世界在短短幾個月內發生了巨變。我們看到亞洲和歐洲相繼從樂觀心態轉變為恐懼與焦慮。

在美國，人們看著海外國家與最終成為全球流行病的疾病作斗爭，然后懷著極大恐懼等待著冠狀病毒的到來。制造商競相推遲正常生產以保證工人的安全，與此同時許多制造商抓住機遇，生產急需的裝備和個人防護設備（PPE）。

為了防止冠狀病毒感染人數急劇增加而導致捷克醫療系統崩潰，由捷克布拉格捷克技術大學生物醫學工程系成員Karel Roubík教授領導的非常規呼吸小組（NVT）研制出一種經濟有效的CoroVent呼吸機樣機。

“時間緊迫，我們必須在幾天，最多一兩周內交付可用的設備，”Beckhoff捷克子公司總經理Tomá? Halva解釋道，他強調了該項目的緊迫性，這也得到了包括眾籌在內的許多渠道的支持。“真正特別的是只用了一周就做出了樣機進行測試。”

開發小組由來自不同公司和大學的約15名專家組成，由Roubík及其同事通過私人關系和互聯網選出。Halva解釋說：“我認識其中一位發起人，我看到他在Facebook發布的相關帖子，然后立即給他打電話，問他Beckhoff能幫什么忙。”“畢竟這個項目將幫助許多人，可能挽救許多生命。此外，Roubík是捷克呼吸機領域的頂尖專家，過去曾成功開發出用于多種應用的這類設備。”

Halva說，這一切都是為了匯集醫療、電氣和氣動系統的專業人才，然后齊心協力開發呼吸機。“該呼吸機是專門為治療冠狀病毒感染患者而設計的，并不是所有呼吸機都適合。此外，將呼吸機的功能限制在治療冠狀病毒所必需的范圍內，加上專家們提供的免費開發服務，這些因素大大降低了設備成本。”

Beckhoff在團隊中負責控制系統，以確保設備操作非常簡單，這樣未經培訓的人員也能使用。“作為對項目的免費支持，我們用一個周末設計了控制系統并編寫了控制程序，包括可視化功能，”Halva解釋道。“特別感謝我的兩位同事Matú? Adamec和Zdenek Kosour，他們都是偉大的應用工程師和程序員。”

汽車行業的加入

3月下旬，通用汽車與位于密歇根州奧本山的JR Automation子公司Esys Automation（www. esysautomation.com) 接洽，協力生產口罩以抗擊COVID-19爆發。該項目成果顯著，建立了一條能每天生產50000個口罩的完整裝配線，通用汽車需要在不到一周的時間內運行這些設備（圖1）。

口罩計劃

圖1：該項目成果顯著，建立了一條能每天生產50000個口罩的完整裝配線，通用汽車需要在不到一周的時間內運行這些設備。

日立全資子公司Esys和JR Automation的領導團隊分析了該項目，并制定了下一步計劃。該團隊在幾天內評估了通用汽車的要求，然后根據現有零件制定計劃，立刻開始生產。

第二天JR Automation與多個部門協作實施該計劃，而通用汽車則迅速準備其位于密歇根州沃倫的潔凈室。

位于納什維爾和荷蘭的JR Automation工程建造團隊為Esys Automation提供了這類系統的專業輸入和共享技術。JR的內部加工和制造部門設計并制造了特制機械來組裝口罩。在整個JR Automation體系中，控制與機械工程團隊與供應鏈團隊密切合作以確保所有部件的安全性，盡管許多供應鏈因此次危機而中斷。Esys Automation的建造團隊晝夜不停地組裝部件，將第一臺設備交付給通用汽車，隨后通用汽車利用在6天內建成的JR Automation生產線生產出了應對COVID-19危機的第一個口罩。

此時的美國

福特與通用電氣醫療集團合作，利用Airon的FDA認證呼吸機的設計在密歇根州進行生產。在美國汽車工人聯合會以及福特和通用電氣醫療的全力支持下，通用電氣/Airon A-E型呼吸機于4月20日在福特位于密歇根州伊普西蘭蒂的Rawsonville零部件廠開始生產。

福特預計將在100天內生產5萬臺此種呼吸機，此后每月可根據需要生產3萬臺。

福特能為快速規模化生產提供制造能力，通用電氣醫療可以提供臨床專業知識，并將從Airon（一家專門從事高科技氣動生命支持產品的小型私人控股企業）獲得呼吸機設計授權。通用電氣醫療讓福特關注到Airon的設計，兩大公司借助此舉迅速擴大呼吸機生產規模以幫助臨床醫生治療COVID-19患者。

通用電氣/Airon A-E型呼吸機采用無需電力即可在氣壓下工作的設計，滿足了大多數COVID-19患者的需求。可以迅速擴大其產量，從而滿足美國不斷增長的需求。

“借助創造性與不懈努力，福特和通用電氣醫療團隊找到了一種方法來快速量產此種至關重要的呼吸機，”福特總裁兼首席執行官Jim Hackett說。“通過與美國汽車工人聯合會的緊密合作，我們在密歇根州生產此種呼吸機，它們能幫助醫護人員拯救生命，這是我們的首要任務。”

福特最初派出一個團隊與Airon合作以提高佛羅里達州的產量，同時在其密歇根州的工廠開始生產。福特預計到5月底生產12000臺，到7月4日生產50000臺（圖2）。

福特的工廠將幾乎日夜不間斷地生產此種呼吸機，由500名美國汽車工人聯合會選出的有償志愿者采用三班倒進行生產。目前位于佛羅里達州墨爾本的Airon工廠每天生產三臺Airon pNeuton A型呼吸機。全面投產后，福特計劃每周生產7200臺Airon授權的A-E型呼吸機。

逆境中的變革

變革從來都不易，快速轉換生產類別和生產能力并不是一件易事。根據范圍和規模的不同，需要考慮各種因素，特別是技術方面。

“如果你想將機器、生產線或設備從生產一種產品轉換成另一種完全不同的產品，那么需要考慮與控制和自動化相關的多個方面，”Outbound Technologies公司（www.outboundtech.com）密歇根州新哈德遜辦公室總經理Chris Tury, Jr.說，該公司是控制系統集成商協會（CSIA, www.controlsys.org)成員。“我們一直在重新調整用途和進行改造工作，但通常是針對同一類型的不同產品，或者至少是同一行業內的不同產品。”

圖2：福特預計將在100天內生產5萬臺此種呼吸機，此后每月可根據需要生產3萬臺。

提高產能

Tury解釋說，例如一臺能壓印出汽車門板的機器可能會多次調整用途，但這是為了生產不同類型的門板而對其進行改動。這確實充滿挑戰，但并不是做無用功。

Tury接著說：“例如，把為住宅墻板烤漆的機器換成烤面包的裝置就必須考慮新的因素。”“監管要求和標準是關鍵。醫療器械組裝等行業必須遵守嚴格的驗證標準。有些工序需要減少污染控制，而另一些工序則不需要。有時我們還必須跟蹤、記錄和報告這些監管要求。現代自動化系統就是為此而設計的，因此應當予以考慮。”

Tury解釋說，環境條件在自動化和控制系統的運行方面起著重要作用。“某些生產設定會導致設施產生相關副產品，如空氣中的油、電機諧波和環境照明變化。這些條件會影響自動化系統的效率與性能。例如，用于質量控制的工業視覺系統經過測試和驗證可在特定條件下運行。如果改變這些條件，則必須重新進行定位和性能驗證。”

我們在新聞中看到的大多數工廠正在將其設施中未使用的角落改造成手動生產呼吸機的場所，B&R Industrial Automation（www.br-automation.com）市場總監John Kowal解釋說。“我不認為這是產品切換，甚至不算是對現有機器的重新配置，”他說。“這看起來幾乎是手工操作，雖然也有一些固定裝置，但并不是一個高產的自動化環境。我的一位同事指出，畢竟幾個月后呼吸機產量將過剩，工廠會恢復生產現有產品或新產品，這才是公司的核心事業。因此當你實現自動化流程時，生產線也該關閉了。”

Kowal解釋說，采用自適應機器的設施可以考慮用適當的自動化設備重新配置裝配單元，但我們仍處于自適應機器的采用階段。“我們看到了針對特定機器的自適應技術，能實現零切換時間或調整批量尺寸，”他說。“下一步是通過軌道互連的集成生產線。但目前這不會安裝在汽車工廠里。”

Kowal在汽車零部件制造業（比如電路、轉向總成、交流發電機等）中見過的大部分自動化系統都是在專用的定制機器上運行，這些機器不適用于低容量、短程的呼吸機裝配。他表示：“或許將非汽車機電產品的手動裝配線重新配置成呼吸機生產線更為可行，比如小家電、空氣流通風扇或輪胎充氣機等。”

輸送貨物

“亨利·福特是否預見到了工業在自動化生產線概念方面所能達到的復雜程度呢？這一概念使福特的制造業發生了革命性變化“C3Controls（www.c3controls. com）業務開發經理Bill Romick問道。“世界大戰、冷戰、太空競賽、技術競賽和世界災難有時需要工廠的產能作為重要支點。”

Romick說，在每一座大型工廠中，電動輸送機都象征著無處不在的自動化技術。將汽車工廠這種規模的設施從生產預期產品轉換為呼吸機之類的設備仍需要一套物料處理系統，他解釋道。“工廠可以選擇改造現有系統和部件或者購買新設備。如果輸送機、無人駕駛車輛、包裝和碼垛設備是自動化的，則需要適當的斷開開關、電機控制、切斷裝置、電路保護、安全聯鎖、緊急停止裝置和指示燈。”

工廠樓層平面圖必須遵守規定，指定電源位置、電機斷開和緊急停止裝置。Romick解釋說：“簡化生產線轉換過程的可選方案包括現成的封閉式斷開開關或封閉式緊急停止開關。”“其他現成組件包括封閉式電動機保護斷路器和封閉式直接在線起動器。封閉式直接在線起動器包括電動機控制接觸器和過載繼電器；或電動機保護斷路器以及接觸器。必須考慮電氣/電機斷路開關的上鎖/掛牌功能。”

Newark（www.newark.com）高級產品經理Daniel Weiss表示，要重組工廠以生產或組裝不同類型的產品，既可以簡單地對可編程邏輯控制器進行重新編程，也可以復雜地建造一條全新生產線。

他解釋說：“需要對系統的當前狀態進行詳細分析，同時改進給定用例和系統的不同涉眾的需求。”“改裝的概念通常是指局部替換現有系統的子部件，例如用新的、更節能、更小的電機替換大型電機。如果重新編程不起作用，另一個辦法是將舊計算機和可編程邏輯控制器換成更快的處理單元。”

Weiss指出，由于汽車工廠每年都在更新換代，因此將設備升級到最新行業標準最可能發生在最近一次的升級換代過程中。“然而，由于設備大小的區別，生產線本身會有所不同，”他解釋說。“生產規模的變化要求工廠加強對生產過程中揀選和分類操作的檢查。其目的是確保業務的效率、連通性和盈利能力。”

提前計劃

西門子數字工業軟件公司（www.siemens.com）數字企業業務發展總監Tom Hoffman說：“重新編程、重新布線和測試需要很長時間，生產時間太長，所以無法發揮作用。”“如果只能從產品文檔開始，那么最好的辦法是利用現有工廠提供的訓練有素的生產人員構建一條手動生產線。自動化發揮重要作用的地方是最終測試區域。通過發布工作說明文檔、記錄測試值和存儲測試數據以供設備設計師或FDA評估，自動化可以對最終測試排序，以確保剛生產的產品達到可使用要求。”

貝克霍夫自動化公司（www.beckhoff.com）美國機電產品經理Jeff Johnson表示，將一條生產線或工廠轉變為生產醫療設備、呼吸機或個人防護設備（PPE）并非易事，因此需要一種全員共同參與的解決方案。他說：“對于機械制造商來說，靈活、模塊化、基于PC的自動化技術降低了控制平臺遭遇巨大變化時的復雜性。”

Johnson解釋說，自動化軟件讓工程師能利用自己最熟悉或最適合的語言進行編程，無論是IEC 61131-3的面向對象擴展、功能塊還是計算機科學標準。

Johnson說，從機械角度來看，伺服系統和線性傳輸系統等靈活運動控制部件能讓不同產品類型和尺寸間的轉換變得更加順暢。他解釋說：“在特定情況下，協作能力和靈活性是關鍵，因此對可擴展和模塊化技術進行標準化是實現團隊融合的有效方式。”

合規與產業反思

“雖然所有公司都在關注質量和過程控制，但是從普通小部件切換到COVID-19相關產品（如呼吸機、消毒劑或PPE產品）時，合規性要求將大大提高，”Todd Mason-Darnell博士，歐姆龍自動化美洲公司（automation.omron.com）服務與安全營銷經理。“以此前生產的產品為基礎，工廠可能需要增加跟蹤所有制造工藝的能力。”

他警告說，工廠需要在整個循環中標記和跟蹤單個部件和組件。“條形碼可以應用于制造物品，”Mason-Darnell解釋說。“條形碼閱讀器可用于跟蹤生產設施內的材料，并提高整個供應鏈的庫存可見性。”

IIoT集團（www.advantech. com）首席技術官兼IIoT解決方案總監Mike Fahrion說，制造業在過去30年里的重點是學習如何生產產品，然后想盡一切辦法降低成本。他提醒道：“我們在密切關注成本、質量和生產率指標的同時實現了自動化、外包和供應鏈整合。“如今我們突然深陷困境，這些指標被復原能力和靈活性所擊敗。不幸的是我們認識到過去幾十年的低成本策略已經對復原能力和靈活性產生了負面影響。”

Fahrion預測，當我們從COVID-19疫情中恢復后，行業會重新評估關鍵績效指標，并把應對市場需求快速變化時的檢測和響應能力納入績效指標。

風險與挑戰

轉換過程中未能妥善解決的問題會給制造過程帶來風險，并可能導致更長的啟動周期、更多的不合格產品和機器故障。此外，制造商必須認識到新工藝對設備故障的影響，以及制造新產品的勞動力的有限知識儲備。通用電氣數字集團（www.ge.com/digital）數字產品管理總監Ranbir Saini警告說：“這兩個因素都會減緩生產速度，增加不合格產品，導致運營商成本和安全隱患的增加。”

“生產酒精、消毒劑等液體時，公司需要一個可重復配方用于批量生產，”Saini解釋說。“由于無需修改可編程邏輯控制器代碼，所以批處理執行管理軟件可以實現配方的調度與執行，以及批處理的快速排序。制造商利用模型系統能輕松制作并部署配方，以便在特定類型的任意設備上運行，同時擁有更高靈活性。”

最初，轉換過程等同于非生產時間和花費在清潔、調整和驗證機器設置上的許多工時，Saini指出。“制造業成功的關鍵是利用強大的軟件解決方案來維持靈活的生產環境，確保所有流程都在快速運行，從而滿足當前不斷變化的需求。”

進行工廠改造時需要考慮許多重大挑戰，但Allied Electronics and Automation公司（www.alliedelec.com）高級解決方案與技術支持主管Jim Davis認為有三方面可以說明整個過程。一是工廠的實際布局。例如，如果你一直生產2噸重、12英尺長的汽車，而現在需要生產尺寸小得多的呼吸機，那么需要克服一些挑戰。除了物理尺寸問題，在構建過程中你還會面臨所使用的工作站、傳感器等電氣系統帶來的挑戰。最后，你需要全新的控制程序來處理新的生產任務。

Davis解釋說：“為了提升現有廠房的生產效率，你需要找到利用已安裝的運輸和材料管理系統的方法。”“可以使用適合當前系統和新部件的夾具來完成。雖然制造夾具和適配器會產生一些成本，但這也有助于降低其他成本。使用已安裝設備的第二大優點是當恢復正常生產時，以前的物理設置大多仍處于過渡前的位置。”

如果一個采用裝配線的生產設施想維持生產效率，那么必須解決電氣基礎設施這一挑戰。Davis解釋說：“利用現有工作站可以給新工具使用相同電源，并且不需要改變建筑物的照明。”“盡量使用正常生產中的相同傳感器及其他現場設備也有助于縮短過渡時間并降低成本。”

Davis指出控制系統是一個主要障礙；制造商們已經花了幾十年時間完善生產計劃。“請記住，研發可編程邏輯控制器和分布式控制系統時考慮了保持其靈活性。你可以將代碼存儲在遠離控制器的地方，這樣在需要恢復正常生產時，這一過程將非常簡單，”他說。“為臨時性新產品更改生產控制時，不需要從零開始。”