智能制造下的汽车行业工业设备能源监测及分析

王娟

摘要：当前世界各国都在积极寻求和开发新的能源，加之我国仍处于发展阶段，对能源的需求量巨大，节能降耗的问题越来越引起国家和社会的关注和重视。工业领域向来是能源消耗较多的领域，因此在工业领域实现节能尤为重要。工业领域的能源管理项目是发展循环经济、节能、环保实现可持续发展的重要途经。在工业系统中，汽车制造业又是国民经济的支柱产业之一，在汽车制造业实施先进的能源管理体系可以大幅降低资源和环境成本，获取更好的经济和社会效益，同时达到节能减排的目的。随着国家和社会对制造业节能减排的要求的提高，粗放型的能源管理方法已经不能满足未来发展的需要。因此，通过应用智能制造、工业互联网技术，精细化的能源管理方式以及基于数据驱动的能源消耗预测的建模已经成为当前重要的研究方向。

关键词：智能制造;汽车

1 工厂工业设备能源监测分析系统简介

以某整车厂的焊装和总装车间为试点，搭建了工厂工业设备能源监测分析系统。此项目是以信息、计算机视频图像等控制技术为手段，面向汽车制造的生产过程，实现能源信息的数字化、能耗过程的可视化、决策处理集成化的综合性系统工程。汽车制造业工业设备能源监测分析系统项目的实施对生产车间提高产能、减少停机维修时间具有深远的意义。目前，该整车厂的各车间控制系统高度标准化，在试点项目实现此设备能源监测平台，也可推广到其他焊装、喷漆及总装，为今后设备故障的快速处理以及预防性检修做好准备。目前该项目第一阶段已经实施完毕，并取得了较好的成果。

2 汽车制造工业设备能源管理现状

目前整个汽车制造行业大部分企业对工厂的能源管理的认知是相当浮于表面且有盲点的。例如在用电高峰期强制停用高耗能设施;工业设备更换为具有节能功能的设备;但是诸如以上这些措施在本质上并不能达到节能降耗的目的。事实上，这种缺乏具体数据佐证的做法，可能投入了大成本却得不到相应的预期节能效果。在项目实施之前工厂内没有生产耗电的详细信息;因此即使存在用电浪费的情况也不能及时发现并找出其原因;同时人员抄表得到的数据也是有延时的，并非是实时的，一方面不能及时的发现问题，另一方面发现问题后回溯数据也非常的困难。

因此实现节能降耗必须实施先进的能耗管理方式，先进的能源管理方式必须首先实现用电数据的信息化。汽车制造业工业设备能源监测分析系统是目前可行且有效的解决方案。工业设备能源监测分析系统能够实现实时能源监控、能效分析、用能安全等功能。此方案可以分三阶段落地，第一阶段基于工厂现有的硬件设备搭建工业设备能源监测分析系统的基础架构并具有实现生产耗能的统计分析功能;第二阶段搭建基于数据驱动的能源消耗预测模型并实现可视化;第三阶段实现柔性化生产线根据不同车型排产实现最优能耗水平。

项目实施之前，工业设备的供电系统采用集成配电系统的电能表进行电能监测，需手动查看且无数据追溯功能，给整个装焊工厂带来了非常大的压力。汽车制造业工业设备能源监测分析系统实施之前，需要在现场通过仪表读数，费时费力且无记录功能，无法分析重点能耗设备情况和非生产耗能。设备间的用电干扰和上口电压等问题导致设备电气元器件频繁烧毁，从而造成设备停机，造成大量损失。因此，对能源（水、电、气）的实时检测，对于生产的可持续性具有重要意义。

在项目实施之前，此高端整车制造厂已经在新一代标准的车间工厂内引进了大量的高新技术和先进的工业设备。通过使用现场已有的硬件搭建能源监测分析系统，用以实现对工厂内的能源消耗与设备的运行状况实施精细化监测与分析，从而能够及时检测出系统内的重点能耗设备及非生产时的跑、冒、滴、漏和电机空转等增加能源消耗的问题。同时，也能及时分析出因能源供给不足或设备之间干扰而导致的相关问题。例如，上口电能质量不达标、三相电压不平衡、压缩空气供给不稳定（有细小的漏气）、工艺循环冷却水或设备电磁干扰等。通过搭建能源监测分析系统就可以及时排查因能源方面的问题而造成的设备故障（电器元件损坏、气动元件不稳定），并且能够更有针对性的进行预防检修，提升工业设备的使用寿命，达到节能减排的目标。

3 汽车制造业工业设备能源监测分析系统设计

能源监测分析系统的技术架构是利用现有的控制系统和现场总线来搭建设备能源检测分析系统，进行能源监测、分析功能的二次开发（图1）。目前，在实际的生产中缺少一种有效的解决措施来进行设备能源监测，预防上口电能质量不达标、三相电压不平衡、工艺循环冷却水或设备电磁干扰等故障，为了系统的解决设备能源质量问题，联合技术维修团队中分别负责机械、PLC、电气的责任工程师以及供应商，对控制系统进行了初步全面的分析，并制定详细的改造方案。初步改造方案从各个方面对设备能源监测平台进行自主开发，以提高能源系统的稳定性和可用性，降低故障率，减少维修时间，减轻车间的生产压力。

3.1 基于Profinet的工业物联网方案

目前此整车工厂目前有44套西门子集成配电系统，其中装焊车间16个，总装车间28个分布在各自动化区域，实现以下3个目标：

3.1.1 主要技术指标

通过硬件采集工厂设备层供电、压缩空气状态，利用现有的Profinet控制网络系统，在服务器整合数据，建立管理平台进行处理和分析数據，实现设备能源监测、可视化、分析等功能。

3.1.2 电能实施方案

在电能监测实施方案中，计划利用现场现有的西门子PAC3200多功能电能表，通过通信线缆改造，集成到PLC控制系统，通过自主PLC编程实现数据采集，最终在上位系统自主编程实现可视化。

3.1.3 压缩空气实施方案

在压缩空气监测及节能实施方案中，计划利用现场现有的Festo MSB9气源模块，集成到PLC控制系统，通过自主PLC编程实现数据采集，最终在上位系统自主编程实现可视化。并且，可通过集成Festo MSE6-E2M节能模块实现压缩空气的泄漏检测并及时报警，同时能够实现停机检测并自动关断。具体实施方案为在PLC组态此模块，PLC和模块之间持续通信，交换状态检测，如发生压缩空气泄漏可在上位机上发出警告，如在非生产时间可自动关断以避免压缩空气泄漏，生产时再进行复位。

3.2 方案的效果与收益

3.2.1  以电能回收为例

在升降工位通过部署能量回馈单元，电机功率11 k W，每天节省的能量约为18.36 k W·h。汽车制造业总装焊装17个提升机工位每年可节约=17×1×250×18.36=78 030元。目前每个工位每天耗能平均344.85 kW·h，仅电能一项可节省单车能耗=18.36/344.85=5.32%。

3.2.2 在现有上位系统自主二次开发

通过自主开发上位机程序，无需采购昂贵的能源管理平台。本系统技术出发点力求务实，提高经济性、可靠性，在原来的设备基础上进行改造。因此这次自主搭建的设备能源监测分析系统能有效降低供能系统对生产的压力，降低因设备故障导致的生产损失。可将工厂内的能源消费状况与设备运作状况实施精细化监视和分析，实现工业设备的高生产效率，提升设备使用寿命，降低能源消耗。

4 结束语

在2021年全国两会，碳达峰和碳中和被首次写入政府工作报告，通过制造业的电气化升级改造，应用物联网技术打通设施供电和设备消耗的技术壁垒，实现透明化的工业用能管理。结合能源消耗实时预测的功能，优化结果显著，能较好地实现汽车制造业工业设备能耗预测工作。

参考文献

[1]颜瑾，杨宇航，刘丽，等.企业能源管理及能耗预测综述[J].电脑知识与技术，2019（6）：285-287.