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坚定做“碳中和”的数字化先锋,Siemens Opcenter打造光伏全产业链数字化工厂典范

来源:西门子数字化工业软件全球高级副总裁兼大中华区董事总经理 梁乃明     发布时间:2021-07-22
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践行“碳中和”的先行军:光伏产业

碳中和加速,新能源势起。实现碳中和,能源是主战场,电力是主力军。碳中和本质上是改变能源供给结构,在源头上减少排放,在供给过程中减少消耗,在需求侧改变能源替代。从能源使用上看,电能、热能、燃料是三种最重要的能源终端形式,以清洁能源替代燃料能源的使用,电力是最佳方式,而光伏正是清洁发电中的佼佼者。

从政策导向来看

一方面,发电行业的碳排放交易市场在2021年7月16日开市。碳配额发放收紧,碳价升高,势必推动光伏等新能源行业的发展;另一方面,新能源上网电价通知发布,光伏新建项目指导价均低于燃煤基准价,光伏发电将全面迈入平价时代。

从产业结构来看

光伏产业位于发电行业的供给侧,2030年的“碳达峰”目标将进一步促进供给侧改革、优化产业结构、提升能源效率,确保在碳达峰后实现经济增长与碳排放脱钩。

“双碳”理念的普及与深入人心,为光伏产业带来了发展机遇,同时也提出了更高要求。如何强化光伏供应链管理、化解产能与需求错配的矛盾,重视光伏产业链各生产环节的品质、提高全产业链的资源调整和优化能力,这些都需要光伏产业以更高的智慧来积极应对。在“碳中和”形成全球共识的过程中,光伏产业将依托碳中和进一步实现高质量发展。

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图 1 光伏产业链示意图




助力光伏产业迈入数字化时代,Siemens Opcenter争做数字化先锋

光伏产业发展始终围绕两大轴心:工艺技术创新和价值链重塑,即工艺技术提升带来转换效率不断提升,以及数字化、智能化带来资源整合与配置能力不断强化,这两大轴心在工业4.0时代交汇于高质量的制造运营管理(Manufacturing Operations Management, MOM)这一核心纽带。

事实上,制造运营管理是联系产品生命周期、资产/工厂生命周期、订单生命周期、供应链生命周期等不同发展轴心的纽带,同时也是物质流、能量流、信息流汇聚融合、价值转移、传递流通的中枢。

一方面,工艺技术的提升要依赖制造运营数据的驱动,利用先验工艺知识,观察工艺过程的输入输出来归纳运行规律,打开工艺机理的黑箱。光伏制造过程中伴随着大量的数据的产生,包括计划数据、工艺数据、质量数据、异常数据、设备运行参数等,但大多以割裂的状态存在于各种生产记录中,很难通过数据整合还原当时的生产场景,严重阻碍了先验工艺知识的获取。


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图 2 典型硅料制造工艺提升要素


另一方面,光伏产业对价值链的期望,是打造一个信息实时共享的端到端体系,在这种端到端的价值链整合中,每一个企业都是多层次价值链上的一个节点,那么每一个企业都需要准备好参与到这个信息共享的新时代。价值链上的信息共享和流动对企业内部的数据透明和数据流动都提出了客观要求,信息在价值链上的流动速度会受制于它在企业中的流动速度。

企业内部数据透明和数据流动的基础条件,首先是实现工厂物联,尽可能多的连接工厂的4M1E(人Man, 机Machine, 料Material, 法Method, 环Environment)要素。这些要素一旦拥有了数字通信能力,那么大量的智能信息就是准备就绪的状态,随时可以被采集、上下文关联、聚合、分析,建立事件的因果联系,从而转化为人的洞察力,帮助企业制定正确的行动计划,使运营决策变得更有效率。

光伏产业迈入数字化时代的第一步,就是建立MOM的信息数字化能力体系。Siemens Opcenter是一个全面的MOM数字化解决方案,帮助光伏企业实现制造运营的数字化战略。



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图 3 西门子制造运营管理(MOM)产品组合Opcenter


Opcenter凭借自身强大的信息数字化能力,将大面积的工厂资源接入泛在感知的物联网,实时收集数据,再通过不同级别的聚合分析,构成完整的上下文来还原生产场景,使经营决策者能够随时识别出光伏产品制造过程中有待改进的环节,并及时进行必要的调整,在企业内部形成对数据的一种运用模式:采集→上下文关联→聚合→分析→行动,实现更平稳更高效的生产。

提升上游硅料硅片企业的品质一致性和精细化管控能力

光伏产业的上游是硅料硅片生产企业,硅料企业是典型的重资产企业,由于高资本支出和建设周期相对较长,硅料企业扩产速度较慢,其扩产周期远高于下游企业。因此,硅料企业是光伏行业的“卡脖子”环节。“双碳”目标下,全球光伏装机量增加引发硅料硅片企业扩产,同时随着技术扩散,行业内出现新的竞争者。不断升高的原材料成本和较大的竞争压力,使硅料硅片企业的经营者不得不思考如何优化配置现有的资源降本增效、提高产品质量。

一方面,硅料硅片企业需要杜绝无谓的消耗,让更多的原材料被有效的应用到真实产品当中,提高原材料的利用率;另一方面,要提高品质的一致性和精细化管控能力,提高光电转换效率,增加产品的附加值。

光伏电池片最为核心的两大技术指标就是电池片的厚度和光电转换效率,都取决于硅片切割的工艺技术和硅片的表面质量。硅片在切割时必须精准控制切割金刚线的直径、切割速度和总切割面积,在硅片不破碎的情况下,使切割出的硅片厚度高度一致,并缩短切割时间。

Opcenter Execution将工艺规范、人员作业程序、控制参数整合到电子化的作业指令中,通过Opcenter IoT与生产设备无缝对接,精准传递控制参数,为人员提示精准的操作步骤,对硅片生产的每道工序实施精细化管控,确保工艺操作被正确的执行,将人工干预对硅片质量的影响降到最低程度;同时,精准跟踪人员操作、过程参数、检测数据、原辅料批次等信息,形成脉络清晰、完整可追溯的产品谱系。谱系中的原始事件传递到Opcenter EMI作因果分析,帮助经营者识别可改善的环节。

硅片切割过程中,金刚线连续高速走线,需要连续研磨7至8个小时才能完成切割,期间金刚线发生的磨损会导致硅片尺寸的误差,影响着硅片的质量。Opcenter Quality能够实时收集Opcenter IoT的质量检测数据,绘制SPC控制图形,根据数学统计规律自动识别质量不受控的异常状态并发出告警甚至强制停机,实现在线事前预防质量问题,将良率控制在非常高的水平。



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图 4 硅片厚度在线SPC控制图示意


强化中游电池组件企业的价值流管控能力

光伏产业的中游是电池片和组件生产企业,相较于上游产能吃紧的状况,电池片产能相对过剩,承受着上游环节价格上涨压力和原材料短缺带来的压力。组件是上游各产品的集成,技术壁垒不高,资产也较轻,然而集合了光伏上游中游各制造环节产品,原辅料采购资金占用高,更加考验企业的供应链管理能力。


面临来自各方面的压力和挑战,电池片组件企业除了在产品上加快更新迭代,丰富产品家族,拓展市场盈利空间以外,还需要加快在制品价值流动,压低原材料成品库存,降低总体拥有成本TCO,加速现金回流。

光伏企业的供应链管理是在通盘考量生产能力、质量、交付、生产计划、制造成本、利润、安全、排放等诸多相互冲突的因素下进行的。在这样一种复杂的技术决策过程中,建立畅通的“供产销服”联动体系和信息联动模式非常重要。

西门子Opcenter APS是一种基于供应链管理和约束理论的中长期计划及详细排产工具,包含大量的数学模型、先进算法以及假设性(What-if)分析技术。在供应链规划过程中,Opcenter APS将企业内外资源与能力约束都囊括在考量范围之内,运用优化算法,做常驻内存的计算。


西门子Opcenter Execution与ERP、销售、仓储物流等系统集成,打通供产销服信息联动的渠道,它以极小的(事务活跃)时间因子(通常是ERP系统的十分之一)向Opcenter APS提供实时计划进度、库存水平、交付情况等,以变APS能够迅速做出调整,快速反应供应链上的供需波动,从而将在制品和库存控制在一个合理的水平。

身体力行为下游光伏系统数字化运维提供西门子方案

光伏产业的下游主要包括光伏建筑一体化建设、地面集中式光伏电站系统和分布式光伏系统的集成、安装、运营以及维护等。它是光伏系统的直接应用环节,连接着其他各行各业、市场与社会,最终实现全产业链的价值。如果说光伏产业是践行“碳中和”的先行军,那么光伏系统的应用就是先行军的“排头兵”,肩负着实现“双碳”目标的使命与重托。

如何实现光伏系统的安全高效运行?

西门子用亲身实践经历,为光伏运营企业提供解决方案。在西门子位于北京的园区,成功部署了屋顶光伏电站,预计将帮助园区在未来25年中减少超过8700吨碳排放。这一项目的成功离不开西门子基于云的数字化光伏运维平台的助力,通过实现光伏组件级的监控和诊断功能,真正解决屋顶光伏电站的运维难题。

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图 5 数字化光伏运维解决方案

Opcenter Execution帮助运营企业管理数字化的光伏系统维护计划和维护工单,以Condition-based和Time-based两种方式实现工单自当派发,使西门子光伏系统的运维分包商能够在手机移动端领取维护作业任务并及时报告作业执行情况。Opcenter Execution跟踪工单的执行状态,对工单的执行结果做统计分析,形成采集→上下文关联→聚合→分析→行动的应用模式,实现更平稳更高效的运维。

结语:坚定做“碳中和”的数字化先锋,西门子一直在行动

西门子Opcenter一直都在致力于发展有助于提升企业运营水平的数字化创新技术,以信息数字化能力的培植带动企业数据的增值,陆续转化为企业的资源调整配置能力,在“量变“与”质变“间架接桥梁。

作为全球领先的科技公司,西门子对于中国社会的可持续发展秉持着相同的信念,也已将“双碳”目标列入自己发展的长期目标之中。截止目前,西门子已经超额完成公司全球二氧化碳排放量减少50%的目标,为西门子树立企业绿色形象的同时,更以自己的实际行动彰显对中国社会可持续发展的责任和担当。而这一目标的达成,更离不开数字化创新技术的成功应用。



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