能基础,清洁经济工人的工资比美国经济的其他工人高出13%。


事实上,在制造和供应链的各个环节,从智能工厂到绿色卡车交付供应链,这种可持续发展趋势正变得越来越重要。绿色制造与智能制造,需要成为企业发展的合二为一的战略。

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图4:绿色智能制造的典型指标分析

(来源:施耐德电气对230家客户的调研)


2011年德国机械设备联合会VDMA就发起了“蓝色能效”倡议,旨在使德国所有机械工业行业共同携手,集中为可持续性发展提供强劲助力。作为第一代工业革命的机械行业的代表,纺织机械行业一直在积极参与。德国把能效作为纺机产品主要竞争的性能指标,每个企业都把是否提高能效作为新产品的首要条件,如立达公司规定达不到5%就不能作为新产品。在连续实施多年后,德国纺机的能效普遍提高30%以上,并促进了技术大大改进。


除了德国蓝标之外,在节能的追求上,意大利纺机制造商以绿色标签自居,以识别纺织机械产品的能源和环境性能,如欧瑞康纺织集团建立的e-save节能理念。法国高科技纺机制造商的主要关注点也是产品的节能,并注重废物的循环利用。从全产业链上寻求节能减排技术与工艺,以及新能效管理路径的追求,纺织机械设备在低能耗、高效率、低排水方面站稳脚跟,已经成为不折不扣的高科技产业。


想象一下,绿色笼罩着每一个工厂,而所有产品都要经历“绿色X光”的透视。国际上Green Premium就是这样的一个认证,它对一个产品在有毒有害物质、碳足迹方面有严格的规范,还要求公开产品从生产到降解的全生命周期环境影响信息。绿色光正在大踏步走来,企业也在迎头变换颜色。施耐德电气在2020年,预计75%的销售收入都来源于Green Premium项目。在中国上海、武汉等城市的七家工厂都秉持同样的“绿色工厂”的实践。每个产品生产过程中都会强调如何通过绿色设计来让产品不影响生态环境,在生产制造过程中做到无填埋,在维护服务阶段尽可能地被分解利用。


绿色供应链同样是一套非常有用的工具,在整个全生命周期的产品环节中,包括再利用、再制造和回收,都嵌入了绿色设计、绿色采购实践、全面质量环境管理及各种产品报废的做法。


正如最近十年来日益严苛的环保法规并没有成为发动机的夺命拳,反而大大地促进了内燃机的技术发展,绿色的专利也更容易出现在先进技术中。根据联合国工业组织在2019年11月发布的《2020年工业发展报告》指出,先进数字化制造技术趋向于环保型解决方案。这个领域的绿色专利高于平均水平,与机器人、机器学习、增材制造、计算机辅助设计与制造相关的技术尤其如此。专利审查人员强调,这些技术的最重要特征是它们对减少温室气体排放的潜在贡献。

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图5:先进制造技术的专利也是绿油油的

(来源:联合国工业发展组织)


环境友好的制造将成为行业最大的战略挑战之一,不仅从工程角度,而且从商业和营销角度。许多大型跨国公司意识到即将出台的海外(欧洲和日本)环境法规和消费者对新一代环保产品的日益增长的需求,并开始制定应对措施。许多企业开始接受:绿色产品和绿色生产技术,本身就是一种提高竞争力的方式。

 

小记:绿色智能制造,是一种可持续发展观

全球经济的发展迟早要与碳排放的增长相互脱钩。而绿色智能制造将是提升数字化企业竞争力的重要一环。无论是物联网技术,还是软件与数据分析,都可以起到积极的支撑作用。


随着底特律汽车业的衰落,福特胭脂河工厂在大部分厂区多已废置。直到2000年,福特的孙子决定斥资20亿美元将其进行重建。百年回归的胭脂河工厂,最大的亮点就是兼具环保和精益生产的能力,而负责厂房修建的总设计师是将产品回收技术融入生产体系的世界第一人。而它的产品则是纯电动福克斯汽车,这是绿色制造的巨大胜利。制造业的经理人会越来越熟悉这样的旋律,绿色智能制造力图给工业带来一种更加综合的平衡感,它需要刷新人们的制造理念:“更智能、更绿色”。从未离开的“能源与制造的双打组合”,又回来了。

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作者简介

林雪萍:南山工业书院发起人,北京联讯动力咨询公司总经理

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原文始发于微信公众号(知识自动化):绿色智能制造吹响双转型集结号


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