能源效率在工業(yè) 4.0 中發(fā)揮著重要作用

通過(guò)連接機(jī)器和工具，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 使制造公司能夠?qū)崟r(shí)提高生產(chǎn)的可見(jiàn)性。IIoT 設(shè)備收集的大量數(shù)據(jù)使您能夠優(yōu)化生產(chǎn)、提高產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量、應(yīng)用預(yù)測(cè)性維護(hù)、自動(dòng)化供應(yīng)鏈等等。IIoT 和工業(yè) 4.0 之間的聯(lián)系非常密切，因?yàn)?IIoT 基礎(chǔ)設(shè)施使工業(yè)現(xiàn)實(shí)變得完全數(shù)字化和智能化。盡管過(guò)去兩年經(jīng)濟(jì)環(huán)境艱難，但對(duì) IIoT 的投資呈現(xiàn)出積極趨勢(shì)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將進(jìn)一步增長(zhǎng)。

能源效率在工業(yè)世界中發(fā)揮著重要作用?！熬G色工廠”的目標(biāo)不僅是為了滿(mǎn)足環(huán)境和可持續(xù)性的需求，而且是為了提高行業(yè)的盈利能力。不斷上漲的能源成本及其對(duì)環(huán)境的影響使能源效率成為工業(yè) 4.0 的主要目標(biāo)之一。

電源管理和能源效率

電源管理系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行工業(yè)活動(dòng)所需的能源，提供與配電參數(shù)相關(guān)的有用信息并識(shí)別模式和趨勢(shì)。電源管理的主要目標(biāo)是確保能源供應(yīng)，尤其是其可用性、可靠性和質(zhì)量。

另一方面，能源效率更關(guān)注與降低成本相關(guān)的方面，公司可以通過(guò)減少能源損失和減少對(duì)環(huán)境的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)已進(jìn)入所有主要工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè) 4.0 不能忽視能源效率。這種聯(lián)系是如此緊密，以至于今天，我們更恰當(dāng)?shù)卣務(wù)撃茉?4.0，在這種背景下，智能電網(wǎng)允許管理不同的能源（包括可再生能源）及其分配。另一方面，在日益分散的市場(chǎng)中整合不同的能源來(lái)源需要能夠保證能源消耗的質(zhì)量、可持續(xù)性和效率的管理技術(shù)——數(shù)字化可以再次幫助實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

IIoT 對(duì)智能工廠的好處

IIoT 極大地促進(jìn)了該行業(yè)向智能工廠現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變，帶來(lái)了以下好處：

更高的效率：傳感器持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)并收集有用的數(shù)據(jù)，以確定機(jī)器的正確運(yùn)行、流程的進(jìn)度和能源消耗。這樣可以更好地了解資源的使用方式以及是否可以找到更有效的使用方式。

提高安全性：某些生產(chǎn)活動(dòng)，例如裝配、零件成型、檢查和機(jī)械控制，可能對(duì)操作員的健康構(gòu)成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。遠(yuǎn)程管理數(shù)據(jù)采集并將最危險(xiǎn)的活動(dòng)委托給機(jī)器人和智能機(jī)械的能力使公司能夠保證更好地保護(hù)工人和維護(hù)人員的安全。

減少停機(jī)時(shí)間：預(yù)測(cè)性維護(hù)允許您估計(jì)故障發(fā)生前的剩余時(shí)間。通過(guò)提前計(jì)劃適當(dāng)?shù)母深A(yù)措施，可以降低計(jì)劃外停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)成本，從而確保業(yè)務(wù)具有更大的彈性。

能源供需平衡：符合 ISO 50001 標(biāo)準(zhǔn)允許行業(yè)為自己配備能源管理系統(tǒng)，以不斷提高能源效率。通過(guò) ISO 50001 認(rèn)證，公司能夠了解內(nèi)部能源消耗，并可以監(jiān)控和減少其能源需求。

能源效率趨勢(shì)

我們已經(jīng)看到能源效率如何成為 IIoT 應(yīng)用的主要目標(biāo)，以及這如何有助于全面實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 設(shè)想的計(jì)劃。現(xiàn)在將審查能源效率的主要趨勢(shì)，重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)內(nèi)容和所提供的好處。

傳感器

由于傳感器是任何 IIoT 應(yīng)用的基本元素，因此它們本身非常節(jié)能是很重要的。數(shù)百或數(shù)千個(gè)傳感器可用于單個(gè) IIoT 應(yīng)用，因此幾個(gè)百分點(diǎn)的效率提升具有相當(dāng)大的意義。此外，由于這些傳感器中的大多數(shù)都是由電池供電的，因此必須盡可能地延長(zhǎng)它們的自主性。圖1顯示了電表的框圖，取自 NXP Semiconductors 的參考設(shè)計(jì)。所有所需組件（MCU、通信收發(fā)器、顯示器等）的選擇必須優(yōu)先考慮能夠支持具有極低靜態(tài)電流的低功耗工作模式的低功耗組件。因此，通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)和準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，可以提高傳感器的能效。

圖 1：電表框圖。。（來(lái)源：恩智浦半導(dǎo)體）

邊緣計(jì)算

任何 IIoT 應(yīng)用程序的主要困境之一是在云上執(zhí)行的處理和本地處理之間找到正確的折衷方案。第一種的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算能力要求低，但需要更高的帶寬和更長(zhǎng)的傳輸時(shí)間，從而增加了電流消耗。然而，高性能微控制器的可用性，以及實(shí)時(shí)運(yùn)行人工智能算法（如深度學(xué)習(xí)）的能力，正在推動(dòng)許多應(yīng)用程序向邊緣計(jì)算過(guò)渡。

智能電網(wǎng)集成

無(wú)需人工干預(yù)，智能電網(wǎng)即可監(jiān)控電力需求的局部變化并自動(dòng)做出反應(yīng)。它需要電網(wǎng)與消費(fèi)者之間的實(shí)時(shí)雙向通信，允許消費(fèi)者根據(jù)個(gè)人偏好（如定價(jià)和/或環(huán)境問(wèn)題）調(diào)整其能源消耗。通過(guò)與蜂窩塔或其他類(lèi)似基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信，智能電網(wǎng)會(huì)發(fā)送重要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，例如即時(shí)用電量、累積功耗、最大需求等。

數(shù)字孿生

術(shù)語(yǔ)“數(shù)字孿生”是指物理資源的虛擬副本，由對(duì)象、進(jìn)程、系統(tǒng)或設(shè)備表示。數(shù)字孿生用于各種目的，特別是優(yōu)化生產(chǎn)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。因此，與工業(yè) 4.0 范式相比，這種方法是最先進(jìn)的。

混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備允許您創(chuàng)建工業(yè)機(jī)械的虛擬復(fù)制品、查看它們并將它們準(zhǔn)確地放置在目標(biāo)位置、評(píng)估正確的尺寸并預(yù)測(cè)安裝階段的任何問(wèn)題。通過(guò)數(shù)字孿生，還可以在不停止生產(chǎn)的情況下進(jìn)行模擬和壓力測(cè)試。

能量收集

連接到 IIoT 的設(shè)備數(shù)量一直在增長(zhǎng)。云中的機(jī)器學(xué)習(xí)、能量收集技術(shù)和超低功率無(wú)線電傳輸相結(jié)合，創(chuàng)建了一個(gè)靈活的基礎(chǔ)設(shè)施，用于監(jiān)控不需要硬接線電源或通信連接的工業(yè)廠房、設(shè)備和建筑物。

小而簡(jiǎn)單的傳感器可以利用能量收集從環(huán)境中提取能量并將其轉(zhuǎn)換為即用型電源。這些傳感器的操作不需要電池，因?yàn)樗鼈冇森h(huán)境的熱量、光或運(yùn)動(dòng)供電。如今，溫度、濕度和運(yùn)動(dòng)傳感器以及執(zhí)行器幾乎可以安裝在任何地方。傳感器可以相互通信，也可以與控制器或網(wǎng)關(guān)通信，這些控制器或網(wǎng)關(guān)可以連接到云端，從而實(shí)現(xiàn)智能工廠概念。

電源轉(zhuǎn)換效率

在工業(yè)廠房中，有許多使用電源或電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)備。幾年來(lái)，趨勢(shì)一直是幾乎完全使用能夠提供高效率值的開(kāi)關(guān)電源，但代價(jià)是不可忽略的射頻發(fā)射。在某些應(yīng)用中，線性轉(zhuǎn)換器（效率較低但幾乎為零電磁輻射）仍然是可取的。在 AC/DC 轉(zhuǎn)換器中，有必要引入功率因數(shù)校正級(jí)來(lái)提高信號(hào)質(zhì)量，從而提高轉(zhuǎn)換效率。隨著寬帶隙半導(dǎo)體的引入，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，現(xiàn)在可以獲得進(jìn)一步的效率改進(jìn)。由于其優(yōu)越的物理特性，

智能機(jī)器人

在工業(yè)中，機(jī)器人用于執(zhí)行以前由人類(lèi)完成的重復(fù)性工作。在這一領(lǐng)域，最新且引人入勝的創(chuàng)新之一是計(jì)算機(jī)視覺(jué)，尤其是立體視覺(jué)。立體相機(jī)模擬人類(lèi)的典型視覺(jué)能力，使機(jī)器人不僅可以感知周?chē)h(huán)境，還可以感知圖像各個(gè)點(diǎn)的深度或距離。這允許在抓握和釋放各種類(lèi)型的物體時(shí)具有更高的運(yùn)動(dòng)精度和精度。

結(jié)論

工業(yè)部門(mén)消耗了全球大部分能源，因此也是溫室氣體排放的最大貢獻(xiàn)者之一。對(duì)環(huán)境的更大責(zé)任正在刺激人們尋找能夠降低能源消耗、提高生產(chǎn)效率和尊重環(huán)境的新解決方案。IIoT 和工業(yè) 4.0 提供了多種機(jī)會(huì)來(lái)支持這些努力。技術(shù)的整體使用，以及通過(guò)智能和高效的方法和應(yīng)用優(yōu)化的生產(chǎn)流程，可以幫助改進(jìn)生產(chǎn)流程并降低能源消耗。

審核編輯 黃昊宇