突破天际的食品自动化产线

寂静回声

故事的开头是这样的：
在未来的某个地方，头发花白的维修工程师带着他的徒弟在食品厂的废弃电子用品储藏点，力图寻找一些可挽救的部件。在一个满是灰尘的角落里，堆放着一堆过时的零件。“嘿，那些是什么？”徒弟指着一个平板显示器和一堆混在传真机和CD机中间的一些线路问。工程师识别出来后微笑着回答说：“这是一个HMI屏幕和以太网电缆，Sparky。”
工业自动化的故事是一个逐步演变的故事，从继电器逻辑电路到PLCs，再到SCADA系统，从梯形逻辑到基于Windows的软件。此时此刻抛弃HMI还为时过早，工业物联网（IIoT）大框架下的基础已经奠定。IIoT和工业4.0描述了如今的工厂自动化前沿。在大家的关注点还集中在运行层面时，IIoT已经开始转向IT 和设备与专业人员之间，或专业人员相互间的通信流量。移动设备和远程访问是令人兴奋的部分，借助的是Wi-Fi网络和云计算技术。
目标是为了促进信息共享，帮助制造商提高运行速度和质量，降低运行成本，这不仅仅是一个运行自动化上的重要转变。工厂获得的不仅是软优势，还能更切实减少劳动力成本。如果资本成本连续三年等同于劳动力成本，那么投资回报率是36个月。通讯更快也就意味着更少的停机时间和更少的物理运动，但这些都是难以量化的优势。
全新的自动化战线还需要一项重要的前期投资，这往往使一些食品和饮料商望而却步。数字化现场设备和带IP地址的设备是必要基础设施的一部分，此外还需要可靠安全的通信网络。“这些设备比较昂贵，也比较复杂，但它并不是完全意义上的科学。”西门子数码工厂前首席执行官去年向工业周刊透露说，“这是可行的，我们知道如何去做，但我们必须投入资金，还需要人力。”
IIoT在食品领域最雄心勃勃的项目之一就是SugarCreek在剑桥城东的“新”工厂。这项翻新重建耗资1.3亿美元。凭借这家工厂，SugarCreek进入了餐饮领域，不仅仅局限于私人标签的熏肉和肉丸产品。Wi-Fi网络、简化的无线调度和响应、网络会议、能源监控及管理以及250个可视摄像机，这些都是项目的组成部分。利用实时定位系统跟踪对象和工作人员也是高性能工作团队的关键因素。
整个项目中IIoT组件的总投资为600万美元。产量提升一个百分点就可以抵消这笔开支，尽管公司首席信息官Ed Rodden认为任何投资回报率的评估系统都对基础设施的投入考量没有意义。“今天的生产商必须有一套全面的基础设施，利用广泛的技术支持业务发展，从合作到数据收集。”他坚持说，“我们不认为IIoT和其它业务中必须的基础设施有什么不同，它就像食品厂中的冷藏系统一样不可或缺。”

除了少数例外，食品公司都在采取观望的态度，尤其是采取有线数据网络的生产设施。但这并不是说，他们没有考虑引进最先进自动化工艺的可能性。
犹他州OSI Industries 干式香肠厂就是其中一个案例。这家工厂五年前开业，配备了多台机器人，自动导引车（AGV）和自动仓储系统（AS/RS），可以在填充车间、烘干车间和其它生产点之间穿梭。当OSI开始这个项目的时候，美国的新式干香肠厂已经建成超过25年。据Aurora副总裁助理兼运行支持部总监介绍，由于缺乏新的销售机会，国内供应商已经萎缩，OSI设计工程师不得不到国外寻找最新技术。
操作人员唯一需要手工处理的环节就是把香肠挂到架子上，除此以外的研磨、填充、干燥和烹饪都由欧洲供应商的设备负责。架子一共有三层，每层可放72条长度为48英寸的香肠，需要拉伸18英尺的高度，从一个加工点移动到另一个加工点。在加工过程中，系统还会自动抓取样品送入湿度检测及其它质量和产品测试。
投资回报率的计算以劳动力的减少量为主。据工厂厂长助理Allen Forkell表示，工厂共拥有28名员工，而要保持同样产量的传统工厂至少需要100名工人。食品安全的改进，事故率的降低和工厂面积的节省是这个项目的柔性优势。手工处理产品被视为交叉污染的载体之一。同时，Genoa意大利腊肠和意大利辣味香肠挂在高高的架子上，OSI可以在车间内储存，而不是在户外。
“这种类型的自动化需要有阶梯逻辑编程能力的人。”Glaser继续说，而工厂的工程师不太可能有机械背景，更多的是计算机背景。Forkell解释说，无线电控制的AGV自工厂开业就开始运行，但OSI已升级到Wi-Fi网络，可以支持质量检验数据和平板电脑上其它文档的信息输入。数字记录已基本取代了书面报告，但书面报告还是需要生成，主要用于公共卫生检查人员用于HACCP验证。
自2014以来，工厂一直有一名数据记录员，专门负责存储每个批次的跟踪和跟踪信息，以及统计过程控制的所有数据。相机系统也得到了很大程度的扩展，Forkell说。“我们工厂最酷的一件事情是，我们知道每一样东西在哪里，”尽管在制品代表着数以百万计的成品价值，他补充说。

“工厂里需要的人才并不是会用扳手和锤子的人，工厂中需要有编程和IT技能的人。”Glaser说。多个通信网络必须同时存在，包括无线温度监控。
本地温度监测已逐步被传感器网络替代，传感器网络可以将数据传输到云，通过智能手机和其它移动设备均可访问，Lizard Monitoring 公司总裁Rupert Prince说。如果公司尚未淘汰点对点固定式网络，将受到食品安全现代化法案的敦促，尽快完成这个转变。
犹他州OSI Industries 干式香肠厂在五年前引入了自动化生产线和多台机器人。“无线传感器网络问世超过了10年，但直到最近几年才实现其10年前的承诺。” Prince说。他将无线传感器的成熟曲线比作手机通信。手机通信之前一直有通话中断等问题，一直到技术实现可靠性后才得以全面发展。
无线通讯还对保持冷链温度有帮助。Prince的公司正在开发一套采用蜂窝系统的测量器，一旦冷链拖车中温度超过设定值就会提供实时警报。即便拖车中装的是威拉米特河谷的草莓或覆盆子，价值也要在25到30万美元。他指出，相对于产品损失，无线传感的使用成本非常低。
Endress+Hauser公司高级食品和饮料行业经理Ola Wesstrom指出，这样的系统究竟会变得多么普及，目前还不清楚。尽管大家对数字化现场设备和IIoT感兴趣，目前多数行业仍采用模拟设备。四年前，他的公司推出了一款带以太网IP的磁流量计Coriolis。目前很多设备的连接方式和这套流量计完全相同，他希望今后能够逐渐完成所有的升级。
通过数字化IP设备，供应商不需要反复前往客户现场就可以管理化学品、化肥和洗涤剂等产品的库存，Wesstrom说。尽管需要固定布线，但智能型质量流量计可以监控多个变量，如密度、温度、粘度以及体积。可靠性和节省劳力是两个主要的优势，设备还可以使用互联网传输诊断和运行数据。
当然，如果模拟设备已经满足了加工商当前的需求，说服加工商进行升级的难度就非常大。“目前选择数字化并没有特别显著的价格差别，很多人不改变只是心里上不希望改变。”他说，不过据他预计，随着年轻一代的工人逐渐取代年长的工人，这个转变还是会逐步发生。

车间固定HMI已经是一个过时的概念，许多自动化厂商会同意这个说法。通过智能手机、平板电脑和其他设备的远程访问，操作人员可以轻松解决问题，改变运行参数，不需要任何物理概念上接近设备。“移动设备已经被用于便携式或可穿戴式人机界面，但大多数设备的中央控制器中仍带有控制功能。” Beckhoff自动化公司自动化专业人员Daymon Thompson表示。“甚至有机会直接通过带上网功能的设备直接改变设备上的某些参数，实现某种程度的控制。”
这种自由和灵活性需要相当大的成本，他警告说，特别是对于那些仍然依靠PLC的加工商。“复杂昂贵的管理硬件将需要迫使PLC或PAC（可编程自动化控制器）进入这个更密集连接的新世界。” Thompson补充说，“最符合成本效益的做法就是有效利用基于PC的控制架构。”
人机界面已经过时，西门子WinCC 营销经理Alan Cone承认。他很快又补充说，“把我的手机变成HMI 是明智的做法吗？”Cone的顾虑在于误操作而无意中改变设备运行参数的潜在可能。WinCC是一套人机界面，负责数据采集与监控（SCADA）的系统。像罗克韦尔自动化等许多自动化供应商一样，西门子目前还在大量销售PLC，但该公司认为需要推动加工商对PC控制的了解，从而更多的运用IIoT的力量。罗克韦尔在1998年推出Logix后就停止了PLC的更新。
工厂数据系统日趋复杂化，而与此同时硬件价格越来越低廉，甚至到了可以DIY的程度。翻新设备往往缺乏PLC控制，从事精密紧固件及其他配件生产的MacLean-Fogg安装Controllino串行设备，使用开源软件作为其IIoT方案的一部分。Raspberry Pi和Arduino是廉价主板的代表，DIY一套PC的总成本不会超过350美元。但很少有食品行业人员会冒险选购非工业类型的自动化工具，但低廉的价格是软硬件迅速变化的今天所面临的最大挑战。
为了保持竞争力，自动化供应商强调他们的成本价格，远程访问的安全性和云系统。“工厂需要实现更好的信息流动。”西门子的Cone 强调说，数据服务日趋复杂，但现场数据网仍是最基本的设施。云储存的数字化数据是这些服务中的一项。无独有偶，施耐德电气提供基于云的存储器，负责收集和分析数据。SmartGlance项目经理Saadi Kermani认为，目前共有超过700套工业云服务保持运行，今后还会有更多。
“ 手机公司想趁着物联网的热潮为工厂提供塔吊。”Kermani 说，“我们正在与工厂进行沟通，探讨数据移动的合作模式。”Smartglance提供设备综合效率、错误代码及其它运行数据的远程访问，笔记本电脑或移动应用程序都可使用。Kermani说：“我们把它作为制造业背景下的IT，就像一个在制造业中代表着IT作用的人。”
罗克韦尔的企业制造系统也具备类似的功能。一项以该公司创始人之一的Stanton Allen博士命名的Stanton项目，正在推出一款移动接入的独立应用。Stanton不需要通过云和工厂的无线网络，采用智能手机自带的功能，成为了实质上的“一台装在口袋里的超级计算机”，移动平台领导者Kyle Reissner表示。这种类型的专用手机不需要SIM卡，可以通过手机上的app，通过服务器上的控制面板访问所有设备数据。
该项目目前仍在测试模式，现提供八个模块：三个与相关趋势和其它设备数据相关，五个涉及与人员互动和利用工作人员的专业知识。“效果测试是软件最大的挑战。”Reissner 表示，“但我们愿意走在风口浪尖。”
不幸的是，Stanton等项目的主要优势都仅与时间相关。更诱人的是另外一些增强功能，例如设备状况监测，但需要更高层次的复杂系统。IIoT给了工厂摆脱传统控制和数据系统的承诺，但必须进行前期的基础设施投资。如果没有这部分投资，这将被看成一项可以尝试但并是必须要采用的技术。