基于物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)控生產(chǎn)車間的能源效率研究*

趙軍富 李建軍 王 猛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

如今，人們越來越關(guān)注氣候變化和環(huán)境法規(guī)要求，使得能源的高效利用變得越來越重要。制造業(yè)的生產(chǎn)車間被認為是所有旨在提高能效的高潛力的最終用戶。根據(jù)國內(nèi)能源最新統(tǒng)計，工業(yè)部門的能源消耗占總能源消耗的52.6%，商業(yè)占32.5%，家庭占14.9%[1]。

根據(jù)ISO 50001:2011的定義，能源管理是一個行業(yè)節(jié)能工作的方法。能源管理通過工業(yè)措施和優(yōu)化能效，進而有效地利用能源，降低制造業(yè)的運營成本，實現(xiàn)利潤最大化，提高企業(yè)競爭力。能源管理的第一步是能源監(jiān)控。如今的工業(yè)只能監(jiān)控能源消耗總量，卻無法在車間實現(xiàn)實時能效可視化。獲取能源信息、有效分析這些實時數(shù)據(jù)并提取關(guān)鍵指標的能力是能源管理成功的關(guān)鍵因素。物聯(lián)網(wǎng)是一種新興的技術(shù)，它利用電子傳感器和Internet將物理對象連接，提供了一個監(jiān)控不斷變化的環(huán)境，并對這些變化作出反應(yīng)的平臺[2]。能源管理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]相結(jié)合，為監(jiān)控實時能源消耗提供了理想的解決方案，同時提高了人們對能源績效的認識水平[4-5]。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以在不同級別(例如機器、生產(chǎn)線或設(shè)施級別)實時收集能耗數(shù)據(jù)[6]。

因此，本文通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對生產(chǎn)車間提供實時能效監(jiān)控，應(yīng)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析技術(shù)，識別異常的能源消耗模式，量化能源效率差距，利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)對能效進行評估。并通過對一個微流控設(shè)備生產(chǎn)線的案例研究，展示了該系統(tǒng)通過消除生產(chǎn)車間可能出現(xiàn)的能源浪費來提高能效。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的能效實時監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)介紹

本文提及的監(jiān)控系統(tǒng)通過了解能源消耗模式和獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)更好的能效，同時消除生產(chǎn)操作中可能的能源浪費，工作原理如圖1所示。系統(tǒng)用戶通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控車間每臺機器的能源性能[7]，同時通過傳感器或控制器捕獲功耗和工藝操作參數(shù)(如溫度、壓力等)等數(shù)據(jù)。生產(chǎn)數(shù)據(jù)由現(xiàn)有的系統(tǒng)(如制造執(zhí)行系統(tǒng)、工單跟蹤系統(tǒng)等)提供，服務(wù)器將數(shù)據(jù)、能源性能狀態(tài)和各自的分析結(jié)果存儲在公共存儲庫中。數(shù)據(jù)采集、服務(wù)器和能量管理3個部分通過無線網(wǎng)絡(luò)相互作用。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)是一個多層應(yīng)用程序，由表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層和跨領(lǐng)域功能組成[8]，如圖2所示。

(1)表示層

該層包含顯示用戶界面以及管理用戶交互的組件。用戶界面組件(例如儀表板)旨在為用戶提供一種與應(yīng)用程序進行交互的方式。用戶界面可以使用控制器與后端通信，并導(dǎo)航或處理接口組件[9]。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層

該應(yīng)用程序中所有引擎都在業(yè)務(wù)邏輯層，包括兩部分：監(jiān)控算法和標桿分析法引擎[10]。

① 監(jiān)控算法

監(jiān)控是計量能源消耗和收集實時能源數(shù)據(jù)的過程。監(jiān)控中收集到的數(shù)據(jù)是了解當(dāng)前能源使用水平的基礎(chǔ)。同時，可用于實施糾正和預(yù)防措施的信息。因此，為提高能效，整合能源和生產(chǎn)數(shù)據(jù)非常重要。圖3給出了如何關(guān)聯(lián)能源和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的算法流程圖。輸入部分：通過傳感器或控制器捕獲[11]的功耗數(shù)據(jù)(P)；由生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)跟蹤[12]的生產(chǎn)數(shù)據(jù)(PV)，間隔數(shù)據(jù)(i)以1 min為增量。

利用采集的數(shù)據(jù)，對不同報告期r(小時、日、月)所涉及的能源消耗和生產(chǎn)量進行評價。通過將評估的能耗(Er)與各個時期的關(guān)鍵驅(qū)動因素(例如生產(chǎn)量(PVr)相關(guān)聯(lián)，將機器狀態(tài)標識為“無操作”，“空轉(zhuǎn)”或“正在運行”。如果機器正在運行，則將計算單位能耗(即單位生產(chǎn)量的能耗)，了解如何有效地利用能源來生產(chǎn)給定量的產(chǎn)品或通過機器完成某些工作。

②標桿分析法

標桿分析法是通過將企業(yè)的業(yè)績與已存在的最佳業(yè)績進行對比，以尋求不斷改善企業(yè)作業(yè)活動、提高業(yè)績的有效途徑和方法的過程。其主要目的是找出差距，尋找不斷改進的途徑。本文引入的標桿分析法技術(shù)(DEA)，是一種基于多個輸入和輸出來評估決策單元相對效率的非參數(shù)方法。文中采用以投入為導(dǎo)向的決策單元模型，該模型假設(shè)規(guī)模收益率可變，同時將投入(即能耗)最小化，并將產(chǎn)出(即產(chǎn)量)保持在當(dāng)前水平。例如決策單元是每小時的能量(Er)和生產(chǎn)(PVr)性能。通過最小化輸入Er并將輸出PVr保持在當(dāng)前水平。如圖4所示，位于包絡(luò)上的那些決策單元(如圖4中的P1、P2、P3和P4)被認為是歷史上最好的。通過將各決策單元與歷史最佳實踐進行比較，通過劃分歷史最佳決策單元和被評價決策單元的各自Er來評價相對效率。例如，歷史上最好的決策單元P2是決策單元P6的效率參考集，并且P2的性能優(yōu)于P6，因為它在產(chǎn)生相同輸出PVr的同時消耗更少的能量Er。

下面使用分位數(shù)分類將獲得的相對效率[13]分為3個類別，分別以不同填充圖案來表示3個類別的顯示警報。標桿分析法的詳細流程圖，如圖5所示。當(dāng)θ>Q3時，被認為是歷史最好的，表明這些機器的能源性能“正?！?。當(dāng)θ

(3)數(shù)據(jù)層

該層包含用于在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建，轉(zhuǎn)換，更新和刪除項目的功能。數(shù)據(jù)訪問組件可以訪問底層數(shù)據(jù)。

(4)跨領(lǐng)域功能

除了主要的3層外，還需要跨領(lǐng)域功能[14]，需要從安全性、配置和通信等方面來支持應(yīng)用程序。安全主要包括數(shù)據(jù)安全保護。配置主要考慮主機和一些通信設(shè)備間的連接和通信問題。

2 實例分析

以微流控設(shè)備生產(chǎn)線[15]為例，來說明實時能效監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。該設(shè)備由微流控芯片、電子零件、印刷電路板和外殼組成。微流控芯片是由一組微通道模壓成，由聚碳酸酯等材料制成。將流體泵入設(shè)備中，以實現(xiàn)所需的功能，如混合、生化控制等。微流控設(shè)備中使用的液體可以是血液樣本、細菌細胞、蛋白質(zhì)溶液甚至精油等。本微流控裝置如圖6所示，它由蓋子、底部和用于過濾目的的膜組成。取樣用液體將通過入口泵入，并被收集在裝置內(nèi)，然后分析樣品通過輸出裝置與外界相連。

微流控器件的生產(chǎn)線如圖7所示。該生產(chǎn)線首先用注塑機成型蓋和底座，然后用激光切割機將薄膜切割成所需形狀。制作好的舷側(cè)表面應(yīng)平整，微通道的尺寸應(yīng)準確，然后用超聲波焊接機與薄膜焊接在一起。然后對芯片進行粘接檢查，反復(fù)印刷各種材料并固化，最后進行涂層以保護表面。將固件安裝在PCB(印刷電路板)上后，微流控芯片將組裝到設(shè)備中。然后將設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到功能測試，并在過程結(jié)束時進行包裝。

通過對微流控設(shè)備生產(chǎn)線的案例研究，展示了該系統(tǒng)的關(guān)鍵功能：

(1)實時能源績效監(jiān)控

通過詳細查看整個過程，實時能源績效監(jiān)控如圖8所示。所監(jiān)控的績效指標包括總能耗，涉及不同時期(即每小時、每天和每月)的總能耗、總產(chǎn)量和能源成本。圖8所示為監(jiān)視的塑料注射成型機(PIM-3)的每小時能量性能。在選定的時間范圍內(nèi)，生產(chǎn)21件產(chǎn)品(11個蓋子和10個底座)的總能耗為18.08 kWh。從總能源成本來看，每小時5.80 USD用于增值生產(chǎn)(占每小時能源成本55%)和非增值生產(chǎn)(即空轉(zhuǎn)占每小時能源成本45%)。此外，還提供了特定能耗，以了解如何有效地消耗能量。每天監(jiān)控每小時的能效表現(xiàn)，并檢測異常的能效模式以提高認識水平。例如，由于機器空轉(zhuǎn)而沒有任何生產(chǎn)，因此警告了從午夜0點到上午7點的能源表現(xiàn)。

(2)實時警報調(diào)查

為了進一步研究，系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)可以與歷史最佳實踐相比，來顯示當(dāng)前的能源效率。并在圖9列表中提供歷史最佳的效率參考集。通過這些參考信息，就可以了解改進的潛力。此外，還提出了影響異常能效發(fā)生的因素，并且可以將警報消息通知相應(yīng)人員以采取措施。

圖9以PIM-3為例，詳細介紹了有關(guān)警報調(diào)查的所有基本信息。2019年5月16日上午9點至10點生產(chǎn)21個蓋子的小時能耗為16.29 kWh。由此可知，實現(xiàn)了5.31 kWh(32.59%)的能耗降低。①消耗更少的能源(10.98 kWh)，生產(chǎn)相同數(shù)量的產(chǎn)品(18套)；②大約消耗相同的能量(18.16 kWh)，同時生產(chǎn)更多的產(chǎn)品(36個蓋子)。因此，影響異常發(fā)生的因素是每小時的空閑時間，空閑時間較長，產(chǎn)量較低。

通過不斷改進，在日常運營中可以嵌入最佳實踐能源管理，并通過消除制造運營中可能的能源浪費來實現(xiàn)更好的能效。

3 結(jié)語

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的實時能效監(jiān)控系統(tǒng)。使用微流體設(shè)備生產(chǎn)線對該系統(tǒng)應(yīng)用進行了測試。通過研究，取得了良好的應(yīng)用效果。主要包括：

(1)啟用實時監(jiān)控，捕獲異常能效發(fā)生，并通過實時基準測試和量化改進。

(2)協(xié)助制造企業(yè)在生產(chǎn)車間中嵌入最佳實踐的能源管理，并通過消除制造過程中可能的能源浪費來實現(xiàn)更好的能效。