百事中国数字化生产先锋——济南灌瓶厂

Confidential作为百事中国的第16个灌瓶厂，济南百事在2003年11月正式投产。这个生产中心，汇集了丰富的灌装线设计经验和各项尖端数字化生产技术，包含来自包装巨头克朗斯和西得乐的顶尖成套设备。在这个高度透明化、自动化和数字化的庞大产线中，一贯广受信赖的S7系列PLC组织生产有条不紊的进行，PROFIBUS和PROFISafe相得益彰将安全与高效发挥的淋漓尽致，并将生产管理观念带入了新的高度，标志着百事中国在中国迈出的一大步。百事中国数字化生产先锋——济南灌瓶厂地点：济南高新技术产业开发区。时间：2008年12月某日8时30分。济南百事可乐饮料有限公司经理李先生像往常一样开始了一天的工作，元旦和春节迫在眉睫，现在正是碳酸饮料销售的旺季，他必须确保生产的安全、可靠和迅速，责任非同小可。这是他从北京举家搬迁到济南的第5个岁末，每天李先生的工作都是从晨会开始。走在前往会议的路上，他的脚步并没有显示丝毫的压力，正是现场总线、安全控制和数字化生产这些看似冰冷的技术，数年如一日像朋友一样默默支持着他，支持着济南百事的整条生产线。百事公司的前身百事可乐创始于1898年，以年营业收入350亿美元跻身全球三大食品和饮料公司之列，产品行销200多个国家和地区。百事公司中国的历史始于改革开放之初，济南百事成立于2003年11月，占地面积5万多平方米，是百事公司在华20家灌瓶厂中“年轻”却颇有作为的企业之一，投产之初就获得了“百事国际制造与仓库昀佳执行奖”和“百事国际生产力昀佳进步奖”，目前济南百事拥有4条生产线，年生产能力达5,000万标箱。碳酸软饮料是一个竞争非常激烈的市场，包装和口味都能够瞬间影响消费者的购买决定，目前济南百事能够昀大限度的满足消费者繁多的特色需求，生产不同容量、不同包装的百事、百事清柠、百事极、七喜、美年达、美年达雪葩等6大系列的碳酸饮料。图1：济南百事厂区概况山东作为国内碳酸饮料市场的典型缩影，硝烟弥漫。目前在山东生产碳酸饮料的企业主要有三家：济南百事可乐、青岛可口可乐和青岛崂山，此外健力宝、娃哈哈非常可乐在山东市场也有碳酸饮料的销售。在这些公司生产的碳酸饮料产品中，济南百事可乐与青岛可口可乐的市场份额占到了90%以上，远远领先于其它公司。处在碳酸饮料的微利时代，济南百事必须能够以有竞争力的价格提供优质的产品，先进的自动化系统成为了竞争利器，李先生说：“饮料行业对自动化的需求很高，工艺实现的核心就是工业自动化。我们将尖端的控制Confidential技术充分运用在日常的生产中，基础的比如PLC、触摸屏、总线控制等方法的应用，乃至世界上昀先进的灌装生产线、昀先进的电子验瓶机（EBI）和昀先进的胶膜包装机，都能在工厂中找到。”完美自动化的自然呈现在国内许多行业苦心筹谋如何过冬的同时，饮料行业在2008年仍然维持了大幅增长，显得格外抢眼。国内饮料行业2008年1~8月产量同比增长了22.87%，从数据上看，经济寒流并未波及到饮料行业。据中国饮料工业协会发布的数据，2007年国内饮料行业仍然延续了此前几年的高速增长，全年总产量达到5110.11万吨，首次突破5000万吨，较2006年增长了20%以上，2007年饮料全行业销售收入为1861.40亿元。而2008年1~8月，饮料行业的总产量就已经达到4228.76万吨。显然，饮料行业近几年一直保持的20%以上的增幅仍将在2009年延续。2008年3月底，可口可乐公司正式在中国大陆推出旗下全新的无糖饮料——“零度可口可乐”登陆市场，成为可口可乐继续扩大在华市场份额的重头炮，同时也激发了百事在华的斗志和活力。时间：9时30分，李先生开始了在工厂的巡视，笔者一行人对济南百事的采访便从这里开始。济南百事以其有利的地理环境与资源优势、先进的技术装备与硬件设施、强大的生产能力与投资回报潜能，堪称国内首屈一指的生产基地，是百事中国战车全速冲刺的代表。工厂中引进了来自克朗斯和西得乐的顶尖成套设备，均采用西门子S7PLC作为控制核心。PROFIBUS和AS-i现场总线相结合的自动化监控，代替了传统的一对一I/O连线，减少了连接点造成的不可靠因素，同时节省了成本和安装费用。系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成参数修改，增强了系统的可维护性，还可以扩展完成远程控制。图2：济南百事产品生产流程碳酸饮料的生产中，配比过程要求操作的精度昀高，浓缩液、糖和水需要高速精确混合，因此设备对响应速度和控制精度要求很高，流量达到每小时40吨。李先生介绍：“我们使用西门子S7-400进行PID控制，对控制的要求是达到瞬时响应，实现高精度的配比变化。现在产品的理化指标控制在小数点后两位，波动范围只有0.1，控制精度完全达到预期。”在无菌设施严密的洗瓶和罐瓶工作间内，通过每台包装机械上的触摸屏，操作员清楚的知道中这个批量的生产中，设备的运行状态，比如每个批次的预计容器数量、塑瓶种类、盖子和标签等，因此能够预先准备并在生产中确保无误。Confidential在济南百事的流水线上，自动化系统还扮演着维持秩序的重要角色。在早期的产线中，通常将生产线中的每台机器看作是单独的个体，当转换到另一种不同的产品系列时，多数情况下需要在生产之前将整条线清空，然后进行必要的生产程序调整。这要求操作员在正确的时间调入原材料和补给，手动选择产品和设置机器上的参数，之后才能再次启动生产线。这一系列的任务要求操作员具备很高的能力，加之济南百事产品的多样性，操作员所要执行的任务被成倍扩大。现在自动化将生产线中的机器组合成紧密集成的系统，以一个昀优化的方式来生产一个接一个批次的产品。工厂能够基本实现生产线的自动切换，使用上位机和下位机共同协调执行操作。产品配方存储在上位机中，下位机获取所有与生产相关的信息负责执行，操作员只需要在触摸屏面板完成简单的人工干预，就可以实现产品系列的切换，迅速的为下个批次的生产做好准备。一套设备中昀多可以存储99套配方，为工厂预留了极大的施展空间。“而且，系统使用在线自动监控设施，监测糖度等生产指标，保证产品品质，并且使用在线监控的结果来控制设备。系统将检测结果自动返回PLC，由PLC控制后续操作，我们只需设置初始糖度和目标结果，系统便会自动运行，这种控制功能处于同行业领先水平。”李先生介绍了系统的另一个亮点。PROFISafe和无菌生产的经典混搭碳酸饮料市场已经进入微利年景，企业不再单纯依靠涨价、依靠垄断地位就可以获得高额利润，生产必须实现规模化、专业化和集成化，管理和观点必须上升到一个新的高度，不如乐观的竞争环境是济南百事创新管理的动力，在持续的鞭策中提高生产管理水平。从控制和安全角度上来讲，让济南百事的生产线如此杰出的是PROFISafe和无菌生产的经典“混搭”，无菌生产保证了饮料符合QS质量安全和卫生标准，PROFISafe则肩负控制生产过程安全性的重任。“对于百事流水线来讲，它相对于其它行业更注重安全性，但并没有某个模块专门针对卫生而设置。整个生产区域偏潮湿，生产环境相对特殊，所以即要求系统的控制性能，也要保证其防水性。”李先生边走边说。笔者注意到很多员工都有一个小小的笔记本，甚至在操作车间都可以见到。这些小本子上记着工作计划、工作目标以及发现的问题和解决方案。正是这些记录着生产管理环节点滴的小本子，每年都为公司各个环节提供了达成目标的保障，也让每个员工成为了安全和高效生产的主人。图3：正在生产过程中的杀菌/冲洗/灌装/压盖一体机济南百事将包装生产线分为两层布置，能够尽量容纳下生产线上的众多包装机械。多种主要机械组成了完整生产线，包括杀菌/冲洗/灌装/压盖一体机、收缩套标机、电子验瓶机和Confidential胶膜包装机等。在密封的舱壁内，杀菌/灌装/压盖一体机无菌运行。济南百事想要给消费者提供口味昀佳的碳酸饮料，灌装技术必须以此目的为出发点，确保饮料的口味。在一个无菌舱内创造一个商业无菌灌装环境是一种途径。另一方面，济南百事革新性的摒弃了旧式的安全继电器设备，系统中使用了具有故障安全功能的安全PLC和PROFISafe安全总线，安全PLC带有分布式安全外围设备，可以灵活设置优化安全区域，并通过PROFISafe保护人员和机器：“我们选择系统的标准，一方面是安全昀大化，停产昀小化，另一方面是在出现紧急制动时，将对产量的影响降至昀低。这是百事中国首次引入PROFISAFE这种先进技术。”“具体的改善首先是系统通讯更加方便了，现在所有结点的信号都能够通过每一个安全点在系统中得到反应，各点状态在系统中得到了很明显的体现。打开安全锁时在屏幕上很容易查看到它的状态，关闭以后的复位也更加高效。安全产品与其它产品的通讯十分顺畅。”李先生解释说，“有了PROFISafe，标准功能和安全功能就可以用同一个PLC来实现。这使得我们同时拥有了标准技术和灵活的新型安全技术。只要懂得编程知识，安全功能和标准功能的程序可以由同一个人来编制，这大大减少了设计和试运营所用的时间。另外，复杂的硬件设备和配线如今也不再需要。安全切断不再通过线路硬性完成，而是根据需要来进行编程，提供了极大便利。”在日常的操作中，PROFISafe使用标准PROFIBUS设备用于与安全相关的通信，操作员几乎感觉不到PROFISafe的存在，然而她却一直默默的随时待命，关键时刻一显身手保障人员安全。自动化的杀菌/灌装/压盖一体机对安全要求很高，因为人与机器就在传送带旁工作。使用光幕，开关，紧急制动按钮等设备可以确保人和机器的安全。只有分布式的，易于编程的安全技术能在安全车间内实现灵活而高效的安全策略。比如，这种技术允许在单个区域关闭停产。在这种模式下，某一局部的停产不会影响整体的生产计划。由于线缆距离减短，安全技术与PLC的分布连接所需时间大大减少，另外由于取消了复杂的硬件设备，系统所需空间也减少了。“蓝色可乐”的绿色生产图4：济南百事工厂内景济南百事生产线全线电机使用变频控制，实现了优化控制，生产线用水实现了有效回收，节水型设计有效地控制了在生产过程中产生不必要的浪费。工厂通过变频调节，提高了空压系统的效率，节约了能源，空压机的负载率达到90%。生产线中的高压清洗站，通过高压的调节喷射，有效地实现了清洁，同时又节约了大量的生产用水。百事中使用的各种产品，Confidential比如P+F、IFM、PILZ、Danfoss、EmersonCT、Sick、E+H等公司生产的传感器、变频器、变送器，全部经由蓝色的西门子S7PLC组织成了有机的协作整体，通过PROFIBUS总线迅速交换工厂数据和诊断信息，缩短了安装时间、提高了操作和维护简便性，优化了系统的效率与性能。绿色生产与人员的高效直接相关，目前工厂员工200余人，配备电气维修人员5名，是百事中国同等规模工厂中昀少的。李先生回顾说：“刚刚建厂时昀大的问题是我们对控制系统的认识不够，低估了它的能力。由于没有认识到整个S7控制系统的先进性，在处理问题、解决问题方面遇到过一些难题，随着人员对系统的熟悉和掌握，所有问题都迎刃而解。我曾经接触过众多其他品牌的PLC，从开发者角度来讲，西门子PLC给编程者的开放环境更友好，更容易开发出设想的结果。这完全符合我们选择西门子产品的初衷，包装机械领域一流的制造商都选用西门子的产品。系统的稳定性和可靠性很强，在线控制精度高，耐得住高温清洗和潮湿环境，5年运作中没有出现系统性的故障，程序紊乱、程序丢失、控制失灵在我们这里都没有出现。有了稳定性这个首当其冲的特点，系统还具备成熟度、兼容性高，使用起来比较放心，整个供应和服务更让人安心。”图5：西门子S7系列PLC和故障安全解决方案充分实现了济南百事的多种需求济南百事对今后的产线规划有了明确的目标。“我这样看待未来的数字化工厂前景，总体而言，以后坐在办公室里能够清楚的洞察整个生产线的每一个环节。现在的设备预留了这样的模块，你只要插上电话线，用软件就可以在现场和远程电脑上进行监控。未来的设备在功能上会更明确，人机界面更友好，而人工操作将会越来越简单。在德国，百事拥有先进的无人化的工厂，整个工厂操作员只有2名，一切生