小规模自动化革新：显著提升效益

在之前的相关报道里，我们曾展示了食品和饮料行业内那些亮眼的新工厂里令人惊叹的创新——这些工厂斥资数亿美元引入了最新的自动化设备。然而重要的是，并不是每一次自动化革新都需要投入大量资金。

 

自动化项目的启动可能相当艰巨，更不用说其高昂的成本让人难以承受。然而，小型自动化项目同样可以给加工商带来生产效率的提升，并从中获得回报。在当前劳动力紧缺的情况中，自动化越来越成为生产中的必然趋势。这些自动化项目通常还能带来其他好处，如：可靠性和一致性、卫生操作、更好的记录保存和供应链管理等。

这里所说的并非完全无人操作，即“熄灯工厂”式的自动化，而是通过小型项目大幅减少从事低技能工作的员工数量，使他们能够被调配到工厂的其他岗位。英特乐包装线布局顾问Geoff Bennett表示：“把分割车间原本可能需要20人的项目减少到10人，是一项了不起的革新。”

发生在美国南卡罗来纳州Prestage食品公司的就是一个典型案例，尽管其工厂的火鸡加工设施整体自动化水平很高，但仍需要工人们积极参与生产线上的工作。目前，该工厂大约只需要300多名熟练工人，而在没有这些自动化技术的情况下需要750名工人。

 

对自动化态度的转变

制造商已逐渐意识到自动化可以带来的诸多好处。“普遍来说，大家都希望以某种形式实现自动化。”Bennett说，“有时候它是一台设备，有时候它是增加的运输工具。”

JLS公司为食品和其他行业提供机器人系统，其销售副总裁Mike Newcome指出，在过去几年里，机器人已被逐渐接受。他说：“我认为这些年来技术本身并没有发生太大变化，只是这些应用已经得到了验证，现在机器人已经成为一项公认的重要技术。”

据Newcome观察，新冠疫情在很大程度上改变了人们的态度。他表示：“疫情造成了劳动力的短缺，让我们的客户措手不及，我认为这才是导致自动化需求大幅增加的主要原因。我们的客户开始意识到，自动化不仅能减少生产线上的员工数量，更是关乎到停产后的高昂成本。这里没有标准的投资回报率（ROI）模型可以借鉴。”

Newcome指出，如果你有一条价值数百万美元的生产线却无法配备足够员工，那么最好开始考虑哪些高度重复的任务可以实现自动化。“然后，可以将这些人手调配到其他不太适合自动化的生产线上。”

Bennett表示，自动化一直是一项关键策略，特别是发生新冠疫情和劳动力短缺以来。他说：“这导致了对现有劳动力资源重新分配的更大需求。找到愿意来工厂从事体力劳动的人，现在简直是项挑战。”

此外，由于新冠疫情的发生，美国联邦为许多小型肉类加工商们提供了政府援助，帮助他们提高产量。“这对许多有潜力但没有资金支持的小型加工企业的成长很有帮助。”Clarion公司老板Nel表示，“政府的援助帮助他们满足了因客户需求激增而产生的自动化需求。”

举例来说，Clarion公司投资了一套来自BAK 食品设备的自动盐水注射系统，用以解决需要腌制和保存的产品数量激增的问题。Nel说：“产能已跟不上，按照以前的操作方式，时间根本不够。”

Nel原本需要3-4个小时来注射火腿、牛肉、猪里脊等产品，但当需求上升时，一名员工要花整整两天才能完成这项任务。“现在使用这台自动注射机，能在不到一个小时的时间内完成两天人工工作。”他说，“只需将腌料混合、倒入机器，然后按下开始按钮。把肉放在传送带上，机器就会完成其余工作。”

Clarion还注意到了自动化过程带来一致性。“再也没有死角了。以前手动注射会出现腌料无法完全渗透到所有部位的情况，尤其是在骨头周围。这种腌制不均会带来产品质量的不稳定。采用自动化注射工艺后，这种问题不复存在。另外，自动化注射也能够提供更为稳定的注射率。比如，如果设定注射率为10%或12%，那么无论是哪种产品，都能够保持相同的注射量。”

Nel之前曾考虑过自动注射，但是疫情给了他推动力——无论是在需求还是可用资金方面。

Clarion使用自动盐水注射器以及汉堡填充机等一些自动化设备已有近两年的时间，从没有后悔过。Nel开玩笑说：“我想我妻子（也是公司共有者）宁可放弃我也不愿意放弃注射设备，因为这确实为她节省了很多时间、减少了很多麻烦。”他补充道，“我们之前的操作方式是一种专业流程，只有拥有特定技能的人才能完成。即使经过培训，受训者也无法保证正确地执行任务。有了这台注射装置，可以培训任何人来操作，它本质上不再是一项需要特殊技能的工作。”

 

发现问题的端倪

寻找哪些操作环节适合进行自动化改造至关重要。CRB的工程师们尝试通过模拟产品在工厂中的流程来寻找潜在机会。

 

“想象你就是工厂的产品在设施中移动。”工程师Kulkarni解释道，“我们会不断提出类似‘为什么’这样的烦人问题。‘为什么要在这里停留？为什么要等一个操作员来把我拾起？’随着产品在价值链中移动，你开始识别增值与非增值的环节。”

解决这个问题的第二种方法是使用计算机仿真模拟——收集有关产品限制、工作流程、调度约束等的信息，并将其转换为模拟模型。

这两种方法都有利弊，但物理方法的一个优势是让你有机会与经常遇到各种问题的操作员进行互动。“很多时候，他们有解决方法，可能只是没有获得授权，或者可能没有正确的数据来支持他们的发现。”Kulkarni说，“另一方面，仿真模拟非常强大，你可以真正地实现对整个工厂‘了如指掌’；你可以开始尝试：‘好，如果我在这里做出这样的改变，会对下游或上游产生什么样的影响？’”

CRB产品创新总监Tony Moses也表达了同样观点。他说，计算机模型确实可以帮助人们更好理解一个自动化流程如何影响另一个流程。他提到一个客户案例，在该案例中，意大利辣香肠的切片和撒料是披萨制造商的加工瓶颈。“如果我们实现了辣香肠切片的自动化，这个瓶颈可能会转移到奶酪配料的添加上，结果可能是只是多生产了几个披萨而已；或者可能需要操作员转移到下游来跟上生产速度。所以，模型提供的整体视图非常有用。市面上有很好的切丁和切丝设备——我们已经看到一些公司在处理大块奶酪时转向了自动切丝机。但你必须考虑全面，那些切丝奶酪还得用到别的地方去。”

 

从当前状态到目标状态

有时解决方案可能非常简单，比如增加输送装置即可。“如果你突然发现员工们在忙来忙去地搬箱子，从一次包装区送到二次包装区，或者从二次包装区搬到了托盘堆垛机，那么增加输送设备是一个成本低、效果好的解决方案。”Moses指出。

根据Bennett的说法，从一次包装到二次包装已经成为自动化的热点，同时也是输送设备大显身手的好地方。“我看到的变化是人们更加关注包装领域，那里不仅劳动力成本高，还有每天都要搬运重物所带来的安全和人体工程学问题。”他补充道，如果员工因伤假而不能在岗，这肯定会进一步加剧劳动力短缺的问题。

二次包装已经实现了一定程度的自动化——特别是装箱或码垛操作，但是加工和最终包装之间一直缺乏自动化的设备。这些领域的需求并没有那么迫切，因为通常不需要那么多劳动力，因而更多焦点集中在那些需要人工操作的环节上。

Bennett表示，随着自动化技术同时应用于加工和后端操作，制造商也意识到保持中间环节的有效运转同样至关重要。

 

“如果有人考虑在他们的设施中增加新设备——也许是自动托盘堆垛机，也许是新的封箱机——就要确保这些设备的运行时间和可靠性。其中很大一部分取决于产品的供给方式。”他指出，“如果你投资了25万美元购买了一台机器人托盘堆垛机，你希望确保这台设备能持续并且尽可能频繁地被供料，并且不会造成生产瓶颈。这就是我们发挥作用的地方，能确保产品在任何条件下，都以最佳方式从A点输送到B点，从而实现对该设备的投资优化。”

 

随着车间熟练劳动力日益减少，越来越多工厂开始思考自动化可能带来的好处。

事实上，在特定情况下，有时候唯一需要自动化升级的就是输送系统。Bennett这样认为，他曾是一名从事时间研究的工业工程师。“我们试图减少得最多的浪费就是步行。”他表示，“一个正在步行的员工对任何过程都没有贡献价值。因此，尽量减少员工的移动范围，以及尽量减少产品的移动范围，从某种程度上来说就是节约了劳动力。”

Intralox与一家家禽加工商合作，评估其托盘密封车间的设备。“这是一个更大项目的一部分，他们正在对进入该车间的所有切割工作进行重新设计。”Bennett解释说，他谈到了新的自动化项目往往会涉及到的灰色地带。“有时候，如果你做得不够深入，刚刚实施的自动化可能并不会像预期那样有效。这是其中一个实例，他们花了很多时间和精力考虑在切割部门引入大量设备的可能性。”

在这一操作中，一名工人将家禽放入托盘中，然后托盘沿着一条主干线移动到另一名工人那里，后者会确保托盘中的所有产品都符合要求——因为必须以每分钟120个托盘的速度从生产线上取下，产品会受到推挤。“因此，你花了大量时间和精力在前期进行自动化，以提高产量，但其实你只是将一些问题转移到了下游。”Bennett说。

解决问题的典型方法通常是投入更多人力。当然，在当今这个时代，说起来容易做起来难。“在这个案例中，我们开发了专门的托盘包装处理技术，能够省去每条托盘密封线上的两处人工需求。我们还设计了一台分拣机，一旦托盘包装机将托盘放置在生产线上，它就会进入下一区域并被视觉系统识别，然后送到密封机进行封口并装箱。”

现在的流程不再需要在每条生产线上配备两名员工，但却更好地保持了产品质量。“工厂不再需要额外的员工来处理产品，这使得他们能够按照最初计划的产能来生产而无需担忧支付大量人工成本。”

 

仍然需要付出代价

我们不应忽略的是，小规模并不一定意味着廉价。这些相对较小的自动化项目仍然可能会带来一些巨大的初始和持续成本。

“自动化程度越高，前期要付出的代价就越大。”Hixson 制造工程经理 Scott Wever 说道，“但如果他们能够承受资本方面的压力，就能够看到不需要大量劳动力或实现部分自动化流程使员工更轻松的好处。”

较小的品牌所有者可能没有足够预算来承担大型制造商所做的自动化项目，但他们仍然可以采取一些措施。Wever 建议，可以考虑与设备供应商进行沟通，向他们介绍目前公司的运营状况，了解一下是否有入门级的系统并能够提供足够的灵活性，以便未来的扩展。他表示：“充分考虑灵活性，其目标是在未来几年里能够根据需要逐步增加资本投入。”

任何一个自动化项目都可能没有超出其最初范围的预算，但评估该项目之外的影响至关重要。“我看到过一些失败的案例——预先投入了所有的时间、精力和金钱来提高产能，但后端却还没有为此做好准备。”Bennett说，“所有的成本仍然存在，只是换了个地方。”

Launch Partners 负责人Taylor Keaten在最近一届新兴品牌峰会的小组讨论中指出，采用小规模自动化的很多项目的回收期只有三到六个月。“你可以把从第一个小项目中节省下来的资金用于下一个更高级别的项目。”他说。

Moses对此表示同意，较小的项目确实适合。“我们目前有一个客户正在考虑自动化清洁，这是他们打算分步骤进行自动化的途径之一。我们有一系列总共四个项目，清洁是其中之一，投入少量资金即可。与其让一组工作人员来进行一系列的手动清洗，不如购买具有清洁验证程序的原位清洁（CIP ）设备。现在，不再需要操作员或清洁人员手动做这些工作，他们只要按一下按钮，清洁工作就会自动进行并加以记录。”

这一CIP示例不仅使制造商节省时间和劳动力，自动化系统还可以自动记录所有参数，从而方便进行审计记录。Kulkarni指出：“这不仅使它们高效，还可以实现再现性和可重复性。这很重要，尤其是当你与审查人员对话时，他们需要这些记录来验证已经进行了的清洁过程。”

该客户的另一个项目是配方管理系统。目前，有很多手动搬运配料并记录搬运过程的工作。Moses说：“如果能够投资一些称重传感器或流量计，这是一个相对较小的投资。也许需要一些温度控制器、一些控制系统以及驱动它们的软件。这是既能减少劳动力又能提高一致性的另一种方式。”

Kulkarni认为，技术进步在某些情况下也缩短了投资回报的周期。他说：“我们有一个客户，在过去坚决反对自动引导车辆（AGV），因为无法证明其成本效益。但现在的事实证明了成本的大幅下降。不仅是设备成本，设置基础设施的成本也大幅降低。再也不需要地下的电线了；不需要三角定位；甚至也不需要灯光。因此，基础设施成本下降了，对设施的改造也减少或几乎没有了。该项目的投资回报周期不是5年或7年，而是18个月。”

然而，一些成本更高的项目仍然值得投资。Moses说：“我们有一个客户采用两步冷却工艺。他们使用传统的设备先将产品冷却到食品安全的温度，然后再进行快速冷冻。他们打算通过使用螺旋冷冻机将这两步工艺优化为一步。这项投资并不便宜——很可能是一个需要投入百万美元的项目。但是，物有所值，这样可以节省两步冷却工艺中的劳动力成本。

一个自动化项目的启动自然会带动其他的自动化项目。“自动化暴露了加工过程中的问题。” Newcome指出，“自动化喜欢一致性。由于使用了传感定位技术，所以我们有很大的灵活性，但仍然需要在一定程度上加以控制，即产品流程的控制。如果生产中存在较大差距，则需要了解所有这些运作的原理并进行优化。我们最好的客户是那些认识到这一点并看到自动化好处的客户。”

Newcome建议以开放心态进入第一个自动化项目，意识到可能需要改变该流程的上游或下游环节，才能获得最大化的收益。

 

连接所有自动化部件

即使您正在进行看似一次性的自动化项目，也要记住整体大局。

Moses指出：“随着公司的发展，经常会遇到我们所说的自动化孤岛。因此，当他们想要开设第二个设施、想要开始在公司层面使用这些数据时，那么就需要开始考虑以太网连接并将所有信息整合在一起。这将使企业功能部门能够了解瓶颈所在，以及真正的运行情况。这将有助于其中一些项目的推动。”

而且，最好不要等到以后才考虑这种相互连接的思路，否则情况可能会变得一团糟。Moses说：“当你开始购买第一件设备时，就要有对下一件设备的远见。如果你只使用一个控制系统、软件供应商等，通常会更简单，因为这样你就可以培训员工，让他们习惯使用这些系统。随着公司规模的扩大，你还可以利用价格优势。”

 

寻找哪些操作环节适合进行自动化改造至关重要，解决方法之一是使用计算机仿真模拟。

他还建议找一个合适的集成商来制定总体计划，他说：“如果没有一个合适的集成商来将所有这些整合在一起，并确保整个生产线上各个环节协调一致，那么就很难取得成功，你的设备综合效率（OEE）也会跌至谷底，这样就难以实现高效运营。”

 

其他注意事项

当然，有时自动化并不是解决问题的办法。例如，对于一条产品混合度很高的生产线来说，使用机器人和自动化并不是很好的选择，而对于产品种类单一、产量高的生产线则更为适合。

有时候，并不一定是需要自动化，而只是需要重新规划生产流程以提高效率。

“我们看到很多公司的扩张往往是顺其自然的，对布局没有太多的考虑。”Kulkarni说，“这时，你需要退后一步，弄清楚：你的布局设计是否能够实现运营效率，而不只是因为有了空间就把设备放在那里。我们已经做过很多项目，只是简单地改变了传送带的布局，或者将设备布置成U形，这样同一个员工就可以管理两个不同的站点。这并不是实施了自动化，但仍然有助于提升运营效率、减少对劳动力的依赖，或是提高了现有劳动力的利用率。”

自动化并不能解决所有问题，也不会总是适用于所有企业。正如Hixson的客户开发总监Nathan Arnold所言。他讲述了一个潜在客户的故事，该客户希望继续按照长期以来的方式运营。“他们使用的是一种很老旧的灌装机，瓶子从机器上取下来时，其产品的填充水平很不一致。”他回忆道，“但是，在他们生产线的最后安排了一个员工通过手动方式进行补充，从而使产品达到同一水平。”

这听起来并不是很高效，但对于这家小批量运行的公司来说，他们还没有看到关于新灌装机的投资回报。“雇用工人每小时支付 20 美元，并且每周只运行几天。”Arnold说，“是的，自动化是有益的，但有些客户还没有意识到投资回报率的问题。”

然而，潜在的优势有很多。“我认为我们还只是探索了表面。如果退后一步，站在更宏观的角度审视整个运营，就会发现有很多领域都有进行自动化升级的机会。”Newcome说。

 

作者：Aaron Hand

 

来源：荣格-《 国际食品加工及包装商情》

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