高自動(dòng)化率車間能源智能管理系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

要強(qiáng)壯，談 洋，黃青簿，陳 瑤，孫 源

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430208）

1 引言

現(xiàn)階段，機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)迅速發(fā)展，汽車制造行業(yè)自動(dòng)化水平不斷提升，高自動(dòng)化率在減少操作人員的同時(shí)也帶來(lái)了設(shè)備能耗的增加[1]。國(guó)內(nèi)外汽車制造行業(yè)能源控制較為粗放，高能耗問(wèn)題突出[2]。我國(guó)的科技實(shí)力不斷發(fā)展進(jìn)步，能源緊張與環(huán)境污染的問(wèn)題日益突出，汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，銷量持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)汽車制造能耗也高于平均水平。汽車行業(yè)需要保持綠色低碳的內(nèi)核，保證行業(yè)與企業(yè)雙層面共同發(fā)展[3]。

傳統(tǒng)造車過(guò)程的能源管理方法單純憑借經(jīng)驗(yàn)，依靠人工方式進(jìn)行管控，缺乏科學(xué)有效的分析和自動(dòng)化控制手段，存在較大的制造能耗優(yōu)化空間[4]。采用智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)造車過(guò)程的節(jié)能減排，有助于提升企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)力[5]。實(shí)現(xiàn)智能化，綠色化造車，研究開發(fā)高自動(dòng)化率車間能源智能化管理系統(tǒng)，對(duì)于汽車制造業(yè)意義重大。

2 技術(shù)路線

2.1 設(shè)備能耗數(shù)據(jù)庫(kù)建立

汽車制造車間工藝復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量眾多，能源控制實(shí)現(xiàn)需要系統(tǒng)分析造車過(guò)程設(shè)備耗能情況。通過(guò)采集造車全過(guò)程設(shè)備耗能數(shù)據(jù)，形成能源數(shù)據(jù)庫(kù)，建立車身車間設(shè)備能耗檔案，逐項(xiàng)分析能耗改進(jìn)機(jī)會(huì)。跟蹤造車全過(guò)程能耗數(shù)據(jù)，車身車間的耗能介質(zhì)主要包括電力、冷凍水及壓縮空氣等介質(zhì)，使用能源的方式和種類包括通風(fēng)、照明、加熱、制冷、輸送及生產(chǎn)等。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，識(shí)別出車間塔燈、電控柜空調(diào)、機(jī)器人系統(tǒng)及輸送/壓機(jī)等動(dòng)力設(shè)備，工位照明及風(fēng)扇，大型除塵設(shè)備等設(shè)備運(yùn)行控制粗放，存在較大改進(jìn)空間。開發(fā)的能源管理系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

2.2 互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)搭建

能源智能化管控的實(shí)現(xiàn)，需要耗能設(shè)備的互聯(lián)互通，建立全網(wǎng)通達(dá)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。車間耗能設(shè)備種類較多，采用的信息交互方式和通信協(xié)議存在差異。從集成控制的功能出發(fā)，需要解決不同標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)之間的互連接和互操作的問(wèn)題。首先對(duì)車間網(wǎng)絡(luò)梳理集成，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分級(jí)，實(shí)現(xiàn)透過(guò)多層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備訪問(wèn)、程序修改和診斷維護(hù)，從工廠信息層到現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)定義一體化網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，解決了協(xié)議的開放性和兼容性問(wèn)題，分層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通。在總結(jié)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)后，實(shí)施基于多層級(jí)環(huán)網(wǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)方案，包含系統(tǒng)層、單元層、模塊層。

2.3 能源智能化管控集成系統(tǒng)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和智能控制技術(shù)，開發(fā)能源智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息計(jì)算和設(shè)備終端控制的連接。高自動(dòng)化率車間能源智能控制系統(tǒng)分為3個(gè)層級(jí)，耗能設(shè)備層1、網(wǎng)絡(luò)鏈接層2、控制終端層3，控制終端層位于上位，智能輸出控制指令，通過(guò)Message指令集成控制終端設(shè)備。上位系統(tǒng)設(shè)置人機(jī)交互遠(yuǎn)程控制界面，根據(jù)排產(chǎn)計(jì)劃分時(shí)間控制耗能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)非生產(chǎn)時(shí)間智能關(guān)停，按照停產(chǎn)期間施工區(qū)域控制設(shè)備起停狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)施工區(qū)域節(jié)能運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)鏈接層傳輸控制指令，實(shí)現(xiàn)終端控制到耗能設(shè)備的交互鏈接。耗能設(shè)備層設(shè)置接口，實(shí)現(xiàn)耗能設(shè)備的系統(tǒng)接入。

3 創(chuàng)新技術(shù)

3.1 塔燈智能控制

汽車制造車間門箱、HMI、人工操作臺(tái)及指示看板等設(shè)備安裝塔燈，用于指示員工上料及工位故障，塔燈數(shù)量較多，停產(chǎn)時(shí)間仍然開啟會(huì)造成能源浪費(fèi)，存在改進(jìn)空間，且手動(dòng)逐個(gè)關(guān)閉耗時(shí)較長(zhǎng)，造成人力浪費(fèi)。通過(guò)開發(fā)智能控制功能，采集車間所有塔燈控制信號(hào)，并編寫自動(dòng)控制程序建立節(jié)能模式。HMI界面設(shè)置遠(yuǎn)程操作按鈕，通過(guò)Message指令控制全廠，實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能。分時(shí)段控制：按照排產(chǎn)計(jì)劃設(shè)立節(jié)能模式開啟時(shí)間，實(shí)現(xiàn)非生產(chǎn)時(shí)間智能控制；分區(qū)域控制：按照施工區(qū)域設(shè)置，實(shí)現(xiàn)無(wú)施工區(qū)域自動(dòng)關(guān)停。塔燈智能控制的實(shí)現(xiàn)，可有效降低車間的能源損耗。塔燈遠(yuǎn)程控制架構(gòu)如圖2所示。

圖2 塔燈遠(yuǎn)程控制架構(gòu)

3.2 電柜空調(diào)智能控制

制造車間使用的馬達(dá)電柜通常采用外置空調(diào)控制柜內(nèi)溫度，現(xiàn)場(chǎng)電柜空調(diào)為常開狀態(tài)，通過(guò)監(jiān)控電柜空調(diào)溫度發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度較低及停產(chǎn)日馬達(dá)長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)行時(shí)，實(shí)際可以關(guān)閉電柜空調(diào)，節(jié)約能源，但現(xiàn)場(chǎng)電柜數(shù)量較多，實(shí)際操作時(shí)耗費(fèi)人力，同時(shí)存在開關(guān)機(jī)遺漏的情況。對(duì)電控柜空調(diào)開關(guān)進(jìn)行改進(jìn)，增加溫度傳感器、繼電器及斷路器，接入線體PLC，實(shí)現(xiàn)電柜空調(diào)聯(lián)網(wǎng)控制。通過(guò)溫度傳感器感應(yīng)環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)空調(diào)智能啟停，HMI界面設(shè)置遠(yuǎn)程操作按鈕，通過(guò)Message指令控制全廠電控柜空調(diào)，實(shí)現(xiàn)一鍵遠(yuǎn)程關(guān)停，節(jié)約能源。集成電控柜空調(diào)智能控制功能，有效可行。

3.3 機(jī)器人UPS模式集成切換

工業(yè)機(jī)器人零位信息存儲(chǔ)在編碼中，編碼器在機(jī)器人斷電時(shí)靠底座4節(jié)干電池進(jìn)行供電，在斷電過(guò)程中可能出現(xiàn)電量放光的情況，造成零位丟失，斷電風(fēng)險(xiǎn)極高，所以目前停產(chǎn)日未進(jìn)行機(jī)器人斷電，耗電量較大。

對(duì)機(jī)器人編碼器供電回路改進(jìn)，如圖3所示，采用UPS不間斷電源進(jìn)行外部供電，機(jī)器人斷電時(shí)給編碼器持續(xù)穩(wěn)定供電。能源智能管理系統(tǒng)上位集成切換，防止出現(xiàn)停產(chǎn)日機(jī)器人零位丟失狀況。

圖3 機(jī)器人UPS電路改進(jìn)

3.4 動(dòng)力設(shè)備智能啟停

汽車制造車間經(jīng)常使用壓機(jī)等動(dòng)力設(shè)備，實(shí)現(xiàn)沖壓折邊等工藝。生產(chǎn)期間壓機(jī)液壓泵為持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，單臺(tái)壓機(jī)功耗較高，能耗控制存在較大改進(jìn)空間。使用APC輸送機(jī)構(gòu)等區(qū)域，電機(jī)帶動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)滾輪方式進(jìn)行傳動(dòng)，原有運(yùn)行方式下驅(qū)動(dòng)電機(jī)為持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，零件及托盤到位后，電機(jī)仍在持續(xù)工作，存在能源損耗。

將壓機(jī)液壓泵、APC電機(jī)運(yùn)行的參數(shù)及信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，PLC程序中設(shè)立等待時(shí)間閾值，等待時(shí)間超閾值自動(dòng)切斷壓機(jī)液壓泵和APC電機(jī)的主能源回路，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。壓機(jī)液壓泵/APC電機(jī)智能啟停的實(shí)現(xiàn)，減少設(shè)備每日空耗運(yùn)行時(shí)間約3h，提高設(shè)備使用壽命，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

3.5 工位照明及風(fēng)扇自動(dòng)控制

自動(dòng)工位照明及風(fēng)扇的原有工作模式為生產(chǎn)日的上班時(shí)間段一直處于開啟狀態(tài)，該運(yùn)行模式將會(huì)造成大量的電能耗費(fèi)。自動(dòng)工位照明在無(wú)相關(guān)人員參與該工位的維修、TPM等活動(dòng)情況下實(shí)際可以關(guān)閉。通過(guò)廠房照明及物流通道照明可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工位基本情況觀察，工位風(fēng)扇在無(wú)人員上料時(shí)可以關(guān)閉。以正常生產(chǎn)兩班制為例，TPM、排故及更換電機(jī)帽等需要人員參與的生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)間比例不高。采用智能控制模式，當(dāng)自動(dòng)工位照明需要開啟時(shí)，智能判斷工位安全門開閉、故障報(bào)警狀態(tài)等自動(dòng)開啟，其他時(shí)間將處于關(guān)閉狀態(tài)。

搭建車身車間工位照明及風(fēng)扇節(jié)能系統(tǒng)。將工位照明及風(fēng)扇接入PLC，編寫工位照明及風(fēng)扇節(jié)能智能自動(dòng)控制程序及HMI控制界面。以特定的故障、安全信號(hào)為觸發(fā)信號(hào)，照明才會(huì)開啟，其他時(shí)間為關(guān)閉狀態(tài)；監(jiān)控?zé)o人員上料時(shí)風(fēng)扇自動(dòng)停止，通過(guò)HMI可快速實(shí)現(xiàn)整條線體照明的遠(yuǎn)程控制，滿足按需要開啟，同時(shí)保留手動(dòng)開關(guān)作為程序控制的備用方案。

以故障信號(hào)觸控工位照明的控制方法，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的同時(shí)，創(chuàng)造性利用工位照明的開閉增加故障報(bào)警提示效果，可提示維修人員工位故障，充當(dāng)暗燈系統(tǒng)故障提示輔助功能，并且可基于照明時(shí)間預(yù)判燈具使用壽命。

3.6 大型除塵設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制

車身車間以焊接工藝為主，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵、飛濺，激光房、打磨房等工位采用大型除塵設(shè)備，對(duì)造車過(guò)程產(chǎn)生的煙塵進(jìn)行收集凈化處理。除塵設(shè)備原有控制方式為全天候開啟，產(chǎn)線停歇期間持續(xù)工作，存在較多空耗損失和控制不精準(zhǔn)的問(wèn)題，且大型除塵設(shè)備供排風(fēng)量大，單臺(tái)功率高，全天開啟會(huì)產(chǎn)生很大功耗，傳統(tǒng)控制方式存在較大能源浪費(fèi)問(wèn)題。

針對(duì)車間大型除塵設(shè)備耗電量大的問(wèn)題，將設(shè)備接入PLC系統(tǒng)，增加接觸器和I/O模塊，通過(guò)監(jiān)控線體運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程自動(dòng)控制除塵設(shè)備的啟停，由原來(lái)的持續(xù)工作改為智能控制。生產(chǎn)休息間隙，產(chǎn)線缺/堵料間隙及非生產(chǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)大型除塵設(shè)備的節(jié)能運(yùn)行。

除塵設(shè)備智能控制的實(shí)現(xiàn)，保證環(huán)保除塵效率的前提下，一方面大大減少了設(shè)備功耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的；另一方面科學(xué)精準(zhǔn)的啟停控制可以有效減少設(shè)備的工作時(shí)間，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低備件更換費(fèi)用。

4 實(shí)施效果

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

利用物聯(lián)網(wǎng)和智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高自動(dòng)化率車間能源智能控制，進(jìn)行耗能設(shè)備精細(xì)化管控，減少了造車過(guò)程能源浪費(fèi)。車間能源智能化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)電費(fèi)節(jié)約的同時(shí)節(jié)省了手動(dòng)開關(guān)機(jī)的人工工時(shí)，減少了設(shè)備持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的備件損耗費(fèi)用。

4.2 社會(huì)效益

此系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，引入多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)及集成應(yīng)用點(diǎn)，建成互聯(lián)互通的耗能設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的利用最大化和管理信息化，對(duì)高自動(dòng)化率車間的能耗攻關(guān)起到了示范作用，降低了汽車制造成本，同行業(yè)中處于領(lǐng)先水平，推廣應(yīng)用效益巨大。

4.3 生態(tài)效益

車間能源智能化管理系統(tǒng)的搭建，有利于改善傳統(tǒng)汽車制造過(guò)程管理粗放的問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年累計(jì)減少超500 t標(biāo)準(zhǔn)煤的能源消耗，節(jié)能減排效果明顯，生態(tài)效益巨大。上位集成控制系統(tǒng)的搭建為能源改進(jìn)提供了開放的平臺(tái)，為后續(xù)新的節(jié)能創(chuàng)新方案和改進(jìn)措施預(yù)留了接口，有助于全員參與節(jié)能改進(jìn)的氛圍，樹立全員節(jié)能環(huán)保的意識(shí)，增強(qiáng)企業(yè)主動(dòng)解決環(huán)保節(jié)能問(wèn)題，落實(shí)綠色造車的責(zé)任。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高自動(dòng)化率車間能耗高的問(wèn)題，本文開發(fā)了一種智能化閉環(huán)能源控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)溫濕度傳感器監(jiān)控環(huán)境溫度，模擬量模塊實(shí)現(xiàn)信息輸出，電機(jī)能流動(dòng)態(tài)反饋線體狀態(tài)，工位報(bào)警信息預(yù)警設(shè)備運(yùn)行，上位系統(tǒng)分析處理底層信息，智能輸出控制指令，集成控制終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備能耗管理的動(dòng)態(tài)精細(xì)化控制。車間能源智能化管理系統(tǒng)的搭建，改變了傳統(tǒng)汽車制造過(guò)程能源管理粗放的問(wèn)題，可以為高自動(dòng)化率車間的類似應(yīng)用場(chǎng)景提供有益借鑒，助力汽車制造業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和。