转型思考——塑料机械行业的数字化与智能化发展

文:文 / 贝加莱工业自动化(中国)有限公司2023年第三期

  1 从终端用户视角看塑料机械的挑战

  彼得 .德鲁克曾经说:“动荡时代最大的风险不是动荡本身,而是企图以昨天的逻辑来应对动荡”。人们常用 “VUCA”来形容我们所处的时代 -对于制造业同样如此, 经历了改革开放40余年的高速发展,把握着时代的脉搏, 企业从小做大。但是,过去依靠单——产品,以及低价竞 争的低盈利,高周转,在快速变化的时代,使得企业面临 着非常艰难的生存。贸易政策的突变、融资、银行利率、 市场需求的波动等等因素经常会让企业陷入危机之中。中 国制造业必须走“高质量发展”的道路,这就要求不断以 “用户需求为导向”的产品研发,提升企业自身的技术与 运营护城河,以跨界融合提升差异化竞争力,确保在变化中,仍旧可以获得长期的企业高质量发展。而这一切,就 像彼得 .德鲁克所说,  需要改变过往的发展逻辑,  而迈向 新的发展道路。

  当然,对于制造业不变的是“稳定的高品质”产品生 产,而除此之外,用户的需求也变得更为多样—— 而复杂问题,需要化解为简单的细分问题来解决。

  塑料工业作为一个传统领域,随着消费升级,对于 产品的品质、功能性设计也提出了更高的要求。另外,也随着新材料,以及新兴领域如电动汽车、光伏、锂电、燃 料电池、医疗器械等快速成长也面临着新机遇。而塑料机械,必须敏锐把握市场的需求变化,以及横向科技的发展,以跨界融合创新来解决用户问题。

  (1)让机器具有自适应能力?

  对于塑料工业,首要的挑战在于产品越来越多的多样 性需求,这使得设备如何具有自适应能力,才能快速适应 制品的规格变化,以及快速的调整能力,其中包括:

  • 如何开发自适应工艺的机器,实现一机多用?

  • 如何降低新产品生产的开机浪费?

  • 如何让机器更智能,以降低技师经验的依赖?

  • 如何提供自适应能力?

  • 在机器研发中如何去面对材料的变化?

  • 如何快速的机器出厂测试?

  (2)如何赋予机器数字化能力融入到工厂?

  对用户来说,注塑机已然不再是过去的传统单机生 产,它必然会融入到各个制造领域。在不同的工厂,注塑 机需要与其它设备构成协同的产线,  通过机器人/AGV/柔 性输送线连接到其它生产单元。

  这意味着,塑料机械不再独立存在,而必须有快速融 入工厂的网络基础设施、软件接口标准与规范、数据框架 与存储、分析所需的数字化提供能力。

  (3)远程的诊断与互联

  中国的塑机产业在全球有着巨大影响力 —— 这意味 着,  大量远销到全球各地。而这将使得服务变得压力倍 增。如何让设备被以最便捷、又安全的方式连接,并借助 于无所不在的网络资源来快速定位问题,并能够提供程序 的远程修改、上传、下载。这对于用户来说,也是非常有 吸引力,而对于自己也同样大幅降低成本的。

  (4)设备能效

  由于塑料工业都需要大量的加热控制,以及传动所需 的动力,这使得本身的能耗也成为了终端生产企业考量的 关键点。在制品的每个1%的能耗,都会累积出巨大的成 本,而换言之,更好的系统节能设计,则可以为用户带来 额外的“利润回报”,因此,电气控制传动系统的能耗控 制就变得重要。

  (5)材料节省

  塑料工业的生产节拍往往很小,几秒钟就会一个产品 被注射成型,每分钟数百米的薄膜生产,每小时成百上千 个瓶子的生产,即使是1%的材料节省一年都会累积出一 个惊人的数字。

  高端制造业的用户,具有非常强的ROI,以及设备 OEE评价能力。因此,  对于高质量的用户,  他们会给出真 正的评价,一个好的机器究竟能带来的回报是什么?而什 么是值得采购的设备?这往往在一个精密的计算中,并非 是价格越低越好—— 很多时候,价格高只是一个谢绝的理 由,而非真相。

  2 塑料工业的数字化

  (1)基础互联OPC UA | EUROMAP

  数字化首要在于连接,这包含了设备间和设备与生产 管理系统间的连接。贝加莱是最早EUROMAP规范的主要 推动者,也是积极参与者。在贝加莱系统中,嵌入了多种 EUROMAP规范。如EUROMAP  67 -基于信号的物理连 接,而EUROMAP  77则定义了通过OPC  UA标准的注塑 机与机械、上位MES之间的数据交互,包括基于管理壳的 数据交互,  EUROMAP  79则定义了注塑机与机器人的连 接能力。EUROMAP  83则是基本的通用类型的定义,对 于挤出EUROMAP 63/84等规约的满足。

  (2)EUROMAP 79——注塑机与机器人的交互

  在EUROMAP  79中定义了注塑机与机器人如何进行 交互,图3即是一个比较直观的表达来体现注塑机与机器 人之间为了协同工作所需的信息。

  通过满足OPC  UA统一架构的EUROMAP行业规约, 贝加莱可以让用户的机器快速被管理系统访问,通过标准 以太网也可以获得毫秒级的数据连接能力。

  (3)设备到工厂的数字化应用能力

  在贝加莱的mapp软件模块中,为机器融入工厂提供了众多的数字化能力。

  • mappSQL -用于支持开放的数据库查询;

  • mappVIEW;更易于理解的机器操作与用户管理;

  • mappData -让数据被有效的访问;

  • mappBackup -数据备份;

  •  mappAudit- 审计追踪,例如满足制药行业所需的 21CFR Part11;

  •  mappRecipe -配方的管理,并可通过OPC  UA与 MES/ERP的工艺参数下发匹配;

  •  mappUser-管理用户的权限和访问,并可以为不 同人员提供管理权限的不同(如操作员、工程师、电气工 程师、工艺工程师、工厂经理);

  • mappReport-可生成被办公系统访问的数据报告。

  (4)安全的远程诊断与维护技术

  设备数字化的另一个基本能力则是远程的诊断与维护 技术,贝加莱通过安装于本地的Link  Manager经由在云 端架构的服务器(GateManager),可以连接现场的机 器(SiteManager),如图5所示。

  其实,我们可以通过各种云(如阿里云、华为云、亚 马逊、微软Azure等)  来进行远程的数据访问—— 建立安 全的连接通道,这确保数据与程序的安全。

  3 塑料机械智能化的实现

  不仅在塑料工业,其实,每个产业都会存在这样的迫 切诉求,即,机器如何能够具有自我的判断力,根据生产来降低应用。

  (1)智能称重与配料系统

  对于挤出、注塑等众多领域,称重系统需要在材料成 本与品质间进行平衡,而更为智能的系统,能够高速响应工艺制程的材料所需。贝加莱称重算法针对多种模式(称 重,失重和混合模式)等多种场景。

  智能算法,能够为不同的制造规格提供自适应的称重参数匹配,快速实现称重的精准、高效。

  (2)智能开合模

  对于开合模来说,它的复杂性在于如何让机器根据 产品的变化,能够形成不同的开合模运动控制曲线的设定 与精准执行。而另一方面,随着产品的复杂性,以及机器本身的液压、机电传动的结构变化,这使得它变得比较复 杂,往往需要由经验丰富的师傅来进行配置,而这又使得 它依赖于人的经验,而带来不确定性,尤其对于批量小, 不良品率放大会影响产品的成本。

  贝加莱的控制系统,具有算法设计能力,不仅是基于 高级语言的算法设计能力,也可以基于学习模式来进行参 数学习,通过对多次的师傅的经验学习,机器可以获得自 己的最佳参数收敛,并且,它是一个不断迭代的系统。

  在硬件上 ,它依 赖于 高性能 计算 的P a nel  P C 的 Hypervisor能力,可以运行Windows/Linux系统,在软件上可以通过C/C++或通过exOS来实现Linux下训练模 型与机器的交互。

  (3)预测性维护技术

  贝加莱的智能故障诊断系统,可以用于重值设 备的故障预测。通过预测性维护,可以实现以下功能:

  • 在机器组装阶段对安装进行分析;

  • 对机器的故障进行早期定位;

  • 延长设备的综合使用寿命;

  • 降低用户非计划“宕机”带来的损害。

  (4)智能温控中蕴含的节能力量

  在贝加莱的工艺闭环控制模块中mappTemprature不 仅可以确保良好的温度斜坡跟踪,快速的温度调节能力, 在节能方面,也同样具有非常巧妙的设计。

  贝加莱的mappTemperature温控功能可以实现以下 节能效果:

  • 降低输入端波动带来不必要的调节,实现节能;

  • 解耦算法消除多温区干扰,达到有效节能;

  • 精准温度轨迹控制,保证品质与节能效果;

  • 前馈提升响应速度并提高能源效率;

  • 合理的加热/冷却匹配策略,消除内耗。


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