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变革的面貌 自动化如何帮助制造商有效对抗C OVID-1 9
来源: 亚洲控制工程网作者: 亚洲控制工程网时间:2020-07-03 16:53:19点击:392

世界在短短几个月内发生了巨变。我们看到亚洲和欧洲相继从乐观心态转变为恐惧与焦虑。


在美国,人们看着海外国家与最终成为全球流行病的疾病作斗争,然后怀着极大恐惧等待着冠状病毒的到来。制造商竞相推迟正常生产以保证工人的安全,与此同时许多制造商抓住机遇,生产急需的装备和个人防护设备(PPE)。


为了防止冠状病毒感染人数急剧增加而导致捷克医疗系统崩溃,由捷克布拉格捷克技术大学生物医学工程系成员Karel Roubík教授领导的非常规呼吸小组(NVT)研制出一种经济有效的CoroVent呼吸机样机。


“时间紧迫,我们必须在几天,最多一两周内交付可用的设备,”Beckhoff捷克子公司总经理Tomáš Halva解释道,他强调了该项目的紧迫性,这也得到了包括众筹在内的许多渠道的支持。“真正特别的是只用了一周就做出了样机进行测试。”


开发小组由来自不同公司和大学的约15名专家组成,由Roubík及其同事通过私人关系和互联网选出。Halva解释说:“我认识其中一位发起人,我看到他在Facebook发布的相关帖子,然后立即给他打电话,问他Beckhoff能帮什么忙。”“毕竟这个项目将帮助许多人,可能挽救许多生命。此外,Roubík是捷克呼吸机领域的顶尖专家,过去曾成功开发出用于多种应用的这类设备。”


Halva说,这一切都是为了汇集医疗、电气和气动系统的专业人才,然后齐心协力开发呼吸机。“该呼吸机是专门为治疗冠状病毒感染患者而设计的,并不是所有呼吸机都适合。此外,将呼吸机的功能限制在治疗冠状病毒所必需的范围内,加上专家们提供的免费开发服务,这些因素大大降低了设备成本。”


Beckhoff在团队中负责控制系统,以确保设备操作非常简单,这样未经培训的人员也能使用。“作为对项目的免费支持,我们用一个周末设计了控制系统并编写了控制程序,包括可视化功能,”Halva解释道。“特别感谢我的两位同事Matúš Adamec和Zdenek Kosour,他们都是伟大的应用工程师和程序员。”


汽车行业的加入

3月下旬,通用汽车与位于密歇根州奥本山的JR Automation子公司Esys Automation(www. esysautomation.com) 接洽,协力生产口罩以抗击COVID-19爆发。该项目成果显著,建立了一条能每天生产50000个口罩的完整装配线,通用汽车需要在不到一周的时间内运行这些设备(图1)。

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口罩计划

图1:该项目成果显著,建立了一条能每天生产50000个口罩的完整装配线,通用汽车需要在不到一周的时间内运行这些设备。


日立全资子公司Esys和JR Automation的领导团队分析了该项目,并制定了下一步计划。该团队在几天内评估了通用汽车的要求,然后根据现有零件制定计划,立刻开始生产。


第二天JR Automation与多个部门协作实施该计划,而通用汽车则迅速准备其位于密歇根州沃伦的洁净室。


位于纳什维尔和荷兰的JR Automation工程建造团队为Esys Automation提供了这类系统的专业输入和共享技术。JR的内部加工和制造部门设计并制造了特制机械来组装口罩。在整个JR Automation体系中,控制与机械工程团队与供应链团队密切合作以确保所有部件的安全性,尽管许多供应链因此次危机而中断。Esys Automation的建造团队昼夜不停地组装部件,将第一台设备交付给通用汽车,随后通用汽车利用在6天内建成的JR Automation生产线生产出了应对COVID-19危机的第一个口罩。


此时的美国

福特与通用电气医疗集团合作,利用Airon的FDA认证呼吸机的设计在密歇根州进行生产。在美国汽车工人联合会以及福特和通用电气医疗的全力支持下,通用电气/Airon A-E型呼吸机于4月20日在福特位于密歇根州伊普西兰蒂的Rawsonville零部件厂开始生产。


福特预计将在100天内生产5万台此种呼吸机,此后每月可根据需要生产3万台。


福特能为快速规模化生产提供制造能力,通用电气医疗可以提供临床专业知识,并将从Airon(一家专门从事高科技气动生命支持产品的小型私人控股企业)获得呼吸机设计授权。通用电气医疗让福特关注到Airon的设计,两大公司借助此举迅速扩大呼吸机生产规模以帮助临床医生治疗COVID-19患者。


通用电气/Airon A-E型呼吸机采用无需电力即可在气压下工作的设计,满足了大多数COVID-19患者的需求。可以迅速扩大其产量,从而满足美国不断增长的需求。


“借助创造性与不懈努力,福特和通用电气医疗团队找到了一种方法来快速量产此种至关重要的呼吸机,”福特总裁兼首席执行官Jim Hackett说。“通过与美国汽车工人联合会的紧密合作,我们在密歇根州生产此种呼吸机,它们能帮助医护人员拯救生命,这是我们的首要任务。”


福特最初派出一个团队与Airon合作以提高佛罗里达州的产量,同时在其密歇根州的工厂开始生产。福特预计到5月底生产12000台,到7月4日生产50000台(图2)。


福特的工厂将几乎日夜不间断地生产此种呼吸机,由500名美国汽车工人联合会选出的有偿志愿者采用三班倒进行生产。目前位于佛罗里达州墨尔本的Airon工厂每天生产三台Airon pNeuton A型呼吸机。全面投产后,福特计划每周生产7200台Airon授权的A-E型呼吸机。


逆境中的变革

变革从来都不易,快速转换生产类别和生产能力并不是一件易事。根据范围和规模的不同,需要考虑各种因素,特别是技术方面。


“如果你想将机器、生产线或设备从生产一种产品转换成另一种完全不同的产品,那么需要考虑与控制和自动化相关的多个方面,”Outbound Technologies公司(www.outboundtech.com)密歇根州新哈德逊办公室总经理Chris Tury, Jr.说,该公司是控制系统集成商协会(CSIA, www.controlsys.org)成员。“我们一直在重新调整用途和进行改造工作,但通常是针对同一类型的不同产品,或者至少是同一行业内的不同产品。”


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图2:福特预计将在100天内生产5万台此种呼吸机,此后每月可根据需要生产3万台。

提高产能


Tury解释说,例如一台能压印出汽车门板的机器可能会多次调整用途,但这是为了生产不同类型的门板而对其进行改动。这确实充满挑战,但并不是做无用功。


Tury接着说:“例如,把为住宅墙板烤漆的机器换成烤面包的装置就必须考虑新的因素。”“监管要求和标准是关键。医疗器械组装等行业必须遵守严格的验证标准。有些工序需要减少污染控制,而另一些工序则不需要。有时我们还必须跟踪、记录和报告这些监管要求。现代自动化系统就是为此而设计的,因此应当予以考虑。”


Tury解释说,环境条件在自动化和控制系统的运行方面起着重要作用。“某些生产设定会导致设施产生相关副产品,如空气中的油、电机谐波和环境照明变化。这些条件会影响自动化系统的效率与性能。例如,用于质量控制的工业视觉系统经过测试和验证可在特定条件下运行。如果改变这些条件,则必须重新进行定位和性能验证。”


我们在新闻中看到的大多数工厂正在将其设施中未使用的角落改造成手动生产呼吸机的场所,B&R Industrial Automation(www.br-automation.com)市场总监John Kowal解释说。“我不认为这是产品切换,甚至不算是对现有机器的重新配置,”他说。“这看起来几乎是手工操作,虽然也有一些固定装置,但并不是一个高产的自动化环境。我的一位同事指出,毕竟几个月后呼吸机产量将过剩,工厂会恢复生产现有产品或新产品,这才是公司的核心事业。因此当你实现自动化流程时,生产线也该关闭了。”


Kowal解释说,采用自适应机器的设施可以考虑用适当的自动化设备重新配置装配单元,但我们仍处于自适应机器的采用阶段。“我们看到了针对特定机器的自适应技术,能实现零切换时间或调整批量尺寸,”他说。“下一步是通过轨道互连的集成生产线。但目前这不会安装在汽车工厂里。”


Kowal在汽车零部件制造业(比如电路、转向总成、交流发电机等)中见过的大部分自动化系统都是在专用的定制机器上运行,这些机器不适用于低容量、短程的呼吸机装配。他表示:“或许将非汽车机电产品的手动装配线重新配置成呼吸机生产线更为可行,比如小家电、空气流通风扇或轮胎充气机等。”


输送货物

“亨利·福特是否预见到了工业在自动化生产线概念方面所能达到的复杂程度呢?这一概念使福特的制造业发生了革命性变化“C3Controls(www.c3controls. com)业务开发经理Bill Romick问道。“世界大战、冷战、太空竞赛、技术竞赛和世界灾难有时需要工厂的产能作为重要支点。”


Romick说,在每一座大型工厂中,电动输送机都象征着无处不在的自动化技术。将汽车工厂这种规模的设施从生产预期产品转换为呼吸机之类的设备仍需要一套物料处理系统,他解释道。“工厂可以选择改造现有系统和部件或者购买新设备。如果输送机、无人驾驶车辆、包装和码垛设备是自动化的,则需要适当的断开开关、电机控制、切断装置、电路保护、安全联锁、紧急停止装置和指示灯。”


工厂楼层平面图必须遵守规定,指定电源位置、电机断开和紧急停止装置。Romick解释说:“简化生产线转换过程的可选方案包括现成的封闭式断开开关或封闭式紧急停止开关。”“其他现成组件包括封闭式电动机保护断路器和封闭式直接在线起动器。封闭式直接在线起动器包括电动机控制接触器和过载继电器;或电动机保护断路器以及接触器。必须考虑电气/电机断路开关的上锁/挂牌功能。”


Newark(www.newark.com)高级产品经理Daniel Weiss表示,要重组工厂以生产或组装不同类型的产品,既可以简单地对可编程逻辑控制器进行重新编程,也可以复杂地建造一条全新生产线。


他解释说:“需要对系统的当前状态进行详细分析,同时改进给定用例和系统的不同涉众的需求。”“改装的概念通常是指局部替换现有系统的子部件,例如用新的、更节能、更小的电机替换大型电机。如果重新编程不起作用,另一个办法是将旧计算机和可编程逻辑控制器换成更快的处理单元。”


Weiss指出,由于汽车工厂每年都在更新换代,因此将设备升级到最新行业标准最可能发生在最近一次的升级换代过程中。“然而,由于设备大小的区别,生产线本身会有所不同,”他解释说。“生产规模的变化要求工厂加强对生产过程中拣选和分类操作的检查。其目的是确保业务的效率、连通性和盈利能力。”


提前计划

西门子数字工业软件公司(www.siemens.com)数字企业业务发展总监Tom Hoffman说:“重新编程、重新布线和测试需要很长时间,生产时间太长,所以无法发挥作用。”“如果只能从产品文档开始,那么最好的办法是利用现有工厂提供的训练有素的生产人员构建一条手动生产线。自动化发挥重要作用的地方是最终测试区域。通过发布工作说明文档、记录测试值和存储测试数据以供设备设计师或FDA评估,自动化可以对最终测试排序,以确保刚生产的产品达到可使用要求。”


贝克霍夫自动化公司(www.beckhoff.com)美国机电产品经理Jeff Johnson表示,将一条生产线或工厂转变为生产医疗设备、呼吸机或个人防护设备(PPE)并非易事,因此需要一种全员共同参与的解决方案。他说:“对于机械制造商来说,灵活、模块化、基于PC的自动化技术降低了控制平台遭遇巨大变化时的复杂性。”


Johnson解释说,自动化软件让工程师能利用自己最熟悉或最适合的语言进行编程,无论是IEC 61131-3的面向对象扩展、功能块还是计算机科学标准。


Johnson说,从机械角度来看,伺服系统和线性传输系统等灵活运动控制部件能让不同产品类型和尺寸间的转换变得更加顺畅。他解释说:“在特定情况下,协作能力和灵活性是关键,因此对可扩展和模块化技术进行标准化是实现团队融合的有效方式。”


合规与产业反思

“虽然所有公司都在关注质量和过程控制,但是从普通小部件切换到COVID-19相关产品(如呼吸机、消毒剂或PPE产品)时,合规性要求将大大提高,”Todd Mason-Darnell博士,欧姆龙自动化美洲公司(automation.omron.com)服务与安全营销经理。“以此前生产的产品为基础,工厂可能需要增加跟踪所有制造工艺的能力。”


他警告说,工厂需要在整个循环中标记和跟踪单个部件和组件。“条形码可以应用于制造物品,”Mason-Darnell解释说。“条形码阅读器可用于跟踪生产设施内的材料,并提高整个供应链的库存可见性。”


IIoT集团(www.advantech. com)首席技术官兼IIoT解决方案总监Mike Fahrion说,制造业在过去30年里的重点是学习如何生产产品,然后想尽一切办法降低成本。他提醒道:“我们在密切关注成本、质量和生产率指标的同时实现了自动化、外包和供应链整合。“如今我们突然深陷困境,这些指标被复原能力和灵活性所击败。不幸的是我们认识到过去几十年的低成本策略已经对复原能力和灵活性产生了负面影响。”


Fahrion预测,当我们从COVID-19疫情中恢复后,行业会重新评估关键绩效指标,并把应对市场需求快速变化时的检测和响应能力纳入绩效指标。


风险与挑战

转换过程中未能妥善解决的问题会给制造过程带来风险,并可能导致更长的启动周期、更多的不合格产品和机器故障。此外,制造商必须认识到新工艺对设备故障的影响,以及制造新产品的劳动力的有限知识储备。通用电气数字集团(www.ge.com/digital)数字产品管理总监Ranbir Saini警告说:“这两个因素都会减缓生产速度,增加不合格产品,导致运营商成本和安全隐患的增加。”


“生产酒精、消毒剂等液体时,公司需要一个可重复配方用于批量生产,”Saini解释说。“由于无需修改可编程逻辑控制器代码,所以批处理执行管理软件可以实现配方的调度与执行,以及批处理的快速排序。制造商利用模型系统能轻松制作并部署配方,以便在特定类型的任意设备上运行,同时拥有更高灵活性。”


最初,转换过程等同于非生产时间和花费在清洁、调整和验证机器设置上的许多工时,Saini指出。“制造业成功的关键是利用强大的软件解决方案来维持灵活的生产环境,确保所有流程都在快速运行,从而满足当前不断变化的需求。”


进行工厂改造时需要考虑许多重大挑战,但Allied Electronics and Automation公司(www.alliedelec.com)高级解决方案与技术支持主管Jim Davis认为有三方面可以说明整个过程。一是工厂的实际布局。例如,如果你一直生产2吨重、12英尺长的汽车,而现在需要生产尺寸小得多的呼吸机,那么需要克服一些挑战。除了物理尺寸问题,在构建过程中你还会面临所使用的工作站、传感器等电气系统带来的挑战。最后,你需要全新的控制程序来处理新的生产任务。


Davis解释说:“为了提升现有厂房的生产效率,你需要找到利用已安装的运输和材料管理系统的方法。”“可以使用适合当前系统和新部件的夹具来完成。虽然制造夹具和适配器会产生一些成本,但这也有助于降低其他成本。使用已安装设备的第二大优点是当恢复正常生产时,以前的物理设置大多仍处于过渡前的位置。”


如果一个采用装配线的生产设施想维持生产效率,那么必须解决电气基础设施这一挑战。Davis解释说:“利用现有工作站可以给新工具使用相同电源,并且不需要改变建筑物的照明。”“尽量使用正常生产中的相同传感器及其他现场设备也有助于缩短过渡时间并降低成本。”


Davis指出控制系统是一个主要障碍;制造商们已经花了几十年时间完善生产计划。“请记住,研发可编程逻辑控制器和分布式控制系统时考虑了保持其灵活性。你可以将代码存储在远离控制器的地方,这样在需要恢复正常生产时,这一过程将非常简单,”他说。“为临时性新产品更改生产控制时,不需要从零开始。”

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