工業(yè)4.0如何助推企業(yè)實現(xiàn)凈零運(yùn)營目標(biāo)

2019 年，受經(jīng)濟(jì)增長加速的影響，全球二氧化碳排放量創(chuàng)下新紀(jì)錄，達(dá)到367 億噸，較1990 年增加60%。當(dāng)前，全球碳減排壓力越來越大。在全球總排放量中，制造過程產(chǎn)生的二氧化碳占比極高，這意味著工業(yè)在碳減排方面的重要性不容小覷。例如，受巨大需求刺激，僅混凝土生產(chǎn)這一項的碳排放就占年度排放量的8%。眾多工業(yè)生產(chǎn)代表企業(yè)已作出承諾，最遲到本世紀(jì)中葉將實現(xiàn)凈零運(yùn)營。根據(jù)凈零原則，工業(yè)企業(yè)承諾在不使用碳補(bǔ)償方式的情況下實現(xiàn)凈零溫室氣體排放。這就要求企業(yè)改用不會產(chǎn)生溫室氣體的生產(chǎn)工藝，或者補(bǔ)償某些生產(chǎn)流程產(chǎn)生的碳排放。這樣一來，他們就需要采用全新方式來收集二氧化碳和其他溫室氣體，或直接加以利用，或通過專門從事碳封存的機(jī)構(gòu)購買碳信用額度來抵消碳排放。

1   從生產(chǎn)到供應(yīng)的能源使用

任何行業(yè)想要實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)都絕非易事，必須密切關(guān)注供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)。企業(yè)需要對供應(yīng)鏈上各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的溫室氣體排放承擔(dān)碳責(zé)任，并需找到應(yīng)對方法以降低甚至完全消除碳排放。找到減排潛力大的環(huán)節(jié)并不難，尤其是能源消費(fèi)活動，通常是制造業(yè)供應(yīng)鏈中溫室氣體的主要排放源。對于其中不可避免的能源消費(fèi)，如果使用可再生能源替代方式，那么凈零目標(biāo)將更容易實現(xiàn)。

近年來，盡管工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的核心話題圍繞JIT（準(zhǔn)時化）供應(yīng)鏈管理，但凈零核算也被用于優(yōu)化供應(yīng)鏈碳排放的計算，進(jìn)而實現(xiàn)最大碳管理效率。如果某制造園區(qū)部署了大型風(fēng)能或太陽能自發(fā)電設(shè)備，那么園區(qū)可以選擇將全部發(fā)電量供自身使用，或?qū)⒉糠职l(fā)電量出售給國家電網(wǎng)。然而，可再生能源發(fā)電往往存在能源供需不匹配的問題，這就會導(dǎo)致能源生產(chǎn)商難以將過剩電力出售給電網(wǎng)運(yùn)營商，從而無奈選擇存儲電力或者暫時關(guān)停發(fā)電機(jī)。換句話說，如果能源生產(chǎn)商在發(fā)電量過剩的情況下進(jìn)一步改進(jìn)了能耗較大的制造工藝水平，那么他們就可以提高整體碳減排能力，但同時也需要將其他額外的發(fā)電量進(jìn)行存儲直至投入生產(chǎn)使用。

2   云計算和邊緣計算的作用

通過集成到大規(guī)模反饋回路中，關(guān)鍵過程控制系統(tǒng)的運(yùn)行操作可以最大化利用云計算和邊緣計算提供的強(qiáng)大算力。同時，云服務(wù)器還能夠運(yùn)行人工智能模型來學(xué)習(xí)如何制定最佳策略以應(yīng)對能源變化及氣候和其他環(huán)境變化。

某些過程碳含量較高，高溫需求增加，由此可能影響系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加整體排放，導(dǎo)致難以應(yīng)對能源供應(yīng)變化。而通過密切監(jiān)測每個節(jié)點(diǎn)上使用的能源組合，至少可以為廠商提供有效信息來更好地規(guī)劃碳信用額度使用，并開發(fā)碳捕獲解決方案。工業(yè)控制集成商和運(yùn)營商可以部署各種策略來實現(xiàn)從現(xiàn)有架構(gòu)到這一新型架構(gòu)的無縫過渡，從而在目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境中充分發(fā)揮邊緣計算的作用。

圖1 采用邊緣處理和預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)框圖

3   過程控制的應(yīng)用價值

除上述方法之外，還有許多其他加速實現(xiàn)凈零目標(biāo)的方法。以水泥生產(chǎn)為例。水泥生產(chǎn)過程中的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的碳排放量約占總排放量的一半。盡管全球水泥行業(yè)的能源效率有所提高，但國際能源署 2021 年發(fā)布報告稱，一些地區(qū)的生產(chǎn)商并未跟上行業(yè)整體步伐。研究人員指出，造成這種差異的原因之一在于生產(chǎn)商對水泥關(guān)鍵成分生產(chǎn)過程中的化學(xué)反應(yīng)條件控制不佳。如果他們能提高過程控制精準(zhǔn)性，便能解決這一問題，由此降低碳排放量。

毫無疑問，通過優(yōu)化過程控制，其他許多行業(yè)也可以在一定程度上提高整體能源效率。借助更精準(zhǔn)的過程控制，生產(chǎn)商可以減少不必要的廢熱或副產(chǎn)品，同時還能更準(zhǔn)確地預(yù)測材料物流情況，從而降低運(yùn)輸過程中的能源消耗。此外，他們可以將更有效的過程控制措施精細(xì)化到單個驅(qū)動器和電機(jī)。電機(jī)能耗約占加工廠總能耗的70%，并且由于資本成本較低且易于維護(hù)，工業(yè)生產(chǎn)目前普遍使用相對低效的異步交流電機(jī)。

新型電機(jī)技術(shù)則可以減少打滑等問題，同時提高控制水平，因此電氣效率更高。通過編程設(shè)計，電控同步電機(jī)可以按需啟動，并按照控制算法設(shè)定的正確扭矩和速度運(yùn)行，而無需像AC 電機(jī)那樣持續(xù)維持高扭矩運(yùn)行并裝配變速箱。例如，Eaton 和Maxon 等供應(yīng)商的電子控制器和電機(jī)驅(qū)動器不僅可以降低耗電量，還可以減少磨損、降低熱量。

圖2 工業(yè)環(huán)境構(gòu)建模塊

4   短距離和遠(yuǎn)程通信

為了最大限度地提高能源和材料效率，企業(yè)必須準(zhǔn)確掌握機(jī)器操作的時間和方法。這也正是工業(yè)4.0 技術(shù)的優(yōu)勢所在。工業(yè)4.0 架構(gòu)的一大功能便是利用短距離和遠(yuǎn)程通信來支持本地控制系統(tǒng)的信息共享。這些控制系統(tǒng)可以確保傳送帶僅在運(yùn)送產(chǎn)品時處于運(yùn)行狀態(tài)，并且在不需要加工組件時關(guān)閉機(jī)床，同時在新組件即將到達(dá)生產(chǎn)單元時進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。此外，系統(tǒng)中廣泛分布的傳感器和計算平臺能夠采集整個生產(chǎn)環(huán)境中的數(shù)據(jù)并為決策分析提供支持，有時遠(yuǎn)程服務(wù)器也會提供實時感知數(shù)據(jù)支持。

當(dāng)前，藍(lán)牙、Wi-Fi 和LoRaWAN 等無線協(xié)議應(yīng)用日益普遍，大大降低了按需部署傳感器的難度，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)現(xiàn)有機(jī)床和管理系統(tǒng)中儀器裝置的功能。在控制系統(tǒng)中集成這些傳感器和云輔助時，并不需要對系統(tǒng)進(jìn)行全面檢修。盡管許多情況下，管理單個機(jī)床的可編程邏輯控制器（PLC）可以適用多年，但是制造商可以通過采用DIN 導(dǎo)軌部署的工業(yè)計算機(jī)來進(jìn)一步增強(qiáng)其功能，從而更輕松更順暢地整合到工廠車間環(huán)境。如果需要更加復(fù)雜的控制算法，則可以選擇由IndustrialShields 和Kunbus 提供的高級PLC 解決方案，由此可獲得性能升級。

此外，借助以太網(wǎng)和其他高帶寬連接，邊緣服務(wù)器可以從許多PLC 和控制系統(tǒng)獲取輸入數(shù)據(jù)并集成到高級模型中，由此確保個工廠車間緊密協(xié)調(diào)，實現(xiàn)動態(tài)激活和停用系統(tǒng)，避免浪費(fèi)過量能源。

5   智能傳感器：關(guān)鍵組件

傳感器與智能監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛結(jié)合，可以確保機(jī)械以最高效率工作，同時最大限度地減少浪費(fèi)。如果系統(tǒng)在測試和檢查期間檢測到偏離正常運(yùn)行參數(shù)的情況，則可以快速停用相關(guān)設(shè)備并實施檢查。這就能避免報廢和返工情況，從而避免給排放報告帶來負(fù)面影響，并為企業(yè)節(jié)省直接成本。此外，制造商還可以實施預(yù)測性維護(hù)，一方面確保機(jī)床和其他機(jī)械系統(tǒng)達(dá)到最高工作效率，另一方面根據(jù)碳排放等目標(biāo)合理安排維護(hù)時間。一直以來，傳統(tǒng)工作模式是機(jī)器脫機(jī)與否的決定性指導(dǎo)因素。然而現(xiàn)在，分析程序則確定，成本最低的路徑是將維護(hù)工作安排在低碳能源供應(yīng)相對較少的時段。同時，基于經(jīng)驗的人工智能模型將利用來自工廠車間系統(tǒng)的各種輸入數(shù)據(jù)進(jìn)一步確定最佳行動方案。

6   總結(jié)

對減少工業(yè)溫室氣體排放而言，單一的改變或升級作用不大。然而，通過實施工業(yè)4.0，制造商可以整合利用各種技術(shù)消除過量碳排放和能源使用來源，從而達(dá)成凈零運(yùn)營目標(biāo)。借助服務(wù)完善的電子元件分銷商，制造商將能更順暢地實現(xiàn)工業(yè)4.0 轉(zhuǎn)型。尤其是提供技術(shù)支持的分銷商，將能為制造商評估現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施部署并提供硬件方面的建議，如先進(jìn)的PLC、傳感器模塊、工業(yè)計算機(jī)及其他眾多子系統(tǒng)，進(jìn)而實施整合部署以創(chuàng)建有效的凈零方案。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期）