智能制造下的汽車行業工業設備能源監測及分析

王娟

摘要：當前世界各國都在積極尋求和開發新的能源，加之我國仍處于發展階段，對能源的需求量巨大，節能降耗的問題越來越引起國家和社會的關注和重視。工業領域向來是能源消耗較多的領域，因此在工業領域實現節能尤為重要。工業領域的能源管理項目是發展循環經濟、節能、環保實現可持續發展的重要途經。在工業系統中，汽車制造業又是國民經濟的支柱產業之一，在汽車制造業實施先進的能源管理體系可以大幅降低資源和環境成本，獲取更好的經濟和社會效益，同時達到節能減排的目的。隨著國家和社會對制造業節能減排的要求的提高，粗放型的能源管理方法已經不能滿足未來發展的需要。因此，通過應用智能制造、工業互聯網技術，精細化的能源管理方式以及基于數據驅動的能源消耗預測的建模已經成為當前重要的研究方向。

關鍵詞：智能制造;汽車

1 工廠工業設備能源監測分析系統簡介

以某整車廠的焊裝和總裝車間為試點，搭建了工廠工業設備能源監測分析系統。此項目是以信息、計算機視頻圖像等控制技術為手段，面向汽車制造的生產過程，實現能源信息的數字化、能耗過程的可視化、決策處理集成化的綜合性系統工程。汽車制造業工業設備能源監測分析系統項目的實施對生產車間提高產能、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高度標準化，在試點項目實現此設備能源監測平臺，也可推廣到其他焊裝、噴漆及總裝，為今后設備故障的快速處理以及預防性檢修做好準備。目前該項目第一階段已經實施完畢，并取得了較好的成果。

2 汽車制造工業設備能源管理現狀

目前整個汽車制造行業大部分企業對工廠的能源管理的認知是相當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施;工業設備更換為具有節能功能的設備;但是諸如以上這些措施在本質上并不能達到節能降耗的目的。事實上，這種缺乏具體數據佐證的做法，可能投入了大成本卻得不到相應的預期節能效果。在項目實施之前工廠內沒有生產耗電的詳細信息;因此即使存在用電浪費的情況也不能及時發現并找出其原因;同時人員抄表得到的數據也是有延時的，并非是實時的，一方面不能及時的發現問題，另一方面發現問題后回溯數據也非常的困難。

因此實現節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用電數據的信息化。汽車制造業工業設備能源監測分析系統是目前可行且有效的解決方案。工業設備能源監測分析系統能夠實現實時能源監控、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有的硬件設備搭建工業設備能源監測分析系統的基礎架構并具有實現生產耗能的統計分析功能;第二階段搭建基于數據驅動的能源消耗預測模型并實現可視化;第三階段實現柔性化生產線根據不同車型排產實現最優能耗水平。

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

在項目實施之前，此高端整車制造廠已經在新一代標準的車間工廠內引進了大量的高新技術和先進的工業設備。通過使用現場已有的硬件搭建能源監測分析系統，用以實現對工廠內的能源消耗與設備的運行狀況實施精細化監測與分析，從而能夠及時檢測出系統內的重點能耗設備及非生產時的跑、冒、滴、漏和電機空轉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備之間干擾而導致的相關問題。例如，上口電能質量不達標、三相電壓不平衡、壓縮空氣供給不穩定（有細小的漏氣）、工藝循環冷卻水或設備電磁干擾等。通過搭建能源監測分析系統就可以及時排查因能源方面的問題而造成的設備故障（電器元件損壞、氣動元件不穩定），并且能夠更有針對性的進行預防檢修，提升工業設備的使用壽命，達到節能減排的目標。

3 汽車制造業工業設備能源監測分析系統設計

能源監測分析系統的技術架構是利用現有的控制系統和現場總線來搭建設備能源檢測分析系統，進行能源監測、分析功能的二次開發（圖1）。目前，在實際的生產中缺少一種有效的解決措施來進行設備能源監測，預防上口電能質量不達標、三相電壓不平衡、工藝循環冷卻水或設備電磁干擾等故障，為了系統的解決設備能源質量問題，聯合技術維修團隊中分別負責機械、PLC、電氣的責任工程師以及供應商，對控制系統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備能源監測平臺進行自主開發，以提高能源系統的穩定性和可用性，降低故障率，減少維修時間，減輕車間的生產壓力。

3.1 基于Profinet的工業物聯網方案

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

3.1.1 主要技術指標

通過硬件采集工廠設備層供電、壓縮空氣狀態，利用現有的Profinet控制網絡系統，在服務器整合數據，建立管理平臺進行處理和分析數據，實現設備能源監測、可視化、分析等功能。

3.1.2 電能實施方案

在電能監測實施方案中，計劃利用現場現有的西門子PAC3200多功能電能表，通過通信線纜改造，集成到PLC控制系統，通過自主PLC編程實現數據采集，最終在上位系統自主編程實現可視化。

3.1.3 壓縮空氣實施方案

在壓縮空氣監測及節能實施方案中，計劃利用現場現有的Festo MSB9氣源模塊，集成到PLC控制系統，通過自主PLC編程實現數據采集，最終在上位系統自主編程實現可視化。并且，可通過集成Festo MSE6-E2M節能模塊實現壓縮空氣的泄漏檢測并及時報警，同時能夠實現停機檢測并自動關斷。具體實施方案為在PLC組態此模塊，PLC和模塊之間持續通信，交換狀態檢測，如發生壓縮空氣泄漏可在上位機上發出警告，如在非生產時間可自動關斷以避免壓縮空氣泄漏，生產時再進行復位。

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，每天節省的能量約為18.36 k W·h。汽車制造業總裝焊裝17個提升機工位每年可節約=17×1×250×18.36=78 030元。目前每個工位每天耗能平均344.85 kW·h，僅電能一項可節省單車能耗=18.36/344.85=5.32%。

3.2.2 在現有上位系統自主二次開發

通過自主開發上位機程序，無需采購昂貴的能源管理平臺。本系統技術出發點力求務實，提高經濟性、可靠性，在原來的設備基礎上進行改造。因此這次自主搭建的設備能源監測分析系統能有效降低供能系統對生產的壓力，降低因設備故障導致的生產損失。可將工廠內的能源消費狀況與設備運作狀況實施精細化監視和分析，實現工業設備的高生產效率，提升設備使用壽命，降低能源消耗。

4 結束語

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，通過制造業的電氣化升級改造，應用物聯網技術打通設施供電和設備消耗的技術壁壘，實現透明化的工業用能管理。結合能源消耗實時預測的功能，優化結果顯著，能較好地實現汽車制造業工業設備能耗預測工作。

參考文獻

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