從精確運(yùn)動(dòng)控制入手，加速制造業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型

如今，消費(fèi)者熱衷于使用低碳產(chǎn)品和服務(wù)，各國(guó)政府也紛紛出臺(tái)相關(guān)法規(guī)，以減少碳排放并實(shí)現(xiàn)凈零排放。在追求這一目標(biāo)的過程中，工業(yè)制造企業(yè)有望借助新技術(shù)加速制造業(yè)低碳轉(zhuǎn)型。本文將深入探討減少工業(yè)碳排放的兩大主題：

• 擴(kuò)大電機(jī)驅(qū)動(dòng)器部署以提高能效

• 數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略對(duì)提高制造效率的影響

2015年的《巴黎協(xié)定》要求將全球變暖限制在1.5°C以內(nèi)，這意味著，2050年前須將當(dāng)前的碳排放量減少80%以上。依照目前的趨勢(shì)，全球?qū)⑸郎?.9°C至2.9°C，這將導(dǎo)致各國(guó)GDP大幅下降，多達(dá)33%的人口流離失所，相關(guān)災(zāi)害每年將造成數(shù)萬(wàn)億美元的損失。

全球已經(jīng)升溫1.1°C，專家稱本世紀(jì)30年代增幅可能會(huì)突破1.5°C，實(shí)現(xiàn)控溫目標(biāo)面臨艱巨挑戰(zhàn)。投資須從化石燃料轉(zhuǎn)向能效提升、可再生能源與核能發(fā)電，以及碳捕集、利用與封存(CCUS)和其他低碳領(lǐng)域。圖1顯示了將碳排放量減少至60億噸以實(shí)現(xiàn)1.5°C控溫目標(biāo)的途徑，詳見《2019年世界能源展望》。該研究包括既定政策情景和可持續(xù)發(fā)展情景兩大部分。既定政策情景僅考慮已經(jīng)宣布的具體政策舉措。可持續(xù)發(fā)展情景則闡釋了世界能夠?qū)崿F(xiàn)氣候、能源獲取和空氣質(zhì)量目標(biāo)以及《巴黎協(xié)定》愿景的路徑。與此同時(shí)，它始終高度關(guān)注能源的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，以滿足全球不斷增長(zhǎng)人口的需求。作為《巴黎協(xié)定》的一部分，效率對(duì)于碳排放減少量的貢獻(xiàn)占比最大，達(dá)37%。12022年，全球與能源相關(guān)的碳排放量增長(zhǎng)了0.9%，超368億噸，創(chuàng)下歷史新高，而工業(yè)排放量為92億噸，下降了1.7%。2022年，工業(yè)碳排放量占總排放量的25%1，加速工業(yè)能效投資將是實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo)的關(guān)鍵舉措之一。

圖1. 相比既定政策情景，可持續(xù)發(fā)展情景中各措施的碳排放減少量。

2022年全球電力供應(yīng)量為28,642太瓦時(shí)，碳排放量達(dá)136億噸（占2022年全球碳排放量的36%）。工業(yè)電力消耗占總量的30%，其中電機(jī)電力消耗占比為69%。工業(yè)部門已安裝電機(jī)量約為4.5億，2022年新安裝電機(jī)量約為5200萬(wàn)（分為老舊設(shè)施升級(jí)和新建設(shè)施開發(fā)），新的更高效率運(yùn)動(dòng)資產(chǎn)顯著減少了電力消耗和碳排放量。電機(jī)廣泛用于各種工業(yè)應(yīng)用，以驅(qū)動(dòng)泵、風(fēng)扇、壓縮空氣系統(tǒng)、物料搬運(yùn)、加工系統(tǒng)等。據(jù)估計(jì)，如果所有已部署的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都以最高效率運(yùn)行，那么到2030年，全球電力需求將減少10%，碳排放量減少24.9億噸（見圖2）。

圖2. 工業(yè)電機(jī)關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

最基本、最低效的運(yùn)動(dòng)解決方案是基于并網(wǎng)或交流3相電機(jī)，它們使用開關(guān)設(shè)備來提供開關(guān)控制和保護(hù)電路。這些基本的運(yùn)動(dòng)控制解決方案以相對(duì)固定的速度運(yùn)行，不受負(fù)載變化影響。節(jié)流閥、阻尼器、閥門等機(jī)械控制裝置可調(diào)整輸出變量（例如泵和風(fēng)扇中的流體流量），而齒輪可實(shí)現(xiàn)顯著的速度變化。據(jù)估計(jì)，目前所有已部署的電機(jī)中有70%至80%已并網(wǎng)，連接到逆變器或變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)將有助于降低能耗。

增加整流器、直流母線和3相逆變器級(jí)會(huì)得到可變頻率和可變電壓輸出的逆變器，應(yīng)用于電機(jī)可實(shí)現(xiàn)變速控制。這種逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)可以使其在負(fù)載和應(yīng)用中以優(yōu)化的速度運(yùn)行，從而大幅降低能耗，例如高效率的泵和風(fēng)扇。當(dāng)添加到泵、風(fēng)扇或壓縮機(jī)的現(xiàn)有電機(jī)時(shí)，逆變器通常可以降低約25%的功耗。

對(duì)于更高性能的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，VSD可以助力實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的扭矩、速度和位置控制。為了實(shí)現(xiàn)上述控制，我們?cè)诨镜拈_環(huán)逆變器驅(qū)動(dòng)中增加了電流和位置測(cè)量，輸送機(jī)、繞組、打印和沖壓機(jī)器就是這些應(yīng)用的典型示例。據(jù)估計(jì)，工業(yè)領(lǐng)域部署的所有電機(jī)中，有20%到30%是由逆變器驅(qū)動(dòng)或連接到VSD。通過將更多已部署的運(yùn)動(dòng)資產(chǎn)從電網(wǎng)連接轉(zhuǎn)移到逆變器驅(qū)動(dòng)或VSD，我們可以顯著降低工業(yè)領(lǐng)域中4.5億臺(tái)電機(jī)的能耗和碳排放量。

智能運(yùn)動(dòng)控制解決方案通過讓越來越多的應(yīng)用從定速電機(jī)轉(zhuǎn)向高效率電機(jī)和VSD，正在并將繼續(xù)大幅降低能耗，能效法規(guī)功不可沒。能耗降低可以助力可持續(xù)制造，同時(shí)減少碳排放。為加速部署更高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)推動(dòng)制定了節(jié)能電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，包括IEC 60034-2-1電機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和涵蓋四級(jí)電機(jī)效率（IE1到IE4）的IEC 60034-30-1分類方案，便于比較不同電機(jī)制造商的效率水平。這些標(biāo)準(zhǔn)為政府確定其最低能耗性能標(biāo)準(zhǔn)(MEPS)的效率水平提供了參考，有助于各國(guó)實(shí)現(xiàn)其能源效率和碳排放目標(biāo)。IEC 60034-1效率等級(jí)：

• IE1 標(biāo)準(zhǔn)效率

• IE2 高效率

• IE3 超高效率

• IE4 超優(yōu)級(jí)效率

各國(guó)政府在制定電機(jī)MEPS方面已取得重大進(jìn)展。自2020年以來，占全球電機(jī)系統(tǒng)電力消耗76%的國(guó)家/地區(qū)已引入IE2或IE3級(jí)別的電機(jī)MEPS，減少了工業(yè)用電量。在歐盟，自2021年7月1日起，0.75 kW至1000 kW電機(jī)的最低能效等級(jí)為IE3（超高效率），0.12 kW至0.75 kW的小型電機(jī)須達(dá)到IE2（高效率）。從2023年7月1日開始，歐盟將75 kW至200 kW電機(jī)的MEPS提高到IE4（超優(yōu)級(jí)效率）。

我們可以看一下電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在其部署期內(nèi)的總擁有成本，電力占總成本的70%，購(gòu)置費(fèi)用僅占5%，維護(hù)占20%（見圖3）。因此，通過部署更高效的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，我們可以顯著降低工業(yè)電機(jī)的運(yùn)行成本，同時(shí)減少碳排放。

圖3. 電機(jī)系統(tǒng)的總擁有成本。

VSD使用來自電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗的數(shù)據(jù)，結(jié)合使用外部傳感器來監(jiān)測(cè)振動(dòng)和其他過程變量。利用融合了信息技術(shù)/操作技術(shù)(IT/OT)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)動(dòng)應(yīng)用彼此互聯(lián)，并將數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)洞察傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)存儲(chǔ)或本地存儲(chǔ)設(shè)施。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和洞察現(xiàn)已更易獲得，并且可通過強(qiáng)大的云計(jì)算和人工智能(AI)進(jìn)行分析，以優(yōu)化制造流程，減少能耗和制造過程中產(chǎn)生的碳排放。利用運(yùn)動(dòng)洞察可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，改善制造質(zhì)量，減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間和材料浪費(fèi)，同時(shí)提高制造工廠的安全性。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)正集成先進(jìn)的傳感、信號(hào)處理、邊緣AI和連接解決方案，以在智能邊緣產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和洞察，新的洞察將傳至制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)（見圖4）。然后，MES可以識(shí)別工作輸出明顯低于標(biāo)稱額定輸出、導(dǎo)致利用率不足和耗電量增加的已部署電機(jī)。另一個(gè)關(guān)鍵功能是識(shí)別工作輸出過于接近或略高于額定輸出的已部署電機(jī)，這種情況也會(huì)導(dǎo)致耗電量增加，影響使用壽命。在部署了數(shù)百至數(shù)千臺(tái)電機(jī)的大型制造設(shè)施中，數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略對(duì)于減少電力消耗和碳排放尤為重要。

圖4. 提供運(yùn)動(dòng)洞察的關(guān)鍵技術(shù)。

世界經(jīng)濟(jì)論壇的塑造先進(jìn)制造和價(jià)值鏈的未來平臺(tái)已建立全球燈塔網(wǎng)絡(luò)，制造業(yè)佼佼者將入選燈塔。該網(wǎng)絡(luò)展示了數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略加速工業(yè)碳減排的真實(shí)案例，其社區(qū)內(nèi)的制造商利用先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)智能制造的創(chuàng)新，以提高生產(chǎn)力和可持續(xù)性。截至2023年1月，全球燈塔網(wǎng)絡(luò)包括132個(gè)制造基地，其中13個(gè)為可持續(xù)發(fā)展燈塔。施耐德電氣的Le Vaudreuil工廠是處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型前沿的可持續(xù)發(fā)展燈塔之一，展示了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的洞察對(duì)可持續(xù)制造的推動(dòng)作用，具體表現(xiàn)如下：

• 用電量減少25%

• 材料浪費(fèi)減少17%

• 碳排放量減少25%

在追求凈零排放目標(biāo)的過程中，工業(yè)制造企業(yè)有望借助新技術(shù)加速制造業(yè)低碳轉(zhuǎn)型。到2040年，工業(yè)活動(dòng)的增加（其中近一半位于中國(guó)和印度）將會(huì)使所部署的電機(jī)數(shù)量翻一倍。因此，新的更高效率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將為碳減排作出更大貢獻(xiàn)，同時(shí)創(chuàng)造大量商機(jī)。ADI公司全力推動(dòng)自動(dòng)化走向更加可持續(xù)、更高效的未來。我們先進(jìn)的技術(shù)和解決方案旨在支持新一代制造系統(tǒng)，從精確運(yùn)動(dòng)控制和無(wú)縫連接到增強(qiáng)的邊緣洞察和分析，ADI專注于提高各層面的效率。