信息技術(shù)助力制造業(yè)實現(xiàn)碳中和

王 鵬，彭先濤

（浙江恒逸集團有限公司，浙江 杭州 313200）

1 引言

《關(guān)于加強產(chǎn)融合作推動工業(yè)綠色發(fā)展的指導意見》提出，要加強產(chǎn)融合作推動工業(yè)綠色發(fā)展。自2021年以來，綠色產(chǎn)品、綠色工廠及綠色制造等成為主流趨勢，是制造業(yè)實現(xiàn)工業(yè)碳中和的重要途徑與目標。制造業(yè)是實體經(jīng)濟的支柱，實現(xiàn)工業(yè)碳中和既能助力實現(xiàn)國家層面的戰(zhàn)略目標，又能使企業(yè)降低成本，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。對于制造業(yè)而言，要想實現(xiàn)工業(yè)碳中和，最直接、效果最顯著的方式是實現(xiàn)節(jié)能，通過技術(shù)手段實現(xiàn)節(jié)能目標的落地，信息技術(shù)在其中起到核心作用。

2 綠色發(fā)展

自第一次工業(yè)革命將人類社會帶入“機械時代”后，能源就成為工業(yè)發(fā)展、人類進步所離不開的“動力”，能源的穩(wěn)定供給更是“電氣時代”“信息時代”高速發(fā)展、穩(wěn)定運行的重要保障。

制造業(yè)場景極多，不同行業(yè)的工藝、業(yè)務(wù)需求決定了設(shè)備、解決方案均會差別大、通用性低，本文就常見、重要的幾個場景進行闡述，希望為工業(yè)碳中和的技術(shù)落地提供一定的借鑒意義。

2.1 電機節(jié)能場景

不論離散行業(yè)，還是流程行業(yè)，電機是最為常見的拖動設(shè)備，同時也是較大的耗能場景。電機的分類較多，本文從能耗角度進行剖析。電機不論用作何種用途，電能始終是其主要的能源供給。結(jié)合實際經(jīng)驗，對電機節(jié)能實現(xiàn)較明顯的效果主要從兩方面考慮：正常運轉(zhuǎn)維護、節(jié)能。

對于制造業(yè)的關(guān)鍵拖動設(shè)備處的電機，一定要確保關(guān)鍵設(shè)備在一個檢維修周期內(nèi)平穩(wěn)、安全地運行，而一個檢維修周期可能為3年以上。關(guān)鍵電機如發(fā)生故障或異常導致停車事故，會給企業(yè)帶來直接和間接的損失，尤其是流程行業(yè)，會直接導致批量產(chǎn)品的報廢，間接的設(shè)備清理/清洗、重開車等需額外增加時間、費用成本等。隨著傳感器、5G和信息技術(shù)等的發(fā)展，對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、異常處理及設(shè)備巡檢等提供了高效的手段。

1）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視。傳統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視是通過SCADA組態(tài)軟件獲取PLC、DCS、設(shè)備控制器等中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)，關(guān)鍵設(shè)備畫面需安排人員24小時值守，狀態(tài)出現(xiàn)異常通過對講機呼叫維修人員進行處理。目前較為成熟的方案為在關(guān)鍵設(shè)備的電機上安裝傳感器（傳感器供電方式為自帶電池或外接電源），可連續(xù)采集電機運行期間的電壓、電流、XYZ三向振動、聲音及扭矩等信息，將傳感器數(shù)據(jù)定時上傳至系統(tǒng)中，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)視、事后分析，根據(jù)曲線中的異常情況對設(shè)備隱患進行預判，給出是否需要提前維修的建議，保證了設(shè)備的穩(wěn)定運行。同時該系統(tǒng)可與設(shè)備管理系統(tǒng)對接聯(lián)動，當需要維修時，設(shè)備管理系統(tǒng)結(jié)合歷史維修經(jīng)驗、設(shè)備關(guān)聯(lián)部件及備品備件庫存等，向維修人員終端推送建議維修方案、需更換的備品備件等信息。

該部分在應用時需要注意幾個問題：①由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復雜，直接應用運營商提供的5G可能會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中斷、延時等問題，造成數(shù)據(jù)丟失。可考慮：現(xiàn)場部署局域無線網(wǎng)絡(luò)，接入工廠的網(wǎng)絡(luò)；傳感器具備一定的數(shù)據(jù)緩存能力，完善數(shù)據(jù)斷點續(xù)發(fā)能力。②在流程行業(yè)，電機異常信息不能單獨看待與分析，需關(guān)聯(lián)上下游的工藝信息，比如某攪拌泵電機運行電流發(fā)生波動，但電機其余狀態(tài)都正常，此時需要關(guān)聯(lián)上下游工藝參數(shù)進行分析，不能直接判定設(shè)備異常。

2）設(shè)備巡檢。傳統(tǒng)的設(shè)備巡檢主要是依靠人工完成，存在漏檢、巡檢不到位及管理難度大等問題。中大型企業(yè)會上線設(shè)備管理系統(tǒng)，其中有設(shè)備巡檢功能模塊。在現(xiàn)場需巡檢設(shè)備處放置二維碼，人工通過PDA（Personal Digital Assistant，掌上電腦）掃描二維碼確認、錄入巡檢信息。該方式減輕了人工部分工作量，若人員偷懶，拍攝現(xiàn)場二維碼的照片，不去現(xiàn)場就用PDA掃描巡檢點二維碼完成巡檢，會帶來設(shè)備運行風險，也加大了管理難度。

隨著機器視覺、AI、語音識別等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，AR頭盔集成這些技術(shù)后在工業(yè)設(shè)備巡檢中進行應用，取得了較為明顯的效果?？稍谙到y(tǒng)中提前設(shè)置巡檢路線，人員戴上AR頭盔按指定路線進行巡檢，到達某一巡檢位置時，人員可以通過語音下達抄表、拍照等指令，完成指令后AR將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)、通過圖片判斷設(shè)備狀態(tài)（如是否漏油、位置是否偏移等），并可與設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)備檢維修功能模塊對接聯(lián)動，出現(xiàn)異常時通知相關(guān)班組人員進行現(xiàn)場確認、維修等。該技術(shù)的應用可大幅減少人員巡檢時的工作量，精準記錄巡檢數(shù)據(jù)，對人員巡檢行為是否合規(guī)及時判斷，根據(jù)上傳的儀表數(shù)據(jù)實時監(jiān)視工藝情況是否正常，根據(jù)設(shè)備圖片對設(shè)備狀態(tài)進行實時判定。但AR自帶的攝像頭存在成像角度、效果有時不理想等情況，對設(shè)備狀態(tài)的判斷會存在一定的誤差，結(jié)合系統(tǒng)與現(xiàn)場部署的攝像頭聯(lián)動可以取得不錯的效果。

2.2 空壓機節(jié)能場景

空壓機是規(guī)模企業(yè)中最常見、關(guān)鍵的設(shè)備，也是能耗較高的地方。常規(guī)的節(jié)能方案主要是用在離心機、螺桿機機組的節(jié)能，透平機組目前幾乎無節(jié)能方案。工廠設(shè)置空壓機組時，一般均會預留幾臺備用機，此處也是節(jié)能方案、延長機組使用壽命的關(guān)鍵所在。

結(jié)合實際使用情況，效果顯著、性價比高的方案為“聯(lián)控”方式，即：根據(jù)主管道、分管道的壓力變化，采用PLC+變頻的方式實現(xiàn)壓力恒定，根據(jù)機組的運行時間切換備用機組，可有效保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，設(shè)備均衡使用，延長機組的運維時間與使用壽命。部分空壓機廠商也可提供該方案。對于空壓機機組節(jié)能需要注意以下幾點：

1）壓縮空氣管網(wǎng)鋪設(shè)后，隨著生產(chǎn)工況與需求變化，可能做過比較大的改動，甚至是臨時進行分管的改造，未做全局合理的規(guī)劃與優(yōu)化。在對空壓機組進行優(yōu)化前，需要對管網(wǎng)分布、終端用氣情況、漏氣點及堵點進行詳細的了解與梳理，對漏點和堵點進行治理。對于主管和分管安裝傳感器（流量、壓力等）的位置進行確認，如存在不適合安裝的位置，對改造方案、節(jié)能方案需進行充分的論證與評估，切勿為了節(jié)能而做節(jié)能，若為了節(jié)能而做過大的改造，反而會增加生產(chǎn)成本與停機風險。

2）要確定節(jié)能是否有效果，需要收集1~2年的歷史數(shù)據(jù)，主要包括耗電量、空壓機加載率、用氣量及生產(chǎn)工況等，建立生產(chǎn)工況與能耗的實際關(guān)系，對節(jié)能效果真實情況進行合理、有效的對比。

3）在工業(yè)場景中，加裝的傳感器要能與系統(tǒng)或人員進行聯(lián)動，實現(xiàn)“閉環(huán)”。例如在空壓機機房中加裝露點儀檢測空氣中的濕度，實時了解機組工作條件，此時需要考慮若空氣中濕度較高時，該如何進行處理？對于在海邊的廠房，是否有加裝該傳感器的必要？對于儀表氣，其供氣中已包含過濾、干燥工藝，是否還有加裝露點儀的必要？

4）合理的設(shè)備配置是節(jié)約成本的方案，過高的配置會導致設(shè)備閑置率過高，造成浪費；過低的配置難以滿足生產(chǎn)多變的狀況，會存在使用不久就要改造的情況，二次投資增加運營成本。從這個角度來看空壓機節(jié)能，合理配置的情況下節(jié)能空間在3%~5%，若節(jié)能效果超過10%，是否應該對當時配置的技術(shù)方案進行反思？對節(jié)能方案進行充分的論證？

2.3 鍋爐燃煤效率優(yōu)化

在工業(yè)現(xiàn)場，高溫高壓蒸汽是較為常見的需求，其靠鍋爐燃燒所產(chǎn)生。眾所周知，鍋爐是燃煤消耗大戶，對于鍋爐節(jié)能優(yōu)化，主要從兩方面考慮：燃煤效率優(yōu)化，節(jié)約用煤量；對蒸汽輸送管道“治堵防漏”，優(yōu)化終端用能效率。

燃燒效率優(yōu)化。借助傳感器、攝像頭等，實時采集鍋爐點位數(shù)據(jù)，對實時數(shù)據(jù)和原料數(shù)據(jù)（如熱值）進行多維度分析和監(jiān)控，實時監(jiān)視鍋爐燃燒核心指標變化，變化超過設(shè)定閾值時，算法/模型自動推薦需要調(diào)節(jié)的參數(shù)和推薦值，將該值反饋給鍋爐中控操作人員，人員進行確認后進行調(diào)參操作。該部分涉及到大數(shù)據(jù)分析、AI建模等相關(guān)技術(shù)的應用。

用汽終端優(yōu)化。通過AR巡檢及時發(fā)現(xiàn)輸汽管道中的漏點，將位置信息推送至相關(guān)維修人員；通過壓力傳感器實時獲取壓力變化情況，與鍋爐燃燒聯(lián)動，穩(wěn)定壓力在合理的范圍內(nèi)；通過MES獲取相關(guān)生產(chǎn)計劃，根據(jù)產(chǎn)能預算用汽量，與供煤系統(tǒng)、鍋爐燃燒控制系統(tǒng)等聯(lián)動，提前對用煤量、所需蒸汽及壓力波動等情況有所預判。

鍋爐是一個典型的非線性、復雜控制系統(tǒng)，隨著傳感器、大數(shù)據(jù)及AI等技術(shù)的發(fā)展，能夠多維度采集、獲取鍋爐數(shù)據(jù)；通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析，探索數(shù)據(jù)內(nèi)在的聯(lián)系進行建模；結(jié)合歷史工藝情況、專家調(diào)參經(jīng)驗等數(shù)據(jù)，應用AI建立生產(chǎn)與參數(shù)穩(wěn)定的模型，當參數(shù)變化超出規(guī)定閾值時，模型能給出參數(shù)調(diào)整建議值。

此部分的難點：

1）流程行業(yè)工藝流程長且復雜，用汽需求端與工藝、生產(chǎn)息息相關(guān)，結(jié)合這些實現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化控制是一個極大的挑戰(zhàn)，目前所建立的模型屬于探索、嘗試階段，建立準確、有效的模型還有很長的路要走。

2）節(jié)約的用煤量較難準確計量，很多時候并不是系統(tǒng)所產(chǎn)生的節(jié)能效果，主要因素：每批煤的熱值高低直接影響用煤量，當某批次的燃煤熱值較高時，用煤量會顯著減少；破碎機對煤塊破碎程度高，進入爐膛燃燒時顆粒越細，燃燒越充分，耗煤量越少。

3 展望

節(jié)能和擴大綠色能源的使用占比是實現(xiàn)工業(yè)碳中和的直接手段。光伏發(fā)電、風力發(fā)電等新能源的使用可減少碳排放，新能源投用目前最大的問題是能源供應不穩(wěn)定，可通過儲能裝置進行解決。在綠電使用過程中，通過信息技術(shù)對設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)視、實現(xiàn)能源供給與調(diào)度等，充分用好新能源。

4 結(jié)束語

能源是制造業(yè)驅(qū)動的基礎(chǔ)，節(jié)能是降低企業(yè)經(jīng)營制造成本重要、有效的手段。通過信息技術(shù)助力節(jié)能減排是必不可少的途徑，傳感器技術(shù)讓數(shù)據(jù)獲取的方式多樣性、多維度，數(shù)據(jù)的準確性更高；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)讓數(shù)據(jù)傳輸與交互更為高效、可靠，打通了復雜工業(yè)場景中的毛細神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；IT技術(shù)讓數(shù)據(jù)的存儲與應用、系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)、管理效率提升等逐步成熟與完善；新一代信息技術(shù)是企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的關(guān)鍵所在，如通過大數(shù)據(jù)技術(shù)去發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，讓數(shù)據(jù)開始反哺生產(chǎn)經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)，通過AI可建立相應場景下的模型，解決相應場景下的難題，對某些行業(yè)也會帶來改變。信息技術(shù)與工業(yè)業(yè)務(wù)場景結(jié)合應用，通過數(shù)據(jù)去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，找到問題的根本，突破瓶頸。

信息技術(shù)是助力工業(yè)碳中和落地的關(guān)鍵手段。能源貫穿生產(chǎn)制造的全過程，隨著工業(yè)數(shù)字化的建設(shè)，終將打通全廠供應鏈、生產(chǎn)制造與經(jīng)營管理等的數(shù)據(jù)壁壘，構(gòu)建全域數(shù)據(jù)平臺，建立工廠級的模型，聯(lián)動資源，通過數(shù)據(jù)實時反饋生產(chǎn)狀況，某環(huán)節(jié)發(fā)生異常時能通過模型，及時對各環(huán)節(jié)給出最優(yōu)化的聯(lián)動、調(diào)整參數(shù)等建議，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能化，助力制造業(yè)盡快實現(xiàn)碳達峰碳中和。