智能制造下的汽車行業(yè)工業(yè)設(shè)備能源監(jiān)測及分析

王娟

摘要：當(dāng)前世界各國都在積極尋求和開發(fā)新的能源，加之我國仍處于發(fā)展階段，對能源的需求量巨大，節(jié)能降耗的問題越來越引起國家和社會的關(guān)注和重視。工業(yè)領(lǐng)域向來是能源消耗較多的領(lǐng)域，因此在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能尤為重要。工業(yè)領(lǐng)域的能源管理項目是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途經(jīng)。在工業(yè)系統(tǒng)中，汽車制造業(yè)又是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在汽車制造業(yè)實施先進的能源管理體系可以大幅降低資源和環(huán)境成本，獲取更好的經(jīng)濟和社會效益，同時達到節(jié)能減排的目的。隨著國家和社會對制造業(yè)節(jié)能減排的要求的提高，粗放型的能源管理方法已經(jīng)不能滿足未來發(fā)展的需要。因此，通過應(yīng)用智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，精細化的能源管理方式以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的能源消耗預(yù)測的建模已經(jīng)成為當(dāng)前重要的研究方向。

關(guān)鍵詞：智能制造;汽車

1 工廠工業(yè)設(shè)備能源監(jiān)測分析系統(tǒng)簡介

以某整車廠的焊裝和總裝車間為試點，搭建了工廠工業(yè)設(shè)備能源監(jiān)測分析系統(tǒng)。此項目是以信息、計算機視頻圖像等控制技術(shù)為手段，面向汽車制造的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)能源信息的數(shù)字化、能耗過程的可視化、決策處理集成化的綜合性系統(tǒng)工程。汽車制造業(yè)工業(yè)設(shè)備能源監(jiān)測分析系統(tǒng)項目的實施對生產(chǎn)車間提高產(chǎn)能、減少停機維修時間具有深遠的意義。目前，該整車廠的各車間控制系統(tǒng)高度標(biāo)準(zhǔn)化，在試點項目實現(xiàn)此設(shè)備能源監(jiān)測平臺，也可推廣到其他焊裝、噴漆及總裝，為今后設(shè)備故障的快速處理以及預(yù)防性檢修做好準(zhǔn)備。目前該項目第一階段已經(jīng)實施完畢，并取得了較好的成果。

2 汽車制造工業(yè)設(shè)備能源管理現(xiàn)狀

目前整個汽車制造行業(yè)大部分企業(yè)對工廠的能源管理的認知是相當(dāng)浮于表面且有盲點的。例如在用電高峰期強制停用高耗能設(shè)施;工業(yè)設(shè)備更換為具有節(jié)能功能的設(shè)備;但是諸如以上這些措施在本質(zhì)上并不能達到節(jié)能降耗的目的。事實上，這種缺乏具體數(shù)據(jù)佐證的做法，可能投入了大成本卻得不到相應(yīng)的預(yù)期節(jié)能效果。在項目實施之前工廠內(nèi)沒有生產(chǎn)耗電的詳細信息;因此即使存在用電浪費的情況也不能及時發(fā)現(xiàn)并找出其原因;同時人員抄表得到的數(shù)據(jù)也是有延時的，并非是實時的，一方面不能及時的發(fā)現(xiàn)問題，另一方面發(fā)現(xiàn)問題后回溯數(shù)據(jù)也非常的困難。

因此實現(xiàn)節(jié)能降耗必須實施先進的能耗管理方式，先進的能源管理方式必須首先實現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的信息化。汽車制造業(yè)工業(yè)設(shè)備能源監(jiān)測分析系統(tǒng)是目前可行且有效的解決方案。工業(yè)設(shè)備能源監(jiān)測分析系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時能源監(jiān)控、能效分析、用能安全等功能。此方案可以分三階段落地，第一階段基于工廠現(xiàn)有的硬件設(shè)備搭建工業(yè)設(shè)備能源監(jiān)測分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)并具有實現(xiàn)生產(chǎn)耗能的統(tǒng)計分析功能;第二階段搭建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的能源消耗預(yù)測模型并實現(xiàn)可視化;第三階段實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)線根據(jù)不同車型排產(chǎn)實現(xiàn)最優(yōu)能耗水平。

項目實施之前，工業(yè)設(shè)備的供電系統(tǒng)采用集成配電系統(tǒng)的電能表進行電能監(jiān)測，需手動查看且無數(shù)據(jù)追溯功能，給整個裝焊工廠帶來了非常大的壓力。汽車制造業(yè)工業(yè)設(shè)備能源監(jiān)測分析系統(tǒng)實施之前，需要在現(xiàn)場通過儀表讀數(shù)，費時費力且無記錄功能，無法分析重點能耗設(shè)備情況和非生產(chǎn)耗能。設(shè)備間的用電干擾和上口電壓等問題導(dǎo)致設(shè)備電氣元器件頻繁燒毀，從而造成設(shè)備停機，造成大量損失。因此，對能源（水、電、氣）的實時檢測，對于生產(chǎn)的可持續(xù)性具有重要意義。

在項目實施之前，此高端整車制造廠已經(jīng)在新一代標(biāo)準(zhǔn)的車間工廠內(nèi)引進了大量的高新技術(shù)和先進的工業(yè)設(shè)備。通過使用現(xiàn)場已有的硬件搭建能源監(jiān)測分析系統(tǒng)，用以實現(xiàn)對工廠內(nèi)的能源消耗與設(shè)備的運行狀況實施精細化監(jiān)測與分析，從而能夠及時檢測出系統(tǒng)內(nèi)的重點能耗設(shè)備及非生產(chǎn)時的跑、冒、滴、漏和電機空轉(zhuǎn)等增加能源消耗的問題。同時，也能及時分析出因能源供給不足或設(shè)備之間干擾而導(dǎo)致的相關(guān)問題。例如，上口電能質(zhì)量不達標(biāo)、三相電壓不平衡、壓縮空氣供給不穩(wěn)定（有細小的漏氣）、工藝循環(huán)冷卻水或設(shè)備電磁干擾等。通過搭建能源監(jiān)測分析系統(tǒng)就可以及時排查因能源方面的問題而造成的設(shè)備故障（電器元件損壞、氣動元件不穩(wěn)定），并且能夠更有針對性的進行預(yù)防檢修，提升工業(yè)設(shè)備的使用壽命，達到節(jié)能減排的目標(biāo)。

3 汽車制造業(yè)工業(yè)設(shè)備能源監(jiān)測分析系統(tǒng)設(shè)計

能源監(jiān)測分析系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)是利用現(xiàn)有的控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線來搭建設(shè)備能源檢測分析系統(tǒng)，進行能源監(jiān)測、分析功能的二次開發(fā)（圖1）。目前，在實際的生產(chǎn)中缺少一種有效的解決措施來進行設(shè)備能源監(jiān)測，預(yù)防上口電能質(zhì)量不達標(biāo)、三相電壓不平衡、工藝循環(huán)冷卻水或設(shè)備電磁干擾等故障，為了系統(tǒng)的解決設(shè)備能源質(zhì)量問題，聯(lián)合技術(shù)維修團隊中分別負責(zé)機械、PLC、電氣的責(zé)任工程師以及供應(yīng)商，對控制系統(tǒng)進行了初步全面的分析，并制定詳細的改造方案。初步改造方案從各個方面對設(shè)備能源監(jiān)測平臺進行自主開發(fā)，以提高能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性，降低故障率，減少維修時間，減輕車間的生產(chǎn)壓力。

3.1 基于Profinet的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案

目前此整車工廠目前有44套西門子集成配電系統(tǒng)，其中裝焊車間16個，總裝車間28個分布在各自動化區(qū)域，實現(xiàn)以下3個目標(biāo)：

3.1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

通過硬件采集工廠設(shè)備層供電、壓縮空氣狀態(tài)，利用現(xiàn)有的Profinet控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在服務(wù)器整合數(shù)據(jù)，建立管理平臺進行處理和分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備能源監(jiān)測、可視化、分析等功能。

3.1.2 電能實施方案

在電能監(jiān)測實施方案中，計劃利用現(xiàn)場現(xiàn)有的西門子PAC3200多功能電能表，通過通信線纜改造，集成到PLC控制系統(tǒng)，通過自主PLC編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，最終在上位系統(tǒng)自主編程實現(xiàn)可視化。

3.1.3 壓縮空氣實施方案

在壓縮空氣監(jiān)測及節(jié)能實施方案中，計劃利用現(xiàn)場現(xiàn)有的Festo MSB9氣源模塊，集成到PLC控制系統(tǒng)，通過自主PLC編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，最終在上位系統(tǒng)自主編程實現(xiàn)可視化。并且，可通過集成Festo MSE6-E2M節(jié)能模塊實現(xiàn)壓縮空氣的泄漏檢測并及時報警，同時能夠?qū)崿F(xiàn)停機檢測并自動關(guān)斷。具體實施方案為在PLC組態(tài)此模塊，PLC和模塊之間持續(xù)通信，交換狀態(tài)檢測，如發(fā)生壓縮空氣泄漏可在上位機上發(fā)出警告，如在非生產(chǎn)時間可自動關(guān)斷以避免壓縮空氣泄漏，生產(chǎn)時再進行復(fù)位。

3.2 方案的效果與收益

3.2.1 ?以電能回收為例

在升降工位通過部署能量回饋單元，電機功率11 k W，每天節(jié)省的能量約為18.36 k W·h。汽車制造業(yè)總裝焊裝17個提升機工位每年可節(jié)約=17×1×250×18.36=78 030元。目前每個工位每天耗能平均344.85 kW·h，僅電能一項可節(jié)省單車能耗=18.36/344.85=5.32%。

3.2.2 在現(xiàn)有上位系統(tǒng)自主二次開發(fā)

通過自主開發(fā)上位機程序，無需采購昂貴的能源管理平臺。本系統(tǒng)技術(shù)出發(fā)點力求務(wù)實，提高經(jīng)濟性、可靠性，在原來的設(shè)備基礎(chǔ)上進行改造。因此這次自主搭建的設(shè)備能源監(jiān)測分析系統(tǒng)能有效降低供能系統(tǒng)對生產(chǎn)的壓力，降低因設(shè)備故障導(dǎo)致的生產(chǎn)損失?？蓪⒐S內(nèi)的能源消費狀況與設(shè)備運作狀況實施精細化監(jiān)視和分析，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的高生產(chǎn)效率，提升設(shè)備使用壽命，降低能源消耗。

4 結(jié)束語

在2021年全國兩會，碳達峰和碳中和被首次寫入政府工作報告，通過制造業(yè)的電氣化升級改造，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通設(shè)施供電和設(shè)備消耗的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)透明化的工業(yè)用能管理。結(jié)合能源消耗實時預(yù)測的功能，優(yōu)化結(jié)果顯著，能較好地實現(xiàn)汽車制造業(yè)工業(yè)設(shè)備能耗預(yù)測工作。

參考文獻

[1]顏瑾，楊宇航，劉麗，等.企業(yè)能源管理及能耗預(yù)測綜述[J].電腦知識與技術(shù)，2019（6）：285-287.