全过程虚拟化支持生产大楼的设计及自动化

天窗机械组件和门锁外壳的全球市场领导者珀尓曼公司依托全面的数字孪生技术，基于虚拟环境设计了其位于奥地利 Vitis 的新工厂。项目设计师、安装人员及业主紧密合作，利用预测的重要数据在 3D 环境中运行真实的仿真，进行预先优化，并使用倍福基于 PC 的控制技术地实施交付所有流程。

珀尔曼公司由 Franz Pollmann 在 1888 年创立，最初在奥地利的卡尔施泰因镇以制作精密仪器和钟表等业务起家。130 多年后，珀尔曼已经成为一家创新产品开发商和制造商，再次声名鹊起。今天，公司的核心专长是为汽车行业提供高度复杂的机电组件产品，事实上，珀尔曼已被公认为是天窗机械组件和门锁外壳的全球市场领导者。“几乎全球所有汽车品牌在生产汽车时都配备我们的产品。”珀尔曼国际第四代管理合伙人 Robert Pollmann 指出。为满足公司业务稳定增长的需要，珀尔曼于 2018/2019 年开始在 Vitis 规划建设一座新的工厂。“Pollmann 2.0 系统是我们迈向工业 4.0 的重要组成部分，因此我们与所有参与方都非常清楚，我们需要整个系统都是最先进的。对我们来说，能够发挥内部物流的最大效率和依赖整栋建筑的模块化设计和可扩展性非常关键。”Robert Pollmann 在解释项目对合作伙伴 Peneder、Stiwa 和倍福提出的高要求时说道。

机械工程与工业工程的智能联网

在机械工程领域，人们已经普遍使用 3D 模型进行设计和仿真。而在建筑和楼宇自动化领域，只有少数有远见的开路先锋们在新项目的规划和实施中不断推进数字孪生的应用。这其中就包括 Peneder Bau-Elemente GmbH 和 Stiwa 集团。“我们作为一家设备制造商和软件公司，一直致力于寻找优化生产环境的方法。”Stiwa AMS 公司楼宇自动化业务部主管 Thomas Führer 强调道。他深知环境条件对设备整体效率有巨大影响。设备四周的空间有多大？生产车间的最佳条件是什么？物料如何在车间内部流动，员工又如何在车间内走动？“在规划设计智慧工业建筑时，所有这些因素都需要考虑到，包括能量流。”Thomas Führer 在指出提高生产效率的重要因素时继续说道。

由于珀尔曼仅会根据客户订单需求进行产能扩张，因此从一开始就迫切需要 Vitis 二厂必须在奠基仪式后 10 个月内全面投产。“涉及到大量技术和开发工作的微型组件产品仍在卡尔施泰因总部生产，但我们需要额外的产能大批量生产汽车门锁外壳和锁盖等体积较大的组件。”工厂经理 Manfred Jäger 说道。基本要求包括大幅提高生产过程的自动化、尽可能地减少物流工作、能源及其它所有资源的可持续利用、人员和货物的结构化流动，以及生产基地的灵活扩展。

Vitis 扩建工程的第一个阶段包括建造一座 9400 m² 的厂房、一个目前有 5500 个托盘位的立体仓库，以及办公室、工艺区和休息区。根据联合开发的总体规划方案的设计，工厂可以非常快捷、方便地扩展到五个车间，因此所有的供给线路以及物料输送和人员走动都汇集在中央物流中枢。这样做的好处在于，只需相应地延长这条主通道即可启动下一个扩建阶段：“我们自己完全没想到让建筑采取坐北朝南的格局，也没想到要集中布局一个通道，通往各台用电设备的枢轴从这里向左和向右延伸。”Robert Pollmann 说道，他非常欣赏总承包商的远见卓识。

工业镜头助力成功完成建筑设计

基于生产的规划重点在于制造过程及其所有的能量流和物料流以及所有与生产效率相关的环境条件。“建筑被认为是机器。”Thomas Führer 用一句话简要概述了 Peneder 和 Stiwa 的做法，即使用典型的机械工程方法和软件工具。珀尔曼除设计了建筑的 3D 模型之外，还设计了一个数字孪生用作建筑信息模型（BIM），它能够测试比例、物料、光线、形状和颜色的一致性，正如规划好的生产和运营过程一样。BIM 是一种将不同学科的各个子模型（例如建筑、物流、建筑和电气工程、楼宇自动化和设施管理）整合到一个中央 3D 模型中的虚拟规划设计方法。Peneder 公司是工业建筑和商业建筑领域的专家，从规划到运营的每个阶段，他们都使用了 BIM。“使用 BIM 实现的虚拟设计可为建筑的施工及后续运营带来很多优势。”倍福奥地利分公司楼宇自动化行业经理 Christian Pillwein 证实道。

仅生产、物流和楼宇技术之间的闭环控制就能显著降低电力成本。Christian Pillwein 以按需通风为例：生产过程与建筑和能源供应系统之间的智能连接，确保只有在当前使用的设备实际需要的情况下，才会给车间通风换气。毕竟，考虑到转换时间或维护，设备很少会在同一时间段内全部运行。即使是一些堪称典范的企业，其设备综合效率（OEE）平均也只有 75%。“25% 的差值蕴含着巨大的节能潜力，可以很好地利用基于需求的楼宇自动化控制。”Thomas Führer 分享道。在硬件方面，珀尔曼的整个控制系统采用的都是倍福组件。一台 C69xx 控制柜式工业 PC 用作控制室服务器，而 HVAC 控制中心、通风和房间自动化系统则通过五台 CX50xx 嵌入式控制器控制。珀尔曼通过 KNX、M-Bus 和 MP-Bus 以及 Modbus TCP 和 RTU 等子系统以及约 700 个倍福 EtherCAT 端子模块和总线端子模块将各种传感器和执行器集成到基于 PC 的控制系统和 TwinCAT 控制平台中。

“这个项目的主要挑战是需要开发一个基于需求的智能控制方案，它可以将制造自动化和楼宇自动化整合于一体。”Christian Pillwein 强调道。由于珀尔曼在这两个方面都采用了倍福基于 PC 的控制技术，因此能够非常轻松地实现技术整合。“我们不仅能够监测和控制楼宇设备，还可以实时记录运行数据。”Thomas Führer 解释道，这对于珀尔曼新厂区的设施管理负责人 Rainer Hobiger 来说无疑是一个绝佳的好消息。“我们可以通过在线仪表板查看哪些设备正在运行以及它们的运行情况。”能耗的突然暴增往往是由下述两种情况引起：生产单位数量增加或设备磨损严重。“由于数量也可以被跟踪，我们可以在简要分析我们的目标与实际性能后立即派出维护人员。”Rainer Hobiger 说道。

除了取决于负载的通风之外，珀尔曼还采取了一些其它措施来确保能源的可持续利用。建筑坐北朝南不仅阳光充足，而且通风效果好，可以大幅降低采暖降温所消耗的能源。注塑系统产生的余热可以回收用于控制整个厂区的供暖，驱动器散发到周围空气中的热量可以直接使用，而模具冷却产生的废热则通过冷热循环机间接使用。冷热循环机本身和空气压缩机的热量也会被回收。“总的来说，我们必须协调整个系统中使用的多个温度回路。”工厂经理 Manfred Jäger 在解释珀尔曼极力为这个项目寻找“能够从工业角度看待项目的楼宇自动化专家”的原因时说道。

符合工业标准的建筑

“我认为，硬件主要是一种手段，目的是创造一些流程，并与软件相结合带来效益。”Thomas Führer 说道。他希望尽可能少地使用硬件；它的工作其实很简单 — 可靠、全天候地运行。“倍福的产品系列符合行业标准，为实现完整的楼宇自动化提供了完美的解决方案。基于 PC 的控制技术对用户全方位开放。”以 Stiwa 为例，他们目前正在使用的 Oracle 数据库就是在倍福工业 PC 的后台运行，用于分析复杂的 if-then 算法。对于现场层，Thomas Führer 也是开放性的忠实粉丝：“每一个现场组件，无论其制造商是谁，都可以通过相应的接口或总线系统集成到整个解决方案中。”这里使用了 400 多个不同的 EtherCAT 端子模块。

珀尔曼和倍福在扩建工程开始之前就已经相当熟悉了。“我们基本上是同一时期发展起来的。”Manfred Jäger 在回顾两家公司合作的第一个自动化技术项目时说道。“当时，我们对厂房的建设提出了非常特殊的要求，而事实证明倍福比他们的竞争对手要灵活得多。”这位 Vitis 工厂负责人回忆并解释了当时转向使用基于 PC 的控制技术的原因。时至今日，珀尔曼已不再只是使用倍福控制器控制单台设备，而是用它们实现 Vitis 二厂的中央楼宇自动化系统。