秦勇，李寶玉，陳壯

（浙江陸虎汽車有限公司，浙江 臨海 317000）

信息時代的爆發(fā)與科技的進步打開了智能制造的新大門，如今的制造業(yè)已由傳統(tǒng)手工作業(yè)轉(zhuǎn)化為機械化作業(yè)，以不斷降低制造成本。能耗成本作為制造成本中較為關(guān)鍵的組成，其管控方式必須不斷向前演進。本文從涂裝車間能源管理的實踐活動出發(fā)，挖掘現(xiàn)場設(shè)備智控、高效、節(jié)能的空間，用實際案例解析涂裝車間的能源管理工作。

1 涂裝工廠簡介

涂裝車間按照主體二層、局部三層的現(xiàn)代化工藝分區(qū)排布，建筑面積37 800 m2，設(shè)計節(jié)拍30 JPH，產(chǎn)能15 萬輛/年。

涂裝車間規(guī)劃階段為達成低能耗、低排放、高效、智能的汽車涂裝車間智能化能源管理實踐，采用B1/B2 水性工藝，紙盒干式噴房、循環(huán)風再利用、中水回用、TNV(廢氣焚燒爐)廢氣處理再利用等系統(tǒng)悉數(shù)用上，使整個涂裝車間更加節(jié)能環(huán)保。全車間為密閉車間，采用了全球最頂級的自動噴涂設(shè)備供應(yīng)商的產(chǎn)品配套，包括德國Dürr 第三代機器人、美國Graco 供膠系統(tǒng)、Binks 涂料自動供給系統(tǒng)等；輸送方面采用自動移栽機、滑橇輸送、智能放行輸送、自動鎖緊解鎖等方式實現(xiàn)車身不落地流轉(zhuǎn)；車間中控系統(tǒng)可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)狀態(tài)、車身信息、能源消耗、工藝參數(shù)等自動采集和輸出，極大地提升了車間設(shè)備和生產(chǎn)管理的效率，降低了整體能耗。

2 智能化能源計量系統(tǒng)的介紹

能源管理系統(tǒng)(energy management system，簡稱EMS)是對涂裝車間內(nèi)部的水、電、天然氣、蒸汽、壓縮空氣等進行耗量的采集(檢測)、分析、控制，實施系統(tǒng)管理，指導(dǎo)能源的利用及節(jié)能方向，實現(xiàn)可持續(xù)性節(jié)能降耗的有效工具。

在車間能源系統(tǒng)及管理平臺的搭建過程中，提出了未來的智能管理模式方向：現(xiàn)場能源計量點位實時數(shù)據(jù)采集、上傳的初級功能；按時段、生產(chǎn)過程、分區(qū)域三個維度進行數(shù)據(jù)處理并輸出的中級功能；利用前期存儲進行大數(shù)據(jù)分析，預(yù)測日后能耗成本的高級功能[1]。

目前EMS 可直接調(diào)取系統(tǒng)每小時水、電、天然氣的消耗，給出一天中的異常數(shù)據(jù)，便于關(guān)聯(lián)相關(guān)設(shè)備狀態(tài)或判斷設(shè)備潛在的相關(guān)問題。在EMS 生成的月度報表中可查看該月每日能源的用量，當用量不一致時，結(jié)合外界環(huán)境變化對比，發(fā)現(xiàn)設(shè)備可節(jié)約能源的空間(例如后文所提到的余熱回收、降頻技術(shù)等)。EMS 數(shù)據(jù)庫中的年度各時段能源消耗可用于下個時間段的能源消耗預(yù)估，同時可對系統(tǒng)的開機、運行、停機3 個不同階段進行分析，判斷設(shè)備是否需要提前開機、生產(chǎn)中是否發(fā)生設(shè)備異常、非生產(chǎn)階段是否存在能源浪費(泄漏)等。未來希望能做到利用前期收集的數(shù)據(jù)，建立相關(guān)的計算模型，自動預(yù)測將來設(shè)備所需要的能耗成本。

3 智能化改善及其效果

3.1 智能化開機

車身涂裝工藝的性質(zhì)要求在產(chǎn)品生產(chǎn)前，環(huán)境溫濕度、槽液溫度、烘干爐各區(qū)段溫度等相關(guān)條件必須達到工藝要求，才不會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。為了達成這些要求，須提前開啟空調(diào)、燃燒器、鍋爐等控制設(shè)備，而溫度、濕度的控制必定是一個消耗能源的過程。正常情況下，涂裝需要提前2 h 左右開啟設(shè)備，以保證生產(chǎn)環(huán)境的穩(wěn)定。后來通過數(shù)據(jù)的智能分析，實現(xiàn)了設(shè)備開機及關(guān)機過程的精簡，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上達到了最佳化的設(shè)備運行控制，實現(xiàn)了空調(diào)、制冷機、燃燒器、水泵等關(guān)鍵耗能設(shè)備的平均開機時間縮短45 min，直接經(jīng)濟效益101.2 萬元/年。

3.1.1 影響因素

因素1：過去設(shè)備開關(guān)機多是通過人工進行操作，過程繁瑣、不確定因素較多，而且對操作人員的技能、過程經(jīng)驗、職業(yè)素養(yǎng)等要求很高。即使設(shè)備開關(guān)機操作都是正常進行，也可能因為天氣變化，生產(chǎn)時間的不確定而導(dǎo)致設(shè)備提早開機而產(chǎn)生等待的浪費，或是開機太晚，導(dǎo)致工藝要求未達到而造成其他設(shè)備空運行等待的浪費。

因素2：隨著技術(shù)的發(fā)展，為提高自動化水平，降低工人勞動強度，同一系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備開機、關(guān)機操作采用一鍵啟動。但系統(tǒng)內(nèi)各區(qū)域設(shè)備部件的選型、功效不一致，導(dǎo)致各模塊達成工藝條件的時間也不一致，存在某些區(qū)域提前達成工藝條件而造成等待浪費的情況。

3.1.2 處理措施

通過歷史大數(shù)據(jù)分析，找出各模塊單機設(shè)備的工藝達成時間、產(chǎn)品運輸時間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過對比來設(shè)定系統(tǒng)開機的起始條件(根據(jù)溫度與升溫時間的關(guān)系，將初始溫度與生產(chǎn)開始的時間作為起始條件，系統(tǒng)自動計算出各單機設(shè)備達到工藝要求所需要的最長時間，將該計算結(jié)果反饋給程序啟動判斷點，作為自動開機的起始依據(jù))，再運用技術(shù)延時的方案，使較快能達成工藝要求的單機設(shè)備延時自動開啟，保證整個系統(tǒng)盡可能地在同一時間段內(nèi)滿足生產(chǎn)條件，減少不必要的等待浪費，做到精確控制設(shè)備的運行過程。

以電泳烘干系統(tǒng)的開機過程為例：車間上位系統(tǒng)使用SIEMENS WINCC 作為上位監(jiān)控軟件，其具備數(shù)據(jù)歸檔功能，且具有獨立的數(shù)據(jù)庫(基于SQL2012)。數(shù)據(jù)包含以下內(nèi)容：設(shè)備開機時間，TNV 初始溫度，TNV 點火時間，烤箱一至五區(qū)送風溫度，烤箱一至五區(qū)回風溫度，爐膛出口溫度，烘干各區(qū)升溫時間。

經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

(1) 烤箱主要分兩種狀態(tài)：熱爐和冷爐。當每天連續(xù)生產(chǎn)時，烤箱溫度較高，升溫時間較短，定義為熱爐；當周末停產(chǎn)后，周一開機時，烤箱溫度較低，升溫時間較長，定義為冷爐。

(2) 針對烤箱內(nèi)不同溫度條件下對應(yīng)的升溫時間曲線并非特定的數(shù)學函數(shù)曲線(見圖1)，綜合各個溫度后分析出該升溫趨勢為一個面。

圖1 電泳冷(a)、熱(b)爐升溫曲線Figure 1 Heating curves of electrocoat baking oven when it is cold (a) and hot (b),respectively

(3) TNV 爐膛升到設(shè)定溫度的時間最快。

(4) 烤箱四區(qū)升溫最慢，總體升溫時間可根據(jù)四區(qū)到溫時間算。

電泳烘干智能化啟動方案設(shè)計(如圖2 所示)：

圖2 電泳烘干系統(tǒng)自啟動方案Figure 2 Autonomous start-up scheme of electrocoat baking system

(1) 前處理進第一輛車時觸發(fā)一個信號給電泳烘干，觸發(fā)“激活自動啟動程序”；

(2) 烤箱激活自動啟動程序，此時會報“自動啟動程序檢測時間激活”；

(3) 計算在當前烤箱溫度下所需的升溫時間，并開始倒計時；

(4) 倒計時結(jié)束，程序激活自動啟動，烤箱自動開機，此時會報“自動啟動程序激活啟動烤箱”。

正常情況下電泳烘干按以下順序啟動：4 個循環(huán)風機→抽廢氣風機→補新風風機→強冷排風機→強冷送風機(各風機的啟動時間相隔25 s)。電泳烘干升溫時間約為95 min，車從烤箱入口到烤箱出口所需時間超過20 min，從烤箱升溫到車靠近強冷室，其間烘干系統(tǒng)中的強冷風機一直處于運行狀態(tài)。在實際使用過程中，強冷段用于給車身進行冷卻，在車身未到達強冷段時，關(guān)閉強冷送風機、排風機對烤箱內(nèi)部風平衡不會造成影響。綜上所述，在不影響其功能性及設(shè)備穩(wěn)定性的前提下，可以適當延遲烘干系統(tǒng)強冷送風機和排風機的啟動，以達到節(jié)能減耗的目的。

通過以上方案，成功實現(xiàn)了烘干系統(tǒng)的精確開機管理，烘干系統(tǒng)開機時間縮短了35 min/d，強冷縮短了50 min/d，直接經(jīng)濟效益21.9 萬元/年。

3.2 休息日的耗能分析及管控

設(shè)備(如電泳槽液循環(huán)及保溫、輸調(diào)漆循環(huán)及保溫)24 h 不間斷運行，非生產(chǎn)狀態(tài)下的設(shè)備維護、保潔作業(yè)、保證作業(yè)環(huán)境的設(shè)備運行等所產(chǎn)生的能源消耗是能耗成本的一大塊。在了解了非生產(chǎn)狀態(tài)時所運行的設(shè)備組成后，針對消耗較大的系統(tǒng)進行用能分解，在連續(xù)調(diào)取多個休息日的用能數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)前處理、噴房、制冷機組、空調(diào)機組為涂裝非生產(chǎn)日的主要用能大戶。針對它們，新增了非生產(chǎn)狀態(tài)下的節(jié)能模式：

(1) 電泳槽液依舊保持循環(huán)泵(2 臺)和換熱泵(2 臺)在50 Hz 頻率下運行，使設(shè)備維持正常生產(chǎn)運行狀態(tài)，因槽液循環(huán)產(chǎn)生熱，而電泳液在超過一定溫度后易發(fā)生變質(zhì)，所以非生產(chǎn)狀態(tài)下依然需要大量的冷凍水以保證槽液恒溫。查閱相關(guān)工藝文件后得知，非生產(chǎn)狀態(tài)下電泳液只需要達到3.9 次/h 的循環(huán)量即可滿足工藝需求[2]。根據(jù)水泵功率及揚程計算，將循環(huán)泵頻率由50 Hz 降低至35 Hz，熱交換泵頻率由50 Hz 降低至40 Hz，即可滿足非生產(chǎn)條件下電泳槽液的保存要求。該方案既保證了非生產(chǎn)狀態(tài)下電泳液的安全，又減少了2 800 kW·h/d 的用電量。

(2) 在日常生產(chǎn)結(jié)束后或遇到設(shè)備檢修日時，噴房都是各大涂裝車間必須重視的地方。高潔凈度、恒溫恒濕、噴涂機器人標準作業(yè)等都是涂裝效果的有力保障，所以在這個時間段內(nèi)一般都會抓緊時間進行機器人維護保養(yǎng)、噴房保潔、工藝調(diào)試等工作，而該過程中工藝空調(diào)系統(tǒng)會一直保持生產(chǎn)運行狀態(tài)，產(chǎn)生生產(chǎn)所需要的溫度、濕度、風壓、風向等，消耗大量能源。噴房工藝空調(diào)分為兩種：補新風空調(diào)和循環(huán)風空調(diào)。循環(huán)風空調(diào)的應(yīng)用是減少噴房能源消耗的一項技術(shù)，生產(chǎn)過程中噴房排出的風經(jīng)過過濾后再重新送到噴房的非人工作業(yè)區(qū)域。在非生產(chǎn)狀態(tài)下，對工藝空調(diào)的送風溫濕度不需要嚴格要求，在人工作業(yè)時也不需要循環(huán)風利用。通過設(shè)定在保潔模式(與生產(chǎn)模式之間可一鍵切換)下只開啟新風空調(diào)及排風系統(tǒng)，同時限制送風、排風的頻率，既可滿足人員作業(yè)環(huán)境要求，又能降低4 200 kW·h/d 的用電量。

3.3 數(shù)據(jù)利用

前面主要描述了提高智能控制模式所產(chǎn)生的能耗節(jié)約，接下來將闡述通過涂裝車間的其他系統(tǒng)與EMS 進行數(shù)據(jù)交互所產(chǎn)生的節(jié)能應(yīng)用，包括烘干降頻與余熱回收技術(shù)。

3.3.1 頻率優(yōu)化

在分析烘干爐系統(tǒng)某一年的天然氣消耗數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備運行節(jié)拍和設(shè)定參數(shù)都未改變的情況下，TNV 燃燒器在夏季與冬季每小時所消耗的天然氣幾乎一樣(均約為180 m3/h)。然后調(diào)取運行管理系統(tǒng)的設(shè)備運行數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，烘干系統(tǒng)的排煙溫度一直遠高于最后一個用熱段所需要的設(shè)定溫度。由于熱量設(shè)計有30%左右的安全系數(shù)，因此這說明燃燒器供熱一直處于過剩狀態(tài)。然而由于油漆成分的特殊性，以及對環(huán)境保護的要求，需要對烘烤后產(chǎn)生的廢氣進行充分燃燒處理后才能排放，這就要求TNV 燃燒溫度必須達到700 °C 以上。

如何能夠減少燃氣耗量，同時保證烘干工藝及環(huán)保要求？在考察相關(guān)設(shè)計原理后發(fā)現(xiàn)，烘干室的熱量設(shè)計與室體加熱量、輸送系統(tǒng)加熱量、烘干室體內(nèi)空氣加熱量、車身涂料加熱量、涂料蒸發(fā)加熱量、烘干室體散熱量、排氣熱損失、風管面積以及循環(huán)風量、循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)[2]。從循環(huán)風量入手，在計算出烘干系統(tǒng)所需要的熱量后，計算出必要的循環(huán)風量，同時考慮烘干室體內(nèi)的廢氣量，降低相應(yīng)的廢氣風機及新風風機的頻率，使得循環(huán)風量減少，但又能保證生產(chǎn)狀態(tài)下的熱量需求以及產(chǎn)品烘干性能。具體操作如下：烘干系統(tǒng)廢氣風機頻率由40 Hz 降低至32 Hz，補新風風機頻率由35 Hz 下降至33 Hz，微調(diào)烘干室內(nèi)的風口方向，使室體內(nèi)的風平衡保持原來狀態(tài)。經(jīng)過幾輪的烘干性能驗證以及爐溫檢測，證明調(diào)整后的狀態(tài)可行。最終實現(xiàn)了單套烘干系統(tǒng)50 m3/h 的天然氣節(jié)約量，全年實現(xiàn)160 余萬元的成本節(jié)約。

3.3.2 余熱回收

在經(jīng)過頻率調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的排煙溫度由270 °C 下降至200 °C，排出的煙氣仍然具有很高的熱量。由于涂裝車間用熱點位很多，因此在原來的基礎(chǔ)上新增2 套煙氣余熱回收裝置，分別置于電泳、面漆烘干系統(tǒng)處。當面漆、電泳烘爐開機后排煙達到140 °C 時設(shè)備自動開啟進行煙氣熱回收，并將溫度降至110 °C 后排放，回收的余熱用于循環(huán)加熱水箱回水，然后輸送至前處理段供槽液加熱使用，以減少蒸汽消耗，同時做到低溫排放。

圖3 余熱回收原理Figure 3 Principle of waste heat recovery

烘爐煙氣回收熱量的計算：

已知烘爐煙氣溫度t1，煙氣標準流量V0，經(jīng)過余熱回收器后溫度降至t2，煙氣定壓比熱容為C，煙氣密度為ρ，則每小時可回收的熱量

實際使用過程中，排煙溫度為110～ 120 °C，可回收利用的熱能換算成蒸汽為4 062.5 t/a，直接經(jīng)濟效益130 萬元/年。

3.4 生產(chǎn)效率與能耗成本

生產(chǎn)效率的提高意味著能源的有效利用程度得以提升，可為企業(yè)節(jié)省大量的制造成本。對于已經(jīng)穩(wěn)定生產(chǎn)的涂裝工廠來說，如何通過技術(shù)手段突破原有的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)的能源消耗是一個值得持續(xù)探討的課題。利用EMS 與PMC(生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng))、ANDON(自動化控制系統(tǒng))的數(shù)據(jù)交互，建立停線數(shù)據(jù)庫，通過分析周期內(nèi)設(shè)備、人員作業(yè)的停線頻次和趨勢，可以指導(dǎo)管理者對癥下藥，提升效率，降低生產(chǎn)能耗。根據(jù)PMC 建立的特征數(shù)據(jù)庫所收集的設(shè)備停線數(shù)據(jù)以及ANDON 記錄的人工急停數(shù)據(jù)，提前制定數(shù)據(jù)的累加模型，由系統(tǒng)自動計算出指定的周期內(nèi)相似設(shè)備故障或同一崗位的停線時間和頻次，輸出直觀的圖表(如圖4 所示)，供管理者進行能效提升工作。EMS 根據(jù)給出的累計時間和自身記錄的設(shè)備用能數(shù)據(jù)，核算出對應(yīng)的能源數(shù)據(jù)，為后期總結(jié)工作提供依據(jù)。如已完成的338598(33 JPH 下85%交車率、98%設(shè)備開動率)、22750(22 h 交付750 輛車)等效率提升工作，每年降低涂裝生產(chǎn)成本300 萬元以上。

圖4 停線統(tǒng)計Figure 4 Downtime statistics

3.5 生產(chǎn)指導(dǎo)

除了前面提到的EMS 能耗預(yù)測，產(chǎn)量和生產(chǎn)節(jié)拍的調(diào)整同樣對能耗成本有很大的影響。為保證良好的設(shè)備工藝性能，涂裝的前處理、電泳、烘干、空調(diào)等系統(tǒng)都需要提前開啟設(shè)備，以便工件到來時已達到作業(yè)條件，這就使得未正式生產(chǎn)就已經(jīng)消耗了很大一部分的能源。在月度產(chǎn)量相同的情況下，單日生產(chǎn)量越少，節(jié)拍越低，則俗稱的單車能耗成本就會越高，反之則越低。這時因為公司執(zhí)行計劃的安排可能會產(chǎn)生多種生產(chǎn)方案。通過前期的數(shù)據(jù)分析，替換出相關(guān)的條件因素，就能核算出各方案的能耗成本，便于從中選擇最優(yōu)的幾種生產(chǎn)方案供作參考。

4 綜合經(jīng)濟效益

經(jīng)過一系列設(shè)備自動化升級、改造，新增節(jié)能控制模式等方式之后，能源的構(gòu)成及消耗變化見表1，最終實現(xiàn)了綜合經(jīng)濟效益940.2 萬元/年。

表1 量產(chǎn)初期和智能化改造后的能耗Table 1 Energy consumption in beginning of production and after intellectualized improvement

5 結(jié)語

智能化、數(shù)字化的能源管理模式適應(yīng)了當今環(huán)境下數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的需要，能源管理的設(shè)施建設(shè)實現(xiàn)了輸入端到使用端可視、可管、可控的智能管理，從“啞巴”設(shè)備到智能系統(tǒng)，最大限度地提高了能效，減少了生產(chǎn)成本。