BÜHLER 应用OPC UA技术实现食品生产自动化

自2014年以来，Bühler一直积极准备工业4.0，他们采用了基于OPC UA的自动化解决方案，并且与Bühler Insights数字化平台实现了连接。许多大型工业客户通过使用Bühler基于OPC UA的解决方案，提高了生产效率，并减少了能源浪费和水资源消耗。

机械工程的开端

1860年，Adolf Bühler Sr.在瑞士圣加仑州乌兹维尔的古普芬(Gupfen)开设了一家铁矿厂，很快他将生产重心从生产用于碾磨工业的轧辊转变为生产完整的轧钢机和普通轧机。到了1900年，他已在西班牙和法国建立办事处。如今，Bühler的业务遍及全球140多个国家。在2022年，尽管供应链以及粮食和能源市场受到干扰， Bühler集团的主要业务板块谷物和食品表现稳健，订单总额为16.63亿瑞士法郎（下降了6.5％），营业额增长了2.6％，达到了16.96亿瑞士法郎。Bühler集团的净利润大幅提高了35.7％，达到了1.7亿美元（较去年的1.25亿美元显著增长）。

世界上65%的粮食加工是在Bühler的设备上完成。这是因为粮食的加工涉及多个阶段，需要一系列专用的设备。整个工艺流程通常从对原料进行初步的实验室分析开始，然后谷物颗粒经过预净化处理。彻底清洗后，包括筛分石头和通过AI控制的颜色识别以检测有毒的麦角，再在谷物中对其进行调质。这涉及到给谷物喷水以增加水分含量（达到15-18％）以达到所需的面粉水分和恒定的碾磨特性。大约二十四小时后，开始研磨工艺。谷物在辊磨机中分几步被粉碎。将谷壳分离并筛出。现在，可供使用的面粉经过最终的质量检查后，装入25-50公斤的包装袋子中，供面包房使用。

应用OPC UA前

复杂的机器通信

1860年，Adolf Bühler Sr.在瑞士圣加仑州乌2013年，Bühler迫切需要改善机器间的通信。由于安装的机器使用不同的"语言"进行通信，它们必须针对每个应用程序进行特定的编程。然而，每个安装的设备都有其独特的结构，这在其他设备中是无法复制的。这导致每个单独安装的设备的集成工作非常大，而且一直如此。

例如，获取转速信息。假设操作员需要从ERP系统的传感器中获取机器状态参数（如电机转速），那就需要"遍历"自动化过程控制系统的五个层级。由于涉及到专有数据交换，此过程可能非常耗时且成本高昂。该示例所需的数据存储在可编程逻辑控制器（PLC）中。该案例中所需的数据存储在可编程逻辑控制器（PLC）中。Bühler集团的资深软件架构师兼IIoT产品负责人Samuel Ochsner解释说：“由于异构协议和接口，我们无法直接访问它。”需要编程技能来处理每个层级。不同层次解释传感器数据的错误率为40％。集团的高级项目经理Ralph Häuselmann在2013年底总结了如下情况：“我们需要一种这样的解决方案，可以确保最终传输的信息是正确的，该解决方案能让最高级别的ERP系统直接访问传感器数据，并且只利用一种语言。”但由于异构的协议和接口，我们无法直接访问它。

OPC UA集成

从SOFTWARE TOOLBOX开始

2014年，集团首次尝试将OPC UA集成到Bühler中是通过美国公司Software Toolbox，该公司提供工业自动化软件工具。使用Software Toolbox中的OPC UA服务器和IBH使得集团立即获得了成功。Ralph Häuselmann回忆说:“从那时起，我们可以轻松地从自动化金字塔的每一层获得实时数据。在这次首次集成之后，我们将OPC UA整合到许多其他领域。”

整合OPC UA改装工厂

对于那些较新的工厂或已经进行了连接改造的工厂，它们已经可以使用OPC UA进行通信。一般来说，在过去20年中销售的所有磨粉机中，大约有20%进行了改造。1,500家工厂将配备全面的Mercury工厂控制系统，以实现全自动化流程。

通过OPC UA进行通信

目前，所有新的安装和升级中的90％都通过OPC UA进行连接。"所有主要硬件制造商都已经集成了OPC UA。"Samuel Ochsner解释道：“PLC已经集成了OPC UA。这就是为什么今天将新设备添加到结构中的工作量相对较小的原因。压铸模具设计部门参与了一个配套规范工作组，同时正在利用其它配套规范。内部标准正在制定中，以便于利用已经应用OPC UA的设备。

数字化实现可持续发展

Bühler集团承诺在2025年之前将解决方案投入使用，此举将使其客户价值链中的能源、废物和水减少50%。为实现这一目标，Bühler主要应用了Mercury MES（制造执行系统）的软件以实现工厂内的连接、自动化和智能控制，而OPC UA作为通信的辅助作用将在其中发挥关键作用。

应用OPC UA实现自动化

与BÜHLER INSIGHTS平台的连接

目前，Bühler通过Bühler Insights平台将工业工厂连接起来。通过与平台连接的物联网网关，机器可以转化为网络设备。工厂操作员和Bühler产品团队利用来自传感器、机器和机器控制设备的数据来优化其工厂的效率，并减少维护工作量、能源消耗和磨损。

基于OPC UA的“PLUTO”软件平台

Pluto是一款完全基于OPC UA的工业自动化软件平台，用于实现工业4.0。它是基于web的平台，提供图形用户界面，方便用户操作。Pluto根据积累的数据自动实时生成解决方案，从而降低了工厂自动化的复杂性。Bühler Insights Gateway从OPC UA Server收集数据，目前的主要应用领域是小麦厂、大米厂和筒仓处理。Pluto通过使用预编程对象并自动生成PLC软件，也减少了安装工作量。因此，从安装开始，机器之间的通信就变得顺畅。在这方面，Pluto不仅需要OPC UA进行数据交换，还需要进行数字化转换本身。Bühler集团研发公司高级项目经理Ralph Häuselmann解释说：“PLC中的每个功能、每个布尔逻辑、每个定时器都是一个OPC UA标签，所以一个拥有60台机器的磨坊自动生成了10,000个OPC UA节点”。

适用于所有工厂的完整解决方案

Pluto是用于工艺控制的工厂控制系统。它主要用于小型工厂，最多可连接150台机器。较大规模的工厂拥有超过150台机器的，会使用基于Pluto的生产计划与控制软件Mercury MES。一旦需要使用配方，也会使用Mercury MES软件。

Bühler集团在印度的应用与培训中心

应用与培训中心

Bühler集团在全球设有一系列应用与培训中心（ATC），客户可以在这些中心批量测试新产品或新配方，或接受进一步的培训。ATC配备了最先进的设备，并且完全数字化。通过使用Bühler Insights平台收集测试数据，并借助现场分析实验室的帮助，Bühler团队可以与客户一起实时进行测试规划和执行测试，并调整机器或工艺。

印度班加罗尔的ATC

在这里展示和测试的过程可以自动、半自动或者手动运行。顾客可以在有经验的技术人员指导下，带着有价值的商品，例如咖啡、豆类和香料，进行产品测试，了解机器的工艺、技术和性能，然后再做出投资决策。

稻米业的培训

印度是全球第二大稻米生产国，年产约1.6亿吨，全球的稻米产量每年为5.03亿公吨。Bühler为磨米厂运营商提供完整的解决方案，包括提供植物完整的清洁、去壳、糙米制白、抛光和分类，并进行设备的最终安装和调试。磨米厂的业主、经理和操作人员可以参加此项培训课程，提升他们的技能和学习新的操作技术，实现盈利的磨机操作、维护和管理。

瑞典KÄGI

Kägi Söhne是一家传统的公司，自1934年以来一直生产巧克力涂层威化棒——Kägi Fret。为了在任何条件下都能继续生产高质量的产品，管理层决定将生产数据可测量化并优化流程。2019年，Kägi和Bühler服务团队共同进行了一次绩效评估研讨会，以制定生产过程的改进措施。

通过在Bühler Insights中连接和可视化数据，Kägi预计总设备效率将提高5%至8%。Bühler的全自动线上检测系统WIS-EAGLE配有25-30个测量点，传感器可以在晶圆片上方看到。

数字化生产

团队对生产相关的所有因素进行了分析，并将其转化为详细的工艺分析。在此基础上，确定了改进的潜力并制定了独立的行动计划，这些生产计划为生产优化奠定了基础。工作组还透露，偶尔的质量波动是由于生产决策往往是基于员工的经验和直觉。相反，决策应该基于未来的数据。

英国的智能磨粉机

创新型磨粉机MILL E3

“Mill E3”是一个端到端的数字化磨粉机，由预制模块构建而成，并于2021年投产。Mill E3的核心是超15,000个数据点，这些数据点反映生产过程中所有步骤的信息。E3这个名称指的是这种新型磨粉机在空间要求、安装时间和节能方面的三大优势。

设计中的革新

Bühler与Whitworth有着长期的商业合作伙伴关系。通过Mill E3，Bühler成功地测试了一种即插即用的系统用于安装磨坊，可将安装工作量减少了30%。该磨坊厂采用紧凑设计，仅有三层而不是标准的五层或六层。每层都有不锈钢气动管道通道，从天花板延伸到地板，可以实时观察小麦转化为面粉的过程，维护和检查无缝的流程流动对所有设备都非常方便，同时，Mill E3的能源需求减少了高达10%。

过程控制

Bühler Insights在E3工厂建立了设备的连接。Mercury MES生产控制系统收集运行数据、存储配方并管理生产计划。传感器和积分器构成了工厂自动化的基础。此后，Bühler集成了OPC UA，从原材料的交付到装载面粉的卡车的密封，再到向客户交付，生产的各个方面都在Mercury MES中进行数字化映射和控制，结果就是整个磨坊只需要一个操作员。