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如何看待制造成本-微小的成本都经不起时间的积分

作者:www.cechina.cn2021.03.16阅读 260

  曲线的差异影响设备的寿命
  有一次,贝加莱的技术专家陈工被机器制造商邀请,一同去终端工厂参观,那是一个电子产品工厂参观,经过一台注塑机的时候,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,更换其中的丝杠,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,其对于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,后来这个机器制造商因此也选用了贝加莱的系统,作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,也包括工艺、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,对于工厂而言,不难计算其成本影响多大。
  制造企业更关注长期运营成本
  全球领先的制造企业,他们经历数十年乃至上百年的运营,在如何评估产线投资方面积累了丰富的经验,他们具有非常强的成本核算能力,他们并非是因为“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,而是更为全局的看待成本。
  对于工业装备的采购而言,它是一个复杂、专业的过程,其用户决策往往关乎企业未来的盈利,尤其对于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运营中的成本,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字,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.电子行业为什么具有超强的成本评估能力?
  在各个行业中,电子及半导体、汽车工业本身对于TCO的计算能力非常强,这是由这类行业本身的“大规模定制化”制造的特性决定的,因为在这些领域,每1%的质量提升、1%的能耗节省,对于制造而言,其累计的成本节省都将是巨大的数字。
  TCO(Total Cost of ownership)或者也有称为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,用于评估产线的综合成本,在VDMA的SEMI 10规约中,定义了针对光伏、硅基相关电子半导体制造的TCO计算指南。

  图1-VDMA-SEMI-E10规约

  图2-VDMA-SEMI-E10指南

  图2则是VDMA SEMI对于设备的综合使用能力的评估,其与OEE有较多重合的计算,当然也会包含了工程时间(工艺、装备与软件工程)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。
  02.TCO是终端生产企业的核心关注点
  对于机器制造商而言,必须满足终端制造企业的需求,他们对于成本的综合考量,而非仅仅是机器的价格—如果机器的价格的话,因为如果仅仅考虑价格的话,那些高端设备是没有市场的,因为,他们赢得市场靠综合成本,以及客户价值的创造。
  为什么发展自动化、智能化?因为,他们关乎设备的质量、成本与交付能力,机器从最初的手动控制到基于继电器逻辑的控制、PLC可编程逻辑控制,到今天基于智能控制器的控制,它都是为了解决质量、成本与交付问题,我们用伺服系统的工作任务来举例:
  (1)运行成本才是最大的成本
  一个伺服电机,在其生命周期中,其最大的成本来自于电能的消耗,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)低质量的产品就是成本
  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,保证了产品质量的一致性,而人们采用自动化系统,不就是为了提供质量一致性吗?
  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,他对于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,对于一个桶装水的塑料桶生产过程,大概需要45S,而每个桶容积为5加仑的话,需要达到2kG的塑料颗粒,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,那么,机器每小时可生产80个桶,咱们给机器合法的工作时间,每天只干8小时,5天工作制,那么,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,就是9.984吨的材料节省,这个成本对于壁厚控制器所需的采购成本而言控制工程网版权所有,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质量一致性,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局成本
  对于机器制造商来说,考虑初始的采购成本,但是,对于终端生产企业来说,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。
  贝加莱如何为您的机器降低TCO?
  贝加莱,作为自动化领域综合解决方案提供商控制工程网版权所有,一直致力于为用户提供具有竞争力的解决方案,而对于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
  1.1通过精准选型
  通常,在机器设计中,工程师会参考原有的机器选择电机或传动机构的参数,又为了考虑余量,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响应能力,如果这个选择不是基于精确计算,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于数字化设计软件的精确选型。
  在贝加莱,可以通过MapleSim这样的软件接口,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,这些仿真所获得的参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,进行应用集成。

  图3-通过ServoSoft组件可以实现精准选型

  通过电机精准选型,可以确保获得最佳的传动控制性能,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。
  1.2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、控制工艺、流程的验证通常需要大量的物理测试,即对材料的消耗,无论对于机器开发,还是对于生产,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:通过虚拟环境下的仿真,可以避免直接的物理测试验证中的材料消耗,并能够获得极限参数下的生产,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;

  图4-通过MATLAB/Simulink可以实现控制参数的虚拟测试验证

  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参数,以及控制算法,在基本模型与参数稳定下,进行少量物理测试即可获得系列化的应用。
  2、学习环节如何降低成本?
  无论工程师学习新的平台用于开发机器,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年由于疫情www.cechina.cn,原本贝加莱拥有的远程能力得到了充分的发挥,贝加莱快速加强了在“远程培训”与“虚拟实验室”方面的建设,利用无所不在的网络,让大家可以不用差旅劳顿,就可以一起进行学习,项目讨论,即使对于工业这种系统,必须要“眼见为实”的学习,通过部署在客户端的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

  虚拟实验室,则可以基于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,并反馈,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、如何在编程环节降低成本
  今天,在中国,我们对“工业软件”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,那么,它就没有推广的意义。

  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(文件、配方、报警、趋势等)、行业(专业、行业库)、连接(网络与通信、服务)、机电对象(运动控制、CNC、机器人等)进行了标准化封装,成为可复用的模块,并提供给用户开发。
  工业软件的本质,在于“知识复用”,而知识复用的目的是什么?
  是的,软件复用就是为了降低不必要的“重复劳动”、以及将高值的工艺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的模块可以快速“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,包括为了复用的软件开发;
  ●工欲善其事,必先利其器-Automation Studio本身就是一个集成工具,用于降低开发成本,包括其机电故障诊断、模块封装、代码测试、项目管理、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,对于每个机器制造商来说,在Automation Studio平台控制工程网版权所有,也可以为自身的应用提供自定义模块封装能力。
  4、如何在调试环节降低成本?
  基于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持手段,提升调试效率:
  (1).Automation Studio提供的调试手段:包括I/O仿真、程序仿真、轴测试、傅里叶变换、信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,无论是测量、控制还是机电传动方面的问题,也包括程序本身的便捷调试工具。

  图7-通过数字孪生实现虚拟调试

  (2).数字孪生的虚拟调试:通过构建数字孪生对象,如通过IndustrialPhysics,可以对机电对象建模,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序的逻辑、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。
  (3).贝加莱开发的机电产线优化工具:通过自主开发的CTO软件,可以针对SuperTrak进行产线的性能最优规划分析,并给出优化建议,通过可视化的量化指标,为产线集成人员提供智能的决策支持。
  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。
  5.1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工艺,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。
  5.2人工消耗:通过机器人、视觉、柔性输送系统的集成,可以在个性化时代,仍然获得人工较低的消耗。

  5.3能源消耗
  解决能源消耗的办法有很多种,比如:
  (1)更好的温度控制算法:
  最有效的节能来自于“工艺”的节能,在实际中,一个“能用”的温度控制www.cechina.cn,与一个“好用”的温度控制www.cechina.cn,对于机器来说,有着很大的差别,一个好用的温度控制www.cechina.cn,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块来获得能源数据,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,进而改进运营效率。
  (3)更好的设备节能:例如采用更为高速动态响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、支持能源再生的共直流母线技术,都可以为能源节省获得支撑。
  5.4数字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,贝加莱提供了更为便捷的“数字化”收段,用于设备制造商来提供更为高效的数字化“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。
  数字化的转型,本身是指通过数字化手段来不断迭代运营过程,通过可计量、可观测的手段来发现生产运营中的问题。

  图8-IT与OT融合的运营提升意义

  通过数字化互联,可以在多个方面提供成本优化之道:
  (1).对全局的生产调度优化,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).发现更优的参数:通过对运行过程的数字化监测,寻找获得质量的最优参数,并持续改善;
  (4).数据透明,以获得沟通的成本下降,数字化的方式,提升了生产中的沟通成本,通过数字化方式,快速发现问题,并推动持续改善。
  贝加莱通过OPC UA规范的集成,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,那么维护是少的,那么,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,不仅借助于机理模型的分析,通过对振动、温度等生产机器参数的监测来反馈故障,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后处理机制,进而提升非计划的宕机,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

  02安全的远程诊断技术
  基于贝加莱的安全远程维护技术,工程师可以通过IE浏览器,远程对机器的故障进行诊断,并可以进行远程故障诊断、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。
  综上,我们可以用一表来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


  在3月17日~19日,贝加莱将参加慕尼黑电子展,欢迎莅临贝加莱展台,与我们的专业团队共同探讨您的机器与产线效率提升之道。


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