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如何看待制造成本━微小成本经不起时间积分
[作者 貝加萊工業自動化]   2021年05月27日 星期四 浏览人次: [1803]

在各个行业中,电子及半导体、汽车工业领域对於TCO的计算能力非常强,这是由这类行业的大规模客制化制造的特性决定的,每1%的品质提升、1%的能耗节省,对於制造而言,其累计的成本节省都将是巨大的数位。


曲线的差异影响设备寿命

有一次,贝加莱的技术专家陈工被机器制造商邀请,一同去终端工厂叁观,那是一个电子产品工厂叁观,经过一台塑胶射出机的时候,他突然问工厂经理,这个设备是不是经常需要维修?


工厂经理说道:「是的,这个设备经常需要大修,更换其中的螺杆,大概这个时间比其它设备间隔少半年,就是其它需要2年更换一次,它需要1.5年就得更换一次」,他问陈工如何知道?陈工说:「我听到它的声音,显然它的运动曲线比较『硬』,这会有比较大的机械冲击,带来了噪音,这种机器磨损就会比较大,寿命短,」他继续说道:「其实,2阶曲线和3阶曲线虽然在定位精度、速度上没有差别,但是,其对於机器的寿命影响却是不同的,表面上看两个设备看不到差异,但是,数学不会骗人」。


当然,後来这个机器制造商因此也选用了贝加莱的系统为其控制器系统方案,原因当然不仅包括陈工提到的ACOPOSmulti所提供的曲线能力,也包括制程、稳定性等综合能力。


半年的机器大修间隔差异以及所造成的浪费、机会成本损耗,对於工厂而言,不难计算其成本影响多大。


制造企业更关注长期营运成本

全球制造企业经历数十年乃至上百年的营运,在如何评估产线投资方面累积了丰富的经验,他们具有非常强的成本核算能力,并非是因为「财大气粗」才买高端设备,而是他们经过数十年的制造经验,建立了有效的评价体系,并不以价格作为唯一衡量指标,而是更为全域的看待成本。


对於工业装备的采购而言,它是一个复杂、专业的过程,其使用者决策往往关??企业未来的盈利,尤其对於较大规模的制造企业来说,更是一个长期投资回报的评估,除了初始采购成本,越来越多的制造企业关注在长期营运中的成本,市场竞争使得企业必须锱铢必较,而在大规模生产与制造领域,这个「锱铢」的累积,往往是巨大的成本节省,每个人工的节省、每个材料的节省 、每1%的能耗降低都是巨大的数位,都会转为盈利,每个良品率甚至0.1%的提升,都会带来利润的提升。


01电子行业为什麽具有超强的成本评估能力?

在各个行业中,电子及半导体、汽车工业本身对於TCO的计算能力非常强,这是由这类行业本身的「大规模客制化」制造特性决定的,因为在这些领域,每1%的品质提升、1%的能耗节省,对於制造而言,其累计的成本节省都将是巨大的数位。


TCO(Total Cost of ownership)也被称为COO(Cost of Ownership),是在汽车、电子等离散制造领域里广泛应用的指标,用於评估产线的综合成本,在VDMA的SEMI 10规范中,定义了针对太阳光电、矽基相关电子半导体制造的TCO计算指南。



图1 : VDMA-SEMI-E10规约
图1 : VDMA-SEMI-E10规约

图2则是VDMA SEMI对於设备的综合使用能力评估,其与OEE有较多重合的计算,当然也会包含了工程时间(制程、装备与软体工程)几个方面的差异,因此,其思想与OEE相同,而其计算又有着行业特殊属性。



图2 : VDMA-SEMI-E10指南
图2 : VDMA-SEMI-E10指南

02 TCO是终端生产企业的核心关注点

对於机器制造商而言,必须满足终端制造企业的需求,他们对於成本的综合考量,而非仅仅是机器的价格如果机器价格的话,因为如果仅仅考虑价格的话,那些高端设备没有市场,因为他们赢得市场靠综合成本,以及客户价值的创造。


为什麽发展自动化、智慧化?因为其关??设备的品质、成本与交付能力,机器从最初的手动控制到基於继电器逻辑的控制、PLC可程式逻辑控制,到今天基於智慧控制器的控制,它都是为了解决品质、成本与交付问题,以伺服系统的工作任务来举例:


1.运行成本才是最大的成本


一个伺服马达,在其生命周期中,其最大的成本来自於电能的消耗,而其初始采购成本占比仅在5%,因此,这意味着精准的选型会意味着更为长久的成本节省。


2.低品质的产品就是成本


高性能的伺服驱动系统,它本身可以提供更高的采样精度和控制精度,以及重复精度,控制精度和重复精度,保证了产品品质的一致性,而人们采用自动化系统,不就是为了提供品质一致性吗?


高品质,才能带来低成本,因为不良品,本身就是成本。


3.控制品质影响成本


贝加莱液压控制专家李工精通在吹塑领域的壁厚控制,他对於技术对生产企业带来的回报深有体会,按照他的较保守计算,对於一个桶装水的塑胶桶生产过程,大概需要45S,而每个桶容积为5加仑的话,需要达到2 kG的塑胶颗粒,采用贝加莱的镜像壁厚控制器,可以为其节省3~5%的材料成本,那麽,机器每小时可生产80个桶,给予机器合法的工作时间,每天只运作8小时,5天工作制,那麽一年可以生产的桶数量为166,400个,每个桶节省原料仅按照下限3%来计算,就节省了9.984吨的材料,这个成本对於壁厚控制器所需的采购成本而言,是一个非常好的回报,其实,而且,李工说「高重复精度可以保证产品品质一致性, 不良品率低,本身又是一笔节省。」


03 TCO能够反映更为真实的全域成本

对於机器制造商来说,考虑初始的采购成本,但是,对於终端生产企业来说,TCO是更为有效的评估指标,因为:


任何微小的成本都经不起时间的积分;


今天,每kWh的能源节省、每g材料的节省、生产节拍中的每1秒钟、每个人工的节省带来的工时的节省,都会累积为巨大的成本节省。


在很多时候,初始的采购成本在整个机器的生命周期里,占据的成本反倒是最小的,而低端机器所带来的浪费,却是非常巨大的,因此,高性能的机器才能真正为企业带来持续稳定的收益。


做企业,是一项长期的投资工程,因此,高性能机器保障了高投资安全。


贝加莱如何为机器降低TCO?

贝加莱对於TCO的降低,其设计涵盖整个机器的全生命周期的每个环节。


1设计与规划环节的成本点击样式

01 通过精准选型

通常,在机器设计中,工程师会叁考原有的机器选择马达或传动机构的叁数,又为了考虑馀量,设计人员通常会在原有的基础上选择一定的放大系数,这会造成浪费,另一方面,为了获得匹配的动态回应能力,如果这个选择不是基於精确计算,则会造成不必要的返工,因此,必须对整个机械传动链进行基於数位化设计软体的精确选型。


在贝加莱,可以通过MapleSim这样的软体介面,将机械的图纸导入,并通过ServoSoft实现运动控制的精准选型,以获得最优的电机规格,如图3所示,并且这些模拟所获得的叁数也可以与控制任务结合,通过FMU/FMI导入至Automation Studio开发平台中,进行应用内建。



图3 : 通过ServoSoft元件可以实现精准选型
图3 : 通过ServoSoft元件可以实现精准选型

通过马达精准选型,可以确保获得最隹的传动控制性能,以及最小的功耗,而这些都避免在设计阶段,缺乏精准选型造成的过大、过小(造成返工)等损失。


02 建模仿真降低物理测试验证成本

建模仿真,正是为了应对闭环,在机器开发的过程中,对机器的机械传动、控制制程、流程的验证通常需要大量的物理测试,即对材料的消耗,无论对於机器开发,还是对於生产,这笔费用都是用「烧钱」来形容而不过分的,如果可以通过虚拟的环境中进行的测试验证,则可以降低大量的物理机器与材料、工时等的消耗,这包括几个方面:


1.降低物理测试与验证成本:通过虚拟环境下的模拟,可以避免直接的物理测试验证中的材料消耗,并能够获得极限叁数下的生产,挖掘机器潜能;


2.降低安全风险,对一些较难进行的测试,可以低风险实现验证;


3.缩短机器的测试验证时间,可以通过并行工程,在机械设计阶段即可完成控制演算法的验证,缩短机器的开发时间,就可以快速上市获得领先所带来的收益。


在图4中,可以通过Simulink Target for Automation Studio,可以在MATLAB/Simulink中进行建模仿真,并可自动代码生成,获得在各种场景中的最优匹配叁数,以及控制演算法,在基本模型与叁数稳定下,进行少量物理测试即可获得系列化的应用。



图4 : 通过MATLAB/Simulink可以实现控制叁数的虚拟测试验证
图4 : 通过MATLAB/Simulink可以实现控制叁数的虚拟测试验证

2学习环节如何降低成本?

无论工程师学习新的平台用於开发机器,还是机器到了现场需要对操作人员进行培训,传统的集中式的线下培训,都会带来大量的差旅成本,而2020年由於疫情,贝加莱的远端能力得到了充分的发挥,贝加莱快速加强了在「远端培训」与「虚拟实验室」方面的建设,利用无所不在的网路,让大家可以不用差旅劳顿,就可以一起进行学习,项目讨论, 即使对於工业这种系统,必须要「眼见为实」的学习,通过部署在用户端的ETA(L)系统,我们的培训师可以帮助工程师来学习。



图5 : 贝加莱多层级学习与培训系统降低学习成本
图5 : 贝加莱多层级学习与培训系统降低学习成本

虚拟实验室,则可以IndustrialPhysics进行建模仿真,通过这种方式来实现对机器的虚拟测试验证,也可以通过这种方式对机器的培训展开「可视化」的教学,可以通过AR/VR的方式直观的练习对机器的操作,并反??,安全又高效。


它带来哪些成本的降低?

1.人员差旅成本:可以降低工程师的培训成本


2.更为可视化的虚拟实验室,提升了培训效率


3如何在程式设计环节降低成本?

在中国,对「工业软体」的讨论非常热烈,而就本质来说,任何产品、技术,如果它没有经济性的话,那麽,它就没有推广的意义。



图6 : 通过mapp来提升机器开发效率
图6 : 通过mapp来提升机器开发效率

mapp技术是贝加莱为提高机器开发效率,将过去数十年所积累与机器相关的基础设施(档、配方、报警、趋势等)、行业(专业、行业库)、连接(网路与通讯、服务)、机电物件(运动控制、CNC、机器人等)进行了标准化封装,成为可复用的模组,并提供给使用者开发。


工业软体的本质,在於「知识复用」,而知识复用的目的是什麽?

是的,软体复用就是为了降低不必要的「重复劳动」、以及将高值的制程经验与知识进行复用,它有哪些成本可以降低?


??工程师不用频繁的编写代码,通过mapp的模组可以快速「配置」机器的应用。


??工具本身也是「Know-How」,即如何高效开发机器的知识的封装,包括为了复用的软体开发;


??工欲善其事,必先利其器-Automation Studio本身就是一个整合工具,用於降低开发成本,包括其机电故障诊断、模组封装、代码测试、专案管理、版本控制等功能设计。


实际上,这些mapp的开发,较之以往的开发本身就可以降低67%的开发时间,同样,对於每个机器制造商来说,在Automation Studio平台,也可以为自身的应用提供自定义模组封装能力。


4如何在调试环节降低成本?

基於在设计规划阶段的建模,在调试阶段可以通过虚拟调试,提高效率,并降低物理材料浪费;在贝加莱,调试阶段包括了各个层次的调试支援手段,提升调试效率:


1.Automation Studio提供的调试手段:包括I/O模拟、程式模拟、轴测试、傅里叶变换、讯号分析与处理等工具,可以协助更好的理解机器中存在的问题,无论是量测、控制还是机电传动方面的问题,也包括程式本身的便捷调试工具。


2.数位孪生的虚拟调试:通过建构数位孪生物件,如通过IndustrialPhysics,可以对机电物件建模,并通过与Automation Studio的控制逻辑、机电传动交互,可以动态的观测到程式的逻辑、机电传动过程是否达到设计的要求,并进行调整,以获得更优的效果,如图7所示。



图7 : 通过数位孪生实现虚拟调试
图7 : 通过数位孪生实现虚拟调试

3.贝加莱开发的机电产线优化工具:通过自主开发的CTO软体,可以针对SuperTrak进行产线的性能最优规划分析,并提供优化建议,通过可视化的量化指标,为产线内建人员提供智慧的决策支援。


5如何降低运营维护成本?

在生产环节,制造商的运营管理部门更为关注「人、机、料、法、环、测」,这些就包括了更为多样与复杂的现场组合,而事实上,这一切都必须在机器的设计阶段就予以考虑,而不是在现场再调整。


01材料消耗

更为精准的控制,可以带来成本的节省,无论是传动控制还是制程,例如前面所提及的壁厚控制技术,在材料上可以达到3-5%的节省。


02人工消耗

通过机器人、视觉、柔性输送系统的集成,可以在个人化时代,仍然获得人工较低的消耗。


03能源消耗

解决能源消耗的办法有很多种,比如:


1.更好的温度控制演算法


最有效的节能来自於「制程」的节能,在实际中,一个「能用」的温度控制,与一个「好用」的温度控制,对於机器来说,有着很大的差别,一个好用的温度控制,具有极强的自适应力,并能够精准而不浪费的提供能量输出。


2.更好的能源计量


除了有专用的能源计量模组来获得能源数据,以获得精准的「单位产品能耗」计量,能源数据还为生产者提供「可视化」的能源趋势分析,以获得商业BI,进而改进营运效率。


3.更好的设备节能


例如采用更为高速动态回应能力的伺服泵技术、更高功率密度的ACOPOS系列伺服驱动系统、支援能源再生的共直流母线技术,都可以为能源节省获得支撑。


04 数位化技术提升运营效率

今天,工业互联技术,使得这些数据都可以被有效利用,贝加莱提供更为便捷的「数位化」收段,用於设备制造商来提供更为高效的数位化「监测」,以使得整个生产制造过程被「监测」,以实现「能观能控」这样的格局。


数位化的转型,本身是指通过数位化手段来不断反覆运算营运过程,通过可计量、可观测的手段来发现生产营运中的问题。



图8 : IT与OT融合的营运提升意义
图8 : IT与OT融合的营运提升意义

通过数位化互联,可以在多个方面提供成本优化之道:


1.对全域的生产调度优化,带来的最优成本,例如:时间的匹配避免了不必要的浪费,来自一个机器的空转等待的成本,通过发现其中的节拍不匹配,来提升整体协同效率。


2.通过对生产中的故障进行监测,实现预测性维护;


3.发现更优的叁数:通过对运行过程的数位化监测,寻找获得品质的最优叁数,并持续改善;


4.数据透明,以获得沟通的成本下降,数位化的方式,提升了生产中的沟通成本,通过数位化方式,快速发现问题,并推动持续改善。


贝加莱通过OPC UA规范的内建,使得产线可以获得连接,并可实现Pub/Sub机制的数据传输到云端、边缘侧,以实现整体的优化潜力。


如何降低维护成本?

如果系统是稳定的,那麽维护是少的,那麽,高可靠的系统带来了生产的高度一致性,也降低了不良品带来的成本,并通过相应的维护技术来实现整体运营效率的提升。


01预测性维护

预测性维护技术,不仅藉助於机理模型的分析,通过对振动、温度等生产机器叁数的监测来反??故障,也可以通过机器学习(监督、非监督学习、强化学习)手段来获得预测性维护的方式,来代替传统的预防性维护的事後处理机制,进而提升非计划的挎机,也延长机器的寿命,提升投资回报。



图9 : 通过预测性维护降低维护成本
图9 : 通过预测性维护降低维护成本

02 安全的远程诊断技术

基於贝加莱的安全远端维护技术,工程师可以通过IE浏览器,远端对机器的故障进行诊断,并可以进行远端故障诊断、程序升级等动作,这一切都是在安全(Security & Safety)的情况下进行。


整体而言,贝加莱的技术在不同的层面,不同的维度,不同的时间,采用不同的手法,来实现对整个机器从设计规划到最终现场运行的全流程成本优化。


综合以上,我们用表一说明贝加莱的成本解决方案。


表1 贝加莱全流程的成本优化

制造工厂需求

机械制造商需求

贝加莱HW

贝加莱SW

设计与规划阶段的成本降低—MBD基於模型的开发

如何提高生产柔性?

1.降低制程切换时间

2.缩短配置时间

 

 

1.智能控制器

x20系统

APC-工业PC

2.柔性驱电输出系统

ACOPOStrak

SuperTrak

ACOPOS 60

1.基於模型的开发

Simulink Target for AS

MapleSIM B&R Connector Industrial Physics B&R Edition

2.自主开发CTO

通过FMJ/FMI介面连接

如何降低测试验证成本?

  1. 虚拟测试与验证

机器建模仿真

先进控制器

I-MATLAB/Simulink

I-Industrial Physics

I-MapleSIM

I-FMU/FMI介面

学习与培训

如何降低人员学习成本?

  1. 操作

更为简便的机器操作

统一的UI设计

  1. 培训

虚拟实验室

更为简单的HMI设计

ETA(L)学习系统

虚拟实验室Virtual LAB

 

mappVIEW

Industrial Physics虚拟教学

 

 

 

 

程序开发

无缝内建的系统

统一的工具平台

针对所有物理硬体

Automation Studio

 

快速机器应用开发

标准化与模组化的软体

Mapp技术

 

 

 

 

设备调适阶段的成本方案

 

 

 

降低物理材料的消耗

缩短机器的整体调适周期

虚拟调适

并行工程

PLC/PC/Panel PC

FTP Server

Web Server

VNC Server

机械分析

长期的学习

机器具有智能性

Hypervisor

机器学习

 

 

 

 

营运维护阶段的成本要点

 

 

 

降低开机浪费

智能控制算法

ACOPOS伺服驱动系统

 

 

机器具有能源监测能力

能源计量模组

mappEngrgy

 

数位化连接能力

开放的汇流排连接

OPC UA Pub/Sub

 

数据应用

所有控制器

mappDATA

mapp Tweet

mappSQL

降低非计画当机

预测性维护技术

振动感测器与讯号处理

APROL EnMon

 

稳定的机器设计

ACOPOS系统

高?曲线处理能力

降低维护成本

安全远程维护

Sitemanager

SRM-安全远程维护技术

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