PCB設(shè)備待機(jī)精益節(jié)能技術(shù)

閔秀紅

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518117）

1 前言

“節(jié)能降耗”是國家“十二五”規(guī)劃中提出的要實(shí)現(xiàn)的一個重要目標(biāo)和落實(shí)“轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式”的具體舉措。PCB生產(chǎn)企業(yè)，作為能源消耗大戶，怎樣在市場競爭越來越激烈的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)和發(fā)展壯大企業(yè)是其面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。很多專家和企業(yè)都在研究關(guān)注，不少企業(yè)因?yàn)樾姓詈痛蟓h(huán)境的壓力，也在積極尋找方法。

設(shè)備電力消耗是PCB生產(chǎn)的最主要能耗，在如何有效降低設(shè)備能耗，成為PCB企業(yè)界的重要課題，能否有效降低設(shè)備能耗，不僅關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營成本的高低，而且關(guān)系到后期的可持續(xù)發(fā)展。

2 設(shè)備待機(jī)“零”能耗節(jié)能管理的來源

待機(jī)能耗是指產(chǎn)品在關(guān)機(jī)或不行使其原始功能時的能源消耗。 在民用電力消耗領(lǐng)域，待機(jī)能耗已經(jīng)占到了國際經(jīng)濟(jì)合作組織國家（OECD）民用電力消耗的3%～13%。待機(jī)能耗的迅速增長和由此引發(fā)的環(huán)境問題越來越引起世界各國的廣泛關(guān)注，紛紛制定了相應(yīng)的政策和措施來限制和降低待機(jī)能耗。例如2001年美國總統(tǒng)布什在美國能源部的講話中，形象地把待機(jī)能耗比做“吸血蟲”，并號召人們都來關(guān)注這一問題。

同樣在制造業(yè)設(shè)備能耗中，設(shè)備待機(jī)能耗就像吸血蟲一樣吸食著電費(fèi)和能源，同時也制造著巨大的環(huán)保壓力，這其中也蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能潛力可以挖掘。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在PCB生產(chǎn)設(shè)備中，即便運(yùn)行效率最高的線路板數(shù)控鉆機(jī)，平均待機(jī)時間占總開動時間的30%左右。如圖1所示，利用我司數(shù)控鉆機(jī)稼動率監(jiān)控軟件數(shù)據(jù),抽取2013年6月～11月60臺數(shù)控鉆機(jī)稼動率數(shù)據(jù)分析，結(jié)果設(shè)備總待機(jī)時間占31.55%。設(shè)備待機(jī)能耗浪費(fèi)有很大的改善空間。

設(shè)備待機(jī)對于產(chǎn)品本身，不具有任何價值貢獻(xiàn)，對于能耗而言，完全是浪費(fèi)的。實(shí)測我司8KW手動曝光機(jī)的待機(jī)功率和曝光時的運(yùn)行功率，根據(jù)能耗對產(chǎn)品的價值貢獻(xiàn)考量，計(jì)算出該設(shè)備的能耗增值比僅為44.7%（圖2），如果該設(shè)備的待機(jī)能耗改善為“零”，那么設(shè)備能耗可下降65.3%，每天可節(jié)電329 kW/h，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益非常可觀。

結(jié)合上述圖1， 2實(shí)例分析，由此可見，設(shè)備待機(jī)狀態(tài)比例及能耗相對很高，在不改變設(shè)備正常運(yùn)行功能的情況下，減少設(shè)備待機(jī)時間，降低設(shè)備待機(jī)能耗，改善的潛力非常巨大。對設(shè)備待機(jī)能耗進(jìn)行有效的改善及管理，對于節(jié)能降耗工作推進(jìn)將具有重要的意義！

3 設(shè)備待機(jī)“零”能耗節(jié)能管理的內(nèi)涵

我司在節(jié)能降耗的工作實(shí)踐中，將精益生產(chǎn)做為基礎(chǔ)，從“浪費(fèi)”和“價值”角度審視設(shè)備待機(jī)能耗，消除不增值能耗，消少能耗浪費(fèi)；重視技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步，以技術(shù)創(chuàng)新為核心；從減少待機(jī)功率，縮短待機(jī)時間、提升待機(jī)能源效率、減少待機(jī)能源損耗四方面入手，建立了以追求設(shè)備待機(jī)“零”能耗的設(shè)備節(jié)能創(chuàng)新管理模型（圖3）。

圖1 線路板數(shù)控鉆機(jī)待機(jī)時間分析

圖2 8 kW手動曝光機(jī)能耗增值比

圖3 設(shè)備待機(jī)“零”能耗設(shè)備節(jié)能管理模型

3.1 以精益生產(chǎn)為基礎(chǔ)

精益生產(chǎn)（Lean Production）是對日本豐田準(zhǔn)時化生產(chǎn)JIT（Just In Time）生產(chǎn)方試的贊譽(yù)稱呼。精，即少而精，不投入多余的生產(chǎn)要素，只是適當(dāng)?shù)臅r間生產(chǎn)必要數(shù)量的市場急需產(chǎn)品；益,即所有經(jīng)營活動都要有益有效，具有經(jīng)濟(jì)效益，其核心是消除一切無效勞動和浪費(fèi)。在企業(yè)層面來看，精準(zhǔn)生產(chǎn)的核心是消除無效勞動和浪費(fèi)，而在設(shè)備層面，也有“無效勞動和浪費(fèi)”需要消滅，工廠內(nèi)有大量的設(shè)備，這些設(shè)備是否合適的，是否在做“有效勞動”，這正是改善的切入點(diǎn)。因此，在設(shè)備管理方面實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)的核心就是最大程度上消滅設(shè)備做無用功的時間，讓設(shè)備每分鐘每秒都在做高效的有效勞動。

在節(jié)能降耗的工作實(shí)踐中，通過將精益生產(chǎn)引入設(shè)備的節(jié)能降耗管理中,首先利用價值流程圖，審視從能源傳輸、能源轉(zhuǎn)換到能源利用的整個過程，關(guān)注各個環(huán)節(jié)的能源消耗、轉(zhuǎn)換效率、使用效率，梳理出了多個問題點(diǎn)，形成相應(yīng)的精益項(xiàng)目。進(jìn)而對其系統(tǒng)性的分析問題、分解項(xiàng)目，針對不同的問題，使用精益、六西格瑪、群策群力等工具綜合加以解決，最終取得了良好的效果。

3.2 以技術(shù)創(chuàng)新為核心

節(jié)能降耗要靠結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)進(jìn)步和加強(qiáng)管理三種途徑來實(shí)現(xiàn)。就節(jié)能而言，結(jié)構(gòu)節(jié)能是一項(xiàng)長期任務(wù)，管理節(jié)能要靠要靠日積月累，從某種意思上講，技術(shù)節(jié)能更且有實(shí)效性。在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)一時沒有重大變化的情況下，技術(shù)進(jìn)步，技術(shù)創(chuàng)新顯得尤為重要，只有在技術(shù)、工藝、設(shè)備和材料的創(chuàng)新與應(yīng)用上取得重大突破，才能在較短的時間內(nèi)推進(jìn)節(jié)能降耗工作再上新臺階。

科技進(jìn)步和技術(shù)革新在社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著巨大作用。作為PCB生產(chǎn)企業(yè)，節(jié)能工作的關(guān)鍵在于能否運(yùn)用科技進(jìn)步和技術(shù)革新手段改造傳統(tǒng)落后的工藝、設(shè)備，實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化。因此要實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗工作達(dá)成目標(biāo)，必須以技術(shù)創(chuàng)新為核心。

3.3 以設(shè)備待機(jī)“零”能耗為目標(biāo)

精益生產(chǎn)的核心的思想是“旨在需要的時候，按需要的量，生產(chǎn)所需的產(chǎn)品”，“零浪費(fèi)”為精益生產(chǎn)終極目標(biāo)。在傳統(tǒng)應(yīng)用中，精益注重的是通過價值流程圖尋找一切不增值的活動，消除流程的浪費(fèi)。同理設(shè)備待機(jī)能耗，作為設(shè)備運(yùn)行時“浪費(fèi)”的、不增值的能耗， 因此設(shè)備待機(jī)“零”能耗為設(shè)備節(jié)能改善的終極目標(biāo)。

4 設(shè)備待機(jī)“零”能耗節(jié)能管理的實(shí)踐

結(jié)合生產(chǎn)過程的現(xiàn)場實(shí)際，將精益生產(chǎn)理念充分融入到設(shè)備管理工作中, 運(yùn)用設(shè)備待機(jī)“零”能耗的節(jié)能管理模型理論，進(jìn)行了如下諸多節(jié)能技術(shù)改造工作。

4.1 縮短待機(jī)時間—水平線傳送定位控制熱風(fēng)機(jī)啟停

我司水平線設(shè)備啟動階段，開啟設(shè)備的模式為一鍵啟動，啟動后，整條設(shè)備傳送、加熱、水泵和熱風(fēng)機(jī)全部依次開啟。設(shè)備啟動完畢后，當(dāng)沒有投入板件加工時，實(shí)際上此刻設(shè)備在做無用功。即便是設(shè)備一開機(jī)就投入板件，仍然會有大量部件在做無用功，因?yàn)閺耐度氲?塊PCB板，進(jìn)板位到最后一個烘干段出板位，傳送等待時間內(nèi)，烘干段熱風(fēng)機(jī)就一直在做無用功。

改善為傳送定位控制熱風(fēng)機(jī)后，設(shè)備啟動后，烘干段熱風(fēng)機(jī)暫不啟動，當(dāng)?shù)谝粔KPCB板進(jìn)入設(shè)備入板段，進(jìn)板感應(yīng)器感應(yīng)到PCB板，將有板信號轉(zhuǎn)換為邏輯數(shù)字“1”，無板時轉(zhuǎn)換為邏輯數(shù)字“0”，隨著傳送編碼信號的遞增，實(shí)現(xiàn)PCB板在設(shè)備當(dāng)前位置狀態(tài)的精確定位，同時設(shè)置間隔時間，必免大功率設(shè)備頻繁啟停，設(shè)備后工位的熱風(fēng)機(jī)段內(nèi)有“1”時，熱風(fēng)機(jī)才啟動，無一個“1”，就自動關(guān)閉。使熱風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了“有功”利用，消除了設(shè)備等待時間內(nèi)的能耗浪費(fèi)。

如圖4所示，我司水平去鉆污線吹干風(fēng)機(jī)啟?？刂聘纳疲纳魄暗谝粔KPCB板入板到最后工位強(qiáng)風(fēng)吹干，需要等待20分鐘，改善后對PCB板的傳送定位控制風(fēng)機(jī)啟動，減少了11KW風(fēng)機(jī)等待15分鐘的能耗浪費(fèi)。如果每天更換12次料號，每次需要走完最后一塊板，才能投入新料號。即 ：

11 kW×12次/天（換料號）×15/60 h×320天/年=10560度電/年，小小的浪費(fèi)往往容易被忽視，如果將其改善，減少這類待機(jī)浪費(fèi)，積少成多，節(jié)能的收益也是很可觀的。實(shí)施過程中，對此方案進(jìn)行推廣應(yīng)用，梳理出共60條可改善項(xiàng)，改善后預(yù)計(jì)全年可節(jié)電60萬度電。

圖4 水平線熱風(fēng)機(jī)傳送定位啟停示意圖

4.2 減少待機(jī)能源損耗—層壓主次熱媒油爐改造

熱媒油爐是PCB真空層壓機(jī)最主要的耗能設(shè)備，熱媒油在設(shè)備待機(jī)時需要提前加熱和保溫。原設(shè)計(jì)理念集加熱、冷卻與一體（圖5），升溫階段需要對整罐油進(jìn)行加熱，降溫階段則是需要對所有熱油進(jìn)行冷卻。壓機(jī)壓一趟板的完整溫度設(shè)定過程為100 ℃逐漸升溫至180 ℃（最高升溫至200 ℃），隨后保溫80 min，然后由180 ℃（最高升溫至200 ℃）降至100 ℃，升溫階段需要加熱所有熱媒由至相應(yīng)溫度，降溫時則需冷卻水對所有的熱油進(jìn)行冷卻。整個升溫過程集體升溫、集體冷卻如此循環(huán)，存在較大的能源浪費(fèi)損耗，不能做到能源的集約利用。

圖5 OEM壓機(jī)原加熱控制系統(tǒng)示意圖

對其改善后如圖6所示，是對4臺分散壓機(jī)加熱系統(tǒng)進(jìn)行集中供熱，冷卻則是獨(dú)立冷卻系統(tǒng)，做到資源集約。把所有的熱媒油集中在一起進(jìn)行加熱，同時根據(jù)冷熱交換量進(jìn)行計(jì)算，把原有加熱爐改為次級爐分段冷卻。保證能量利用最大化。

圖6 OEM壓機(jī)改造后加熱控制系統(tǒng)示意圖

后期為了將設(shè)備待機(jī)過程中，熱量的浪費(fèi)損失降至最低，采用新型保溫材料，使加熱爐、管道的整體熱量損失得到很大的改善。采用新舊保溫棉后，加熱器、管道、儲存罐表面溫度對比如下表1所示。

表1 新舊保溫棉表面溫度比較

未保溫?zé)崃繐p失計(jì)算初步計(jì)算為159.8 W/m2/h，保溫后熱量損失為151.8 W/m2/h，層壓一期儲油罐、管道面積合計(jì)約36 m2，層壓二期儲油罐、管道面積合計(jì)約30 m2。

每日節(jié)電量：8W/m2/h×36m2×24h+8W/m2/h×30m2×24h=12672W=12.672 kW

層壓主次熱媒油爐改造項(xiàng)目的實(shí)施，在不影響溫度和正常功能的情況下做到能源節(jié)約，減少了熱煤油的熱能浪費(fèi)損失，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 減少待機(jī)功率—水平線自動無板停機(jī)

設(shè)備在不使用時，關(guān)機(jī)無疑是最節(jié)能的方法，但在實(shí)際操作中，由于現(xiàn)場的更換料號、轉(zhuǎn)工等待、溫度等因素影響，減少下一次啟動等時間，使設(shè)備不能完全關(guān)機(jī)。為了減少這類設(shè)備待機(jī)浪費(fèi)，對待機(jī)功率進(jìn)行減少改善。

實(shí)施過程中，對60條水平線設(shè)備的無板停機(jī)功能，進(jìn)行了改善和管理。改善方法是，在設(shè)備出完最后一塊PCB板時，設(shè)備自動啟動無板停機(jī)功能，關(guān)閉所有水泵，風(fēng)機(jī)，只保留使藥水活性和減少溫升時間的加熱功能，減少了設(shè)備待機(jī)功率90%。我司多數(shù)水平線設(shè)備都設(shè)計(jì)有自動無板停機(jī)功能（圖7），對沒有無板待機(jī)的水平線設(shè)備進(jìn)行增加，并對自動停機(jī)時間參數(shù)時間進(jìn)行管控，做到不浪費(fèi)1 s待機(jī)時間，項(xiàng)目實(shí)施后，預(yù)計(jì)節(jié)約能耗浪費(fèi)1 033 kW/h，產(chǎn)生了可觀的收益。

圖7 水平線自動無板停機(jī)界面

4.4 提升能源效率-UVLED曝光機(jī)

提升設(shè)備的能源效率，讓設(shè)備不管是運(yùn)行、待機(jī)狀態(tài)，所消耗的能源都是最低的，是100%對產(chǎn)品的有用功、增值的。做到設(shè)備待機(jī)“零”能耗，設(shè)備運(yùn)行100%做的有用功，才是降低設(shè)備能耗的終極目標(biāo)。

在印制電路板生產(chǎn)阻焊曝光工藝，主要利用UV紫外線照射把圖形轉(zhuǎn)移至油墨上。一般采用超高壓水銀燈或金屬鹵素?zé)?，單支燈管功率通常達(dá)7 kW ～10 kW，在PCB曝光燈管中的能耗最高，這種燈開啟后需要預(yù)熱，設(shè)備待機(jī)時燈管處于常開狀態(tài)，能源效率極低，能耗增值比不足50%（如上述圖2所示），而且這種傳統(tǒng)水銀燈會產(chǎn)生大量的熱與紅外線，需搭配冷卻系統(tǒng)與空調(diào)設(shè)備，增加額外的能耗浪費(fèi)，這些傳統(tǒng)曝光燈的缺點(diǎn)，業(yè)界一直致力于改進(jìn)，但因原始硬件的局限性一直難以突破。

近年來隨著大功率UV-LED的問世，為印制電路板曝光特種光源帶來革命性的變化。

我司節(jié)能降耗設(shè)備改善團(tuán)隊(duì)與UV-LED面光源設(shè)備商合作，歷時1年多，終于將UV-LED面光源成功應(yīng)用在阻焊曝光機(jī)，為國內(nèi)PCB業(yè)界首創(chuàng)，是PCB曝光領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革新！

傳統(tǒng)的紫外線汞燈曝光方式，功率大光源散熱面小，使用大量散熱設(shè)備產(chǎn)生無價值的高能耗，UVLED面光源屬于冷光源，無須設(shè)計(jì)反光罩系統(tǒng)，光冷卻系統(tǒng)，能量利用效率極高。減少了不必要的輔助設(shè)備的能耗浪費(fèi)。

UV-LED光源使用時無需燈管預(yù)熱，瞬間點(diǎn)亮，無需待機(jī)，即刻達(dá)到100%功率紫外輸出，設(shè)備待機(jī)功率真正做到“零”待機(jī)。

采用UV-LED面光源照射方式，發(fā)出的是高純度365 nm和395 nm混合紫外光，其能量高度集中在油墨所需要的光譜段，UV-LED面光源雖然只有5 mW/cm2左右的紫外光強(qiáng)度，但其實(shí)際使用效果和光強(qiáng)45 mW/cm2的金屬鹵素?zé)粜Ч幌嗌舷碌闹饕颍ǔＪ蛊毓鈺r間縮短到0.5 s ～ 5 s，所產(chǎn)生的光譜能量是100%的有用功。

實(shí)施改善后的節(jié)能效果如圖8所示。待機(jī)功率做到真正為“零”，運(yùn)行時的功率下降了83.3%，節(jié)能效果非常明顯，能源利用率極高。

圖8 使用紫外線汞燈和UV-LED面光源電費(fèi)對照

這些節(jié)能改善都是圍繞減少設(shè)備待機(jī)浪費(fèi)和消除不增值能耗這一核心而進(jìn)行的。通過實(shí)踐有效的降低了設(shè)備能耗，并且取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 設(shè)備待機(jī)零能耗節(jié)能管理的實(shí)施效果

我司運(yùn)用此套管理方法，從設(shè)備細(xì)微入手，不斷深挖設(shè)備待機(jī)能耗潛能，最大限度降低設(shè)備待機(jī)能耗。經(jīng)過1年多的項(xiàng)目推行，設(shè)備能耗的單位面積電耗持續(xù)減少，設(shè)備單位面積電耗較上年下降5%，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

該項(xiàng)目的成功實(shí)施用“事實(shí)”徹底改變了很多人關(guān)于“設(shè)備節(jié)能降耗我們已經(jīng)做的非常好，已接近極限水平了，不可能再有任何改善和提高”的觀念和思想。進(jìn)而帶動了廣大職工學(xué)習(xí)精益六西格瑪和節(jié)能改善的熱情及行動，有力地促進(jìn)了節(jié)能降耗持續(xù)改進(jìn)工作的順利開展。

6 結(jié)語

深南電路王成勇副總對節(jié)能降耗工作說過,“節(jié)能降耗不僅僅是節(jié)約成本，同時也是一種責(zé)任，更是對我們自己創(chuàng)造力的激發(fā)”。通過創(chuàng)新和實(shí)踐摸索總結(jié)出的設(shè)備待機(jī)“零”能耗節(jié)能創(chuàng)新管理模式，促進(jìn)了節(jié)能創(chuàng)新管理的新思路，開創(chuàng)了節(jié)能降耗的新局面，一大批新技術(shù)、新方法在管理創(chuàng)新的帶動下付諸實(shí)施，為節(jié)能降耗目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，起到了良好的推動作用。