21世紀(jì)的水泥工廠：綠色互聯(lián)

未來(lái)的水泥工廠將擁抱數(shù)字化和可持續(xù)趨勢(shì)，打造競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，建立韌性。

本文由劉寅、唐紅科、侯文皓、王嘉駿、Eleftherios Charalambous、Thomas Czigler、Sebastian Reiter和Patrick Schulze合作撰寫，代表麥肯錫化學(xué)品及農(nóng)業(yè)事業(yè)部觀點(diǎn)。

當(dāng)下正是水泥價(jià)值鏈的核心——水泥工廠建立韌性的關(guān)鍵時(shí)期。2020年，水泥行業(yè)深受新冠疫情影響，全球需求下降了約7%-8%——但各地區(qū)所受影響不盡相同【1】。在疫后復(fù)蘇較好的中國(guó)，水泥行業(yè)也面臨著限產(chǎn)和減排的壓力。盡管工廠只是水泥價(jià)值鏈上的一個(gè)環(huán)節(jié)，但在引導(dǎo)行業(yè)應(yīng)對(duì)顛覆性趨勢(shì)、推動(dòng)企業(yè)取得未來(lái)成功方面卻是至關(guān)重要。

前方的道路非常清晰：擁抱數(shù)字化和可持續(xù)發(fā)展。將這兩個(gè)趨勢(shì)置于未來(lái)規(guī)劃的首位，關(guān)鍵在于要一邊建立高效的數(shù)字化工作新模式，一邊提升水泥企業(yè)面對(duì)顛覆時(shí)的韌性。

未來(lái)水泥工廠的運(yùn)營(yíng)模式將與現(xiàn)在迥然不同。在本文中，我們將描繪有韌性、敏捷、綠色、高效的未來(lái)工廠愿景，探討其商業(yè)價(jià)值，以及高層在確立發(fā)展路線時(shí)應(yīng)考量的戰(zhàn)略要素。

愿景：2030年的領(lǐng)先水泥工廠

未來(lái)的水泥工廠將通過(guò)優(yōu)化能效、配方和產(chǎn)能來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本，提升資產(chǎn)價(jià)值，借助更具針對(duì)性的有效維護(hù)延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行周期。每家工廠的環(huán)境足跡都降至最低，以確保在其運(yùn)營(yíng)的地區(qū)都能獲得經(jīng)營(yíng)許可。工廠根據(jù)實(shí)時(shí)客戶數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整生產(chǎn)和物流，以滿足客戶所需。無(wú)附加值的工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，員工可以將工作熱情傾注于增值活動(dòng)中。各層級(jí)管理者遠(yuǎn)程即可獲取實(shí)時(shí)信息，以更好地制定決策。

未來(lái)已來(lái)。我們的分析顯示，數(shù)字化和可持續(xù)抓手將是水泥工廠大幅提高產(chǎn)能和效率的關(guān)鍵舉措（圖1）。它們可以將每噸水泥的利潤(rùn)提升3-6美元【2】，讓工廠的成本曲線升至同等技術(shù)裝備工廠中排名前25%的水平。（詳見“今天的水泥工廠”）

實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型所需的資金數(shù)額取決于所采取的舉措。例如，為回轉(zhuǎn)窯設(shè)置先進(jìn)分析試點(diǎn)【3】需要專家工作2-3個(gè)月，以收集并分析歷史數(shù)據(jù)，建模和訓(xùn)練系統(tǒng)；投資替代燃料裝置需要高達(dá)數(shù)百萬(wàn)乃至上千萬(wàn)美元的資金，以及長(zhǎng)達(dá)一年的試運(yùn)行時(shí)間；更為激進(jìn)創(chuàng)新的方案則需要更多的資金和時(shí)間。除此之外，業(yè)內(nèi)常見的卓越運(yùn)營(yíng)或合規(guī)性要求，以及其他一些規(guī)定也都需要資金投入。

今天的水泥工廠

在想象未來(lái)的水泥工廠時(shí)，首先需要了解今天典型的水泥工廠。我們參考的工廠使用六級(jí)預(yù)熱器-預(yù)分解爐，包括輥壓式生料磨和兩個(gè)水泥磨，年產(chǎn)熟料200萬(wàn)噸，能夠生產(chǎn)多種類型的產(chǎn)品。工廠設(shè)備的平均利用率為90%，最多可以用15%的替代燃料。

近期，工廠使用先進(jìn)流程控制工具來(lái)管理回轉(zhuǎn)窯、生料及水泥磨。工廠設(shè)有中控室全面監(jiān)督運(yùn)營(yíng)，作業(yè)員每天集中檢視數(shù)字屏上的班次結(jié)果。設(shè)備部門將每日檢查日志記錄到可靠性管理工具中，確保下次設(shè)備檢查時(shí)點(diǎn)檢員能夠了解情況。在這樣一家工廠，每噸水泥的成本在35-40美元之間。

運(yùn)營(yíng)領(lǐng)跑者：賦能數(shù)字化及先進(jìn)分析

和其他行業(yè)相比，水泥行業(yè)尚處于全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型的初級(jí)階段。在54家被認(rèn)為是“燈塔”（即應(yīng)用工業(yè)4.0技術(shù)的領(lǐng)先者）的制造工廠中，沒(méi)有一家是水泥工廠（詳見“制造4.0：世界經(jīng)濟(jì)論壇定義的燈塔工廠”）。然而，監(jiān)管趨嚴(yán)、需求降低，以及建筑生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的廣泛變化，使得水泥行業(yè)迫切需要應(yīng)用工業(yè)4.0技術(shù)以確保競(jìng)爭(zhēng)力。

在未來(lái)的水泥工廠中，價(jià)值（而不見得是產(chǎn)量）至關(guān)重要?；跀?shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行決策將是常態(tài)，工廠會(huì)通過(guò)持續(xù)的調(diào)整適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的變化。產(chǎn)品組合增至現(xiàn)有規(guī)模的5-10倍，通過(guò)動(dòng)態(tài)的約束條件和目標(biāo)尋優(yōu)來(lái)管理運(yùn)營(yíng)，并同步調(diào)整相應(yīng)的生產(chǎn)參數(shù)。數(shù)字孿生（Digital twins）模擬并優(yōu)化了外部變化對(duì)運(yùn)營(yíng)的整體影響，將從燃燒等復(fù)雜工藝到維護(hù)等更結(jié)構(gòu)化的活動(dòng)都囊括在內(nèi)。

必須留在工作現(xiàn)場(chǎng)的員工進(jìn)一步減少，互動(dòng)式線上儀表盤讓管理者可以通過(guò)遠(yuǎn)程合作解決問(wèn)題，他們能夠根據(jù)全面的信息與團(tuán)隊(duì)一起快速?zèng)Q策。設(shè)備工程師會(huì)被及時(shí)告知設(shè)備故障或即時(shí)維護(hù)工單，并在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的幫助下，按照操作指南一步步進(jìn)行修復(fù)。

強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)將推動(dòng)水泥價(jià)值鏈全面整合，包括不同職能之間的融合。先進(jìn)分析算法改善了物耗、產(chǎn)量、質(zhì)量、能效以及熟料摻加量【4】。通過(guò)對(duì)設(shè)備綜合利用率（OEE）損失的自動(dòng)追蹤以及先進(jìn)分析賦能軟件，可以定制設(shè)備管理策略，提升設(shè)備可靠性并延長(zhǎng)使用壽命（圖2）。

制造4.0：世界經(jīng)濟(jì)論壇定義的燈塔工廠

自2018年起，世界經(jīng)濟(jì)論壇與麥肯錫合作研究先進(jìn)的制造領(lǐng)軍企業(yè)（或稱“燈塔”）不同于業(yè)內(nèi)其他企業(yè)的特質(zhì)。世界經(jīng)濟(jì)論壇將“燈塔”定義為有能力應(yīng)用第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）技術(shù)，通過(guò)工廠、價(jià)值鏈和業(yè)務(wù)模式的轉(zhuǎn)型來(lái)實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)和運(yùn)營(yíng)影響的制造企業(yè)。燈塔的概念并不局限于工廠本身，也代表了各種工廠模式的可復(fù)制性以及價(jià)值鏈整合程度。

截至2020年9月，世界經(jīng)濟(jì)論壇燈塔網(wǎng)絡(luò)囊括了工業(yè)4.0中的54家領(lǐng)先工廠。新的端到端燈塔利用數(shù)字互聯(lián)來(lái)推廣工廠內(nèi)的數(shù)字化運(yùn)營(yíng)，同時(shí)為價(jià)值鏈中的各職能消除阻礙。此外，端到端燈塔也持續(xù)推動(dòng)技術(shù)擴(kuò)展邊界，超越工廠屬性，迅速提升效益并重塑客戶旅程【1】。

注釋：

1. Kate Whiting，《這十座新的“燈塔”工廠展示了制造業(yè)的未來(lái)方向》，世界經(jīng)濟(jì)論壇，2020年9月17日， weforum.org

碳中和下的水泥行業(yè)：應(yīng)對(duì)氣候變化的先鋒

2017年，水泥生產(chǎn)為全球貢獻(xiàn)了7%的二氧化碳排放量。持續(xù)收緊的排放標(biāo)準(zhǔn)，以及社會(huì)和政府的共同脫碳目標(biāo)都將對(duì)行業(yè)產(chǎn)生重大影響，可能會(huì)顛覆整體價(jià)值鏈。水泥制造商需要重新審視其產(chǎn)品、投資組合及合作伙伴，并努力實(shí)現(xiàn)碳中和。

根據(jù)我們的分析，到2050年，水泥行業(yè)的碳排放量將較2017年減少75%。其中，約20%來(lái)自運(yùn)營(yíng)進(jìn)步，如能效提升和熟料替代；另10%來(lái)自替代燃料——然而，各地區(qū)替代燃料的可得性不同，鋼鐵、電力等相關(guān)行業(yè)在脫碳方面的進(jìn)展情況也有所不同。天然火山灰、工業(yè)副產(chǎn)品【5】等熟料替代品也面臨類似情況。

碳捕集、利用與封存（CCUS）等創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用將有助于建設(shè)更綠色、高效的工廠。在推廣方面，CCUS技術(shù)或許是最先進(jìn)的技術(shù)方案。水泥廠家使用該技術(shù)捕集排放的二氧化碳，獲取碳固化水泥（一種將二氧化碳鎖定在終端產(chǎn)品中的利用方法），或者將碳存儲(chǔ)在之前的油氣田中。其他的清潔理念，包括電解和細(xì)菌產(chǎn)生碳酸鈣都需要大量投資來(lái)落地，且先發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯。最重要的是，工廠與水泥生產(chǎn)的整體價(jià)值鏈緊密掛鉤，有助于其以最有效的方式實(shí)現(xiàn)碳減排和碳捕集。做實(shí)排放追蹤、開展端到端碳核算，以及構(gòu)建全價(jià)值鏈透明度都有利于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)情況。

落地：顛覆現(xiàn)有模式

如今，大多數(shù)工廠仍然依賴人工或過(guò)時(shí)技術(shù)，采用傳統(tǒng)、非敏捷的運(yùn)營(yíng)方式，并在尋找和留用重要崗位上的熟練工人方面挑戰(zhàn)重重。過(guò)往兼并的以及大量有待完成的新項(xiàng)目需要投資，使得工廠無(wú)心也無(wú)力開展徹底變革。此外，盡管在過(guò)去20年里，水泥行業(yè)的IT基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營(yíng)技術(shù)已經(jīng)取得了極大進(jìn)展，但新的“企業(yè)-資源-規(guī)劃”系統(tǒng)、流程優(yōu)化工具，甚至預(yù)見性維護(hù)因遭遇管理變革的挑戰(zhàn)以及不同工廠間的文化差異，以致效果不夠理想。

水泥企業(yè)應(yīng)著手對(duì)其工廠乃至整個(gè)價(jià)值鏈進(jìn)行評(píng)估，了解在每個(gè)市場(chǎng)細(xì)分領(lǐng)域的差距和機(jī)遇。如此一來(lái)，企業(yè)不僅能確定實(shí)際的數(shù)字化和可持續(xù)愿景，還能推動(dòng)有關(guān)綜合戰(zhàn)略的探討，并將之融入每座工廠的詳細(xì)轉(zhuǎn)型路線圖。水泥企業(yè)可以自上而下地為每座工廠設(shè)立目標(biāo)，也可根據(jù)工廠的實(shí)際抓手自下而上地確定目標(biāo)。無(wú)論采取哪種方式，他們都能通過(guò)專門的能力學(xué)院來(lái)同步建設(shè)數(shù)字化能力。做好能力建設(shè)之后，工廠應(yīng)志存高遠(yuǎn)，聚焦于能夠?yàn)槠髽I(yè)和客戶創(chuàng)造最大利潤(rùn)的活動(dòng)。

成功的道路不止一條，每家工廠都應(yīng)根據(jù)自身情況、目標(biāo)、集中化意愿、現(xiàn)有內(nèi)部能力等因素選擇適合自己的路徑。啟程之前，亟待水泥企業(yè)思考的問(wèn)題都與價(jià)值創(chuàng)造相關(guān)——哪些應(yīng)用和技術(shù)能夠最大幅度地提升價(jià)值？效率最高和產(chǎn)能最大，究竟哪個(gè)才能帶來(lái)整體價(jià)值最大化？實(shí)現(xiàn)全整合的生產(chǎn)流程能否產(chǎn)生更高利潤(rùn)？

疫情讓水泥企業(yè)意識(shí)到開啟數(shù)字化轉(zhuǎn)型旅程宜早不宜遲。數(shù)字化、可持續(xù)的未來(lái)愿景更能幫助工廠在產(chǎn)能、效率和韌性上獲得長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)，這一認(rèn)知要比獲取外部投資更為可貴。

每座工廠都需要建立敏捷運(yùn)營(yíng)模式，包括對(duì)組織架構(gòu)、能力、基礎(chǔ)設(shè)施、流程和合作伙伴進(jìn)行調(diào)整。領(lǐng)導(dǎo)者需要獲得授權(quán)以引領(lǐng)團(tuán)隊(duì)達(dá)成目標(biāo)，保持開放透明、以客戶為中心，并樹立團(tuán)隊(duì)的責(zé)任感。工廠不能只聚焦成本，在以精益方式開展日常運(yùn)營(yíng)的同時(shí)，還要關(guān)注能夠創(chuàng)造更高價(jià)值的各項(xiàng)舉措。穩(wěn)定的組織架構(gòu)能夠確保組織有共同的目標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)、文化和價(jià)值，從而實(shí)現(xiàn)開放、簡(jiǎn)單的知識(shí)分享。更具效率、更可持續(xù)的發(fā)展只是未來(lái)愿景的一部分，在接下來(lái)十年中，水泥企業(yè)必須在價(jià)值鏈各環(huán)節(jié)開展行動(dòng)，確保水泥生產(chǎn)兼具經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)可持續(xù)性。

注釋：

【1】   Paul Roger，《新冠疫情對(duì)全球水泥市場(chǎng)的影響》，全球水泥市場(chǎng)，2020年6月，cemnet.com

【2】   不考慮創(chuàng)新設(shè)備對(duì)減排的影響

【3】   Eleftherios Charalambous、Robert Feldmann、Gérard Richter和Christoph Schmitz，《AI生產(chǎn)：重資產(chǎn)制造商的變局要素》，2019年3月7日，McKinsey.com

【4】   Eleftherios Charalambous、Thomas Czigler、Robert Feldmann和Patrick Schulze，《AI促進(jìn)核心資產(chǎn)》，國(guó)際水泥評(píng)論，2019年2月，cemnet.com；Charalambous、Feldmann、Richter和Schmitz，《AI生產(chǎn)：重資產(chǎn)制造商的變局要素》

【5】   Thomas Czigler、Sebastian Reiter、Patrick Schulze和Ken Somers，《為零碳水泥打下基礎(chǔ)》，2020年5月， McKinsey.com