卡特彼勒數字化轉型案例及其對工業互聯網的啟示

來源:彭俊松

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞:數字化 工業互聯網

    卡特彼勒作為全球工程機械行業的領先企業,其數字化戰略的推行從上世紀90年代中期使用Telematics連接出廠設備開始,就一直沒有停下腳步。20多年之后的今天,市場上連接的卡特彼勒設備數量已經達到了56萬臺。無疑,卡特彼勒是全球工程機械領域里實踐工業互聯網的鼻祖

    卡特彼勒的數字化戰略是以客戶為中心Customer Centric)”,它的數字化愿景是“從數字獲取洞察,由洞察驅動行動”。這兩句話看起來十分常見,但卡特彼勒用堅實的腳步,一步一步地按計劃踐行,取得了扎實的效果。

     

    數字化轉型的第一步:面向客戶的CAT Connect

     

    卡特彼勒數字化轉型的第一步,正是遵循“以客戶為中心”的客戶優先戰略,建立了CAT Connect(官方翻譯為“卡特智能”)系統。它通過在出廠設備上安裝傳感器,采集設備數據,智能地運用各種技術與服務來監控、管理和加強設備的運行狀況,從而讓客戶更好更深入地控制現場作業,提高生產效率、降低成本、增強安全性,實現更加綠色和可持續性的業務。

    CAT Connect不是一個封閉的系統,它甚至可以連接和管理其他廠家的工程機械設備。舉例來說,卡特彼勒在北美的一個客戶,擁有大約一萬臺設備,其中只有三分之一來自卡特彼勒。這家客戶希望由一家企業將所有的設備連接起來,用一個屏幕來管理它們的使用情況。卡特彼勒通過自己的硬件,使用了其他設備廠家的API,加上自己的Telematics技術,在一年之內,實現了客戶的目標,將設備的整體使用率提高了15%。對于這種規模體量的客戶來說,這是一個非常顯著的管理提升。

    2017年開始,卡特彼勒開始使用AT&T的物聯網4G服務,將CAT Connect這套服務推廣到155個國家。它可以給卡特彼勒、經銷商和客戶提供近乎實時的關于設備在工作現場的性能信息。

    盡管CAT Connect在幫助客戶提高設備管理水平上發揮重要的作用,但這并不意味著卡特彼勒的186家經銷商被排除在這場數字化轉型之外。事實上,在經過數字化技術改造過的服務流程中,經銷商發揮著更加重要的作用。通過物聯網,將數據從分散的設備采集并集中到一個地點之后,就可以獲得大量的洞察,例如對設備故障進行預測分析,從而為客戶提供更多有價值的服務,改變了經銷商過去“等服務上門”的業務模式。

    卡特彼勒將這些服務包含在了移動App中,建立了卡特彼勒、經銷商和客戶的協同工作方式。并且,針對不同的行業,這套移動App對應不同的解決方案。卡特彼勒開發了10個行業方案,以便更加貼切不同行業客戶的需求。

     

     

    圖:基于CAT Connect的移動App

     

    在客戶端,卡特彼勒在接下來的3~4年里,計劃將AR/VR技術引入到服務和銷售環節。AR技術不僅可以在客戶使用設備的環節,以及保養和維修的環節發揮作用,還可以用在銷售環節中。試想經銷商如果可以使用VR技術來向客戶展示設備,可以節省大量的展示設備的庫存資金。

    通過10余年以來不斷打造CAT Connect,卡特彼勒在客戶和經銷商端實現了數字化轉型。那么,下一步繼續前進的方向在哪里呢?

     

    數字化轉型的第二步:數字化業務經營系統

     

    作為一家制造業公司,企業自身的數字化建設永遠是數字化轉型的主要陣地。卡特彼勒作為全球工程機械行業的龍頭,經歷了太多次全球經濟的起起伏伏。每一次的起伏,都會直接反映到工程機械市場以及卡特彼勒的業務上來。數字化技術為卡特彼勒提供了一個重要的手段,就是可以實時地對整個價值鏈進行監控和管理,從上游供應網絡的每一個成員,到制造工廠的每一臺機器,再到每一個經銷商,以及每一個客戶和每一臺銷售出去的設備,都可以連接起來,從管理的視角進行數字化映射,從而確保對每個最小單元進行有效的管理。通過這種更為精細化的管理方式,使得企業的盈利能力不會因為外部市場環境的變化而波動。

    舉一個例子。在建筑機械行業大幅滑坡的2016年,卡特彼勒在建筑行業的收入從2015年的178億美元下滑到2016年的156億,跌去了12%;利潤也同步從18.7億下滑到16.5億,同樣也跌去了12%。換個角度說,就是卡特彼勒的利潤率,并沒有隨著銷量的下滑而有任何變化。無疑,這才是一個成熟的全球化企業經營實力的表現。

    數字化技術在幫助卡特彼勒建設這樣一個業務經營系統的過程中扮演了重要的角色。最重要的環節,就是打造一個將卡特彼勒整個價值鏈上的各個業務要素和業務單元進行快速連接和精準管理的數字化經營系統,包括了三大基石:

    一是神經——基于物聯網技術,連接所有的產品和設備。無論這些產品和設備的地點是在上游的供應鏈,還是在企業的工廠,或是下游的渠道和客戶,卡特彼勒將感知的觸角延伸到企業上下游的每一個角落,讓企業擁有四通八達的神經系統。

    二是骨骼和肌肉——基于支撐大數據的商業應用系統,吸納來自數字神經系統的數據,推動上下游的業務流程的運轉,讓卡特彼勒擁有高效敏捷的骨骼和肌肉。

    三是大腦——在上述兩項基石的基礎上,建立起集產品數據、設備數據和業務數據(包括客戶數據在內)于一體的的經營駕駛艙——這里稱之為“數字化行情室(Digital Board Room)”,從而讓企業擁有可以快速決策的大腦。

     

    如下圖所示,這樣的一個數字化業務經營系統,在最上端包括了一個“數字化行情室”,在“數字化核心”打造的數字化運營基礎上,通過“數字化供應網絡”和“數字化客戶”源源不斷地導入客戶和供應網絡的數據,從而建立起更大范圍的數字化生態系統,并在“數字化行情室”中展示、分析和決策。

     

     

    圖:卡特彼勒的數字化經營系統

     

    實時工廠Live Factory的IT系統

     

    上圖中的“數字化供應網絡”,其核心無疑是卡特彼勒打造的“實時工廠”(Live Factory)。實時工廠的設計思想,同樣遵循了卡特彼勒數字化業務經營系統的“神經+骨骼和肌肉+大腦”理念,將基于OT的應用打造的神經系統、基于IT的系統打造的骨骼和肌肉,以及基于數字化行情室打造的大腦,完美地結合在了一起。

    讓我們首先來介紹一下卡特彼勒實時工廠的IT系統。像卡特彼勒這樣規模的全球化生產制造企業,其IT系統的核心,是其全球化的生產計劃與調度體系。卡特彼勒按照計劃覆蓋的時間周期長短,將其生產計劃體系分為四個層面的內容,它們分別是:

    全球生產網絡流程GPNP(Global Production Network Process):確保5到10年內最優的制造網絡規劃。GPNP主要包括三大目標:加強與預期銷量的配合、提高與生產相關的資產的回報、提高企業內部不同地區和部門之間的協同。從2005年開始,該系統開始投入使用。

    高層產品項目EPP(Executive Product Program):這是一個對3年內的制造資產進行投資、建設或購買及采購進行決策的能力計劃。在實際運行過程中,EPP也會被分為短期決策和長期決策,長期增加產能的決策會讓企業在市場競爭中處于有利地位,但是從短期來看會對企業的現金流帶來約束。

    銷售與運營計劃S&OP(Sales & Operation Planning):這是對18個月的市場需求進行管理的系統。一方面,卡特彼勒需要對市場銷售做出預測;另一方面,預測的結果也需要在生產、物流等部門進行協調和修改。SAP的集成業務計劃IBP(Integated Business Planning)系統在這里發揮了重要的作用。

    模型混合計劃MMPMode Mixed Planning):基于SAP的高級排產與優化APO(Advanced Planning &Optimization)系統,卡特彼勒實現了從周到數月的生產排序管理,將客戶訂單、銷售預測、庫存和生產結合起來,以最優的方式組織工廠進行生產。

     

     

     

    圖:卡特彼勒的生產計劃的四個層次

     

    在卡特彼勒的實時工廠,眾多互聯的自動設備組成了多產品混線生產的自動線。承接模型混合計劃MMP所生成的生產定單的,是SAP的制造執行ME(Manufacturing Execution)系統,它會根據不同產品的生產定單進行信息配置與傳達,指導工人進行對應操作或指揮設備自動執行操作。通過這套系統,工廠極大提高了生產線的自動化率,有效實現了無紙化生產信息管理,并大大降低了產品不合格的風險。同時,SAP ME的數據采集功能實現了生產數據的全程可追溯性,為工藝流程的提高和改善提供了充分的數據依據。

    到這里為止,卡特彼勒的整套IT系統實現了從長期的制造網絡規劃一直到排序的生產定單的執行,但卡特彼勒的實時工廠的建設道路到這里還遠沒有停止。

     

    實時工廠Live Factory的OT系統

     

    卡特彼勒的實時工廠的OT系統,從設備層的數據采集,再到數據分析,以及最上層的“數字化行情室”,不僅體現了“從數據到洞察”的理念,并且與IT系統中不同時間跨度和周期的生產計劃對應,打通了“從洞察到行動”的閉環,使得這套數字化業務經營系統真正成為企業可以駕馭的“高速列車”。

     

     

    圖:卡特彼勒的實時工廠的OT架構及其與IT的閉環

     

    卡特彼勒實時工廠的OT系統,采用了大量的SAP Leonardo應用,包括:

    SAP車輛洞察VI(Vehicle Insight):對現場的物流車輛進行監控和管理。監控的數據不僅包括從車輛傳感器采集的設備運行性能數據,還通過與SAP ERP中的物流數據進行匹配,不但可以對物流車輛的運行狀況進行監控,還可以對業務價值(如不同補貨類型下的有效運載距離和時間等)進行全方位的評估,提高整體工作效率,降低成本,實現成本最優的基于地點的自動物料補貨機制。

     

     

     

    圖:SAP車輛洞察VI實現了對現場物流車輛的監控和管理

     

    SAP制造集成與智能MIIManufacturing Integration & Intelligence):SAP的MII實現了SAP ME與SAP ERP之間的集成,并將來自SAP ME和SAP ERP的數據進行可視化,提供各種類型的KPI報表,成為對數字化工廠進行管理的重要工具。

     

     

     

    圖:SAP制造集成與智能MII采集來自ME和ERP的數據,并進行可視化展示和分析

     

    SAP整體設備效率OEEOverall Equipment Effectiveness):SAP的OEE可以幫助企業實時和充分地掌握設備和整個工廠的效率情況,進行原因分析,并在整個集團內進行跨工廠的分析和比較,從而提高制造設施的生產效率。

     

     

     

    圖:SAP整體設備效率OEE幫助企業提高制造設施效率

     

    SAP關鍵零件跟蹤CPTCritical Parts Tracker):零部件是否到位,是決定工廠的生產能否順利進行的關鍵。盡管通過物料需求計劃MRP,可以對零部件的供應進行計劃,但是實際情況仍然要比系統所能計劃的要復雜和動態。通過將零部件分為不同的類型(缺失件、熱點件和短缺件),并與ERP、制造執行ME和車輛洞察VI等系統連接,可以實時連續地對關鍵零件生成跟蹤儀表板。

     

     

     

    圖:SAP關鍵零件跟蹤CPT實現了對零部件的實時連續跟蹤

     

    SAP預測性維護與服務PdMSPredictive Maintenance & Service):工廠設備尤其是關鍵設備的正常穩定的運行,對于生產計劃的完成率和工廠運行效率起到重要的作用。通過采集設備上的傳感器數據,通過一系列的統計算法,挖掘出數據規律,根據設定的規則生成相應的維修工單,從而提高了工廠設備的自動化管理水平,改善了設備的運行效率,確保生產計劃順利執行。

     

     

    圖:SAP的預測性維護與服務PdMS實現了設備的檢修工單的自動生成

     

    SAP設施績效指標和SAP數字化制造洞察:這是一個基于云的應用,提供了一種更為靈活的方式,對來自卡特彼勒各地工廠采集的OT數據進行匯總和分析,便于管理層從集團的角度對各地的工廠進行管理,并加強與IT系統的互動

     

     

    圖:SAP的設施績效指標和數字化制造洞察,幫助管理層總體掌握工廠運行情況

     

    上述這些SAP Leonardo應用,配合SAP制造執行系統,在設備級實現了對生產設備、物流設備以及相關設施的數據采集、監控和分析。在這些設備級OT應用的基礎上,產生出相應的洞察,交由對應的生產計劃和執行系統加以執行,從而實現了“神經+骨骼和肌肉+大腦“的閉環。

    小結

    制造業的數字化轉型是一條漫長的道路。對設備進行智能化改造,通過遠程接入來改善客戶體驗和提高售后服務收入,是工業物聯網技術在產品生命周期后半段的應用。這僅僅代表了卡特彼勒在20多年以前的實踐和認知。而要打造一個真正的工業互聯網,更多更難的工作量,體現在打造實時工廠在IT層面的生產體系,OT層面的數據采集與分析,以及IT與OT的融合以及OT對IT的決策支持。直到今天,卡特彼勒還在后面的幾項工作中進行持續的投入和探索。它代表了美國工程機械的領先企業,對于工業互聯網作為企業數字化整體架構的認識和實踐,值得我們借鑒和學習。

    (審核編輯: 智匯張瑜)

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