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全過程虛擬化支持生產大樓的設計及自動化

天窗機械組件和門鎖外殼的全球市場領導者珀尓曼公司依托全面的數字孿生技術，基于虛擬環境設計了其位于奧地利 Vitis 的新工廠。項目設計師、安裝人員及業主緊密合作，利用預測的重要數據在 3D 環境中運行真實的仿真，進行預先優化，并使用倍福基于 PC 的控制技術地實施交付所有流程。

珀爾曼公司由 Franz Pollmann 在 1888 年創立，最初在奧地利的卡爾施泰因鎮以制作精密儀器和鐘表等業務起家。130 多年后，珀爾曼已經成為一家創新產品開發商和制造商，再次聲名鵲起。今天，公司的核心專長是為汽車行業提供高度復雜的機電組件產品，事實上，珀爾曼已被公認為是天窗機械組件和門鎖外殼的全球市場領導者。“幾乎全球所有汽車品牌在生產汽車時都配備我們的產品。”珀爾曼國際第四代管理合伙人 Robert Pollmann 指出。為滿足公司業務穩定增長的需要，珀爾曼于 2018/2019 年開始在 Vitis 規劃建設一座新的工廠。“Pollmann 2.0 系統是我們邁向工業 4.0 的重要組成部分，因此我們與所有參與方都非常清楚，我們需要整個系統都是最先進的。對我們來說，能夠發揮內部物流的最大效率和依賴整棟建筑的模塊化設計和可擴展性非常關鍵。”Robert Pollmann 在解釋項目對合作伙伴 Peneder、Stiwa 和倍福提出的高要求時說道。

機械工程與工業工程的智能聯網

在機械工程領域，人們已經普遍使用 3D 模型進行設計和仿真。而在建筑和樓宇自動化領域，只有少數有遠見的開路先鋒們在新項目的規劃和實施中不斷推進數字孿生的應用。這其中就包括 Peneder Bau-Elemente GmbH 和 Stiwa 集團。“我們作為一家設備制造商和軟件公司，一直致力于尋找優化生產環境的方法。”Stiwa AMS 公司樓宇自動化業務部主管 Thomas Führer 強調道。他深知環境條件對設備整體效率有巨大影響。設備四周的空間有多大？生產車間的最佳條件是什么？物料如何在車間內部流動，員工又如何在車間內走動？“在規劃設計智慧工業建筑時，所有這些因素都需要考慮到，包括能量流。”Thomas Führer 在指出提高生產效率的重要因素時繼續說道。

由于珀爾曼僅會根據客戶訂單需求進行產能擴張，因此從一開始就迫切需要 Vitis 二廠必須在奠基儀式后 10 個月內全面投產。“涉及到大量技術和開發工作的微型組件產品仍在卡爾施泰因總部生產，但我們需要額外的產能大批量生產汽車門鎖外殼和鎖蓋等體積較大的組件。”工廠經理 Manfred J?ger 說道。基本要求包括大幅提高生產過程的自動化、盡可能地減少物流工作、能源及其它所有資源的可持續利用、人員和貨物的結構化流動，以及生產基地的靈活擴展。

Vitis 擴建工程的第一個階段包括建造一座 9400 m2 的廠房、一個目前有 5500 個托盤位的立體倉庫，以及辦公室、工藝區和休息區。根據聯合開發的總體規劃方案的設計，工廠可以非常快捷、方便地擴展到五個車間，因此所有的供給線路以及物料輸送和人員走動都匯集在中央物流中樞。這樣做的好處在于，只需相應地延長這條主通道即可啟動下一個擴建階段：“我們自己完全沒想到讓建筑采取坐北朝南的格局，也沒想到要集中布局一個通道，通往各臺用電設備的樞軸從這里向左和向右延伸。”Robert Pollmann 說道，他非常欣賞總承包商的遠見卓識。

Designing buildings through an industrial lens

工業鏡頭助力成功完成建筑設計

基于生產的規劃重點在于制造過程及其所有的能量流和物料流以及所有與生產效率相關的環境條件。“建筑被認為是機器。”Thomas Führer 用一句話簡要概述了 Peneder 和 Stiwa 的做法，即使用典型的機械工程方法和軟件工具。珀爾曼除設計了建筑的 3D 模型之外，還設計了一個數字孿生用作建筑信息模型（BIM），它能夠測試比例、物料、光線、形狀和顏色的一致性，正如規劃好的生產和運營過程一樣。BIM 是一種將不同學科的各個子模型（例如建筑、物流、建筑和電氣工程、樓宇自動化和設施管理）整合到一個中央 3D 模型中的虛擬規劃設計方法。Peneder 公司是工業建筑和商業建筑領域的專家，從規劃到運營的每個階段，他們都使用了 BIM。“使用 BIM 實現的虛擬設計可為建筑的施工及后續運營帶來很多優勢。”倍福奧地利分公司樓宇自動化行業經理 Christian Pillwein 證實道。

僅生產、物流和樓宇技術之間的閉環控制就能顯著降低電力成本。Christian Pillwein 以按需通風為例：生產過程與建筑和能源供應系統之間的智能連接，確保只有在當前使用的設備實際需要的情況下，才會給車間通風換氣。畢竟，考慮到轉換時間或維護，設備很少會在同一時間段內全部運行。即使是一些堪稱典范的企業，其設備綜合效率（OEE）平均也只有 75%。“25% 的差值蘊含著巨大的節能潛力，可以很好地利用基于需求的樓宇自動化控制。”Thomas Führer 分享道。在硬件方面，珀爾曼的整個控制系統采用的都是倍福組件。

一臺 C69xx 控制柜式工業 PC 用作控制室服務器，而 HVAC 控制中心、通風和房間自動化系統則通過五臺 CX50xx 嵌入式控制器控制。珀爾曼通過 KNX、M-Bus 和 MP-Bus 以及 Modbus TCP 和 RTU 等子系統以及約 700 個倍福 EtherCAT 端子模塊和總線端子模塊將各種傳感器和執行器集成到基于 PC 的控制系統和 TwinCAT 控制平臺中。

“這個項目的主要挑戰是需要開發一個基于需求的智能控制方案，它可以將制造自動化和樓宇自動化整合于一體。”Christian Pillwein 強調道。由于珀爾曼在這兩個方面都采用了倍福基于 PC 的控制技術，因此能夠非常輕松地實現技術整合。“我們不僅能夠監測和控制樓宇設備，還可以實時記錄運行數據。”Thomas Führer 解釋道，這對于珀爾曼新廠區的設施管理負責人 Rainer Hobiger 來說無疑是一個絕佳的好消息。“我們可以通過在線儀表板查看哪些設備正在運行以及它們的運行情況。”能耗的突然暴增往往是由下述兩種情況引起：生產單位數量增加或設備磨損嚴重。“由于數量也可以被跟蹤，我們可以在簡要分析我們的目標與實際性能后立即派出維護人員。”Rainer Hobiger 說道。

除了取決于負載的通風之外，珀爾曼還采取了一些其它措施來確保能源的可持續利用。建筑坐北朝南不僅陽光充足，而且通風效果好，可以大幅降低采暖降溫所消耗的能源。注塑系統產生的余熱可以回收用于控制整個廠區的供暖，驅動器散發到周圍空氣中的熱量可以直接使用，而模具冷卻產生的廢熱則通過冷熱循環機間接使用。冷熱循環機本身和空氣壓縮機的熱量也會被回收。“總的來說，我們必須協調整個系統中使用的多個溫度回路。”工廠經理 Manfred J?ger 在解釋珀爾曼極力為這個項目尋找“能夠從工業角度看待項目的樓宇自動化專家”的原因時說道。

符合工業標準的建筑

“我認為，硬件主要是一種手段，目的是創造一些流程，并與軟件相結合帶來效益。”Thomas Führer 說道。他希望盡可能少地使用硬件；它的工作其實很簡單 — 可靠、全天候地運行。“倍福的產品系列符合行業標準，為實現完整的樓宇自動化提供了完美的解決方案。基于 PC 的控制技術對用戶全方位開放。”以 Stiwa 為例，他們目前正在使用的 Oracle 數據庫就是在倍福工業 PC 的后臺運行，用于分析復雜的 if-then 算法。對于現場層，Thomas Führer 也是開放性的忠實粉絲：“每一個現場組件，無論其制造商是誰，都可以通過相應的接口或總線系統集成到整個解決方案中。”這里使用了 400 多個不同的 EtherCAT 端子模塊。

珀爾曼和倍福在擴建工程開始之前就已經相當熟悉了。“我們基本上是同一時期發展起來的。”Manfred J?ger 在回顧兩家公司合作的第一個自動化技術項目時說道。“當時，我們對廠房的建設提出了非常特殊的要求，而事實證明倍福比他們的競爭對手要靈活得多。”這位 Vitis 工廠負責人回憶并解釋了當時轉向使用基于 PC 的控制技術的原因。時至今日，珀爾曼已不再只是使用倍福控制器控制單臺設備，而是用它們實現 Vitis 二廠的中央樓宇自動化系統。

大家對機械工程與工業工程的成功整合非常滿意（左起）：Rainer Hobiger（珀爾曼公司設施管理部主管）、Manfred J?ger（珀爾曼公司 Vitis 工廠廠長）、Robert Pollmann（珀爾曼國際公司管理合伙人）、Thomas Führer（Stiwa 公司樓宇自動化部負責人）、Christian Pillwein（倍福奧地利分公司樓宇自動化行業經理）以及 Harald Setka（Peneder 公司建筑師）

在基于生產的規劃中，建筑被認為是一臺機器。在規劃階段充分考慮到了所有生產過程以及所有能量流和物料流以及所有與生產效率相關的環境條件

由于珀爾曼 Vitis 工廠擁有高效的能源管理系統和通過基于 PC 的自動化控制實現的智能高效的生產方式，因此被奧地利弗勞恩霍夫研究院評選為奧地利最佳工廠