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能源效率在工业4.0中的作用凸显

2022-10-12 16:21:43 Stefano Lovati 阅读:
IIoT和工业4.0为改进生产流程和降低能耗提供了多种机会。

通过将机器和工具连接起来,工业物联网(IIoT)使制造公司能够实时提高生产的可视性。IIoT设备收集的大量数据使我们能够优化生产、提高产品和服务的质量、应用预测性维护,以及使供应链自动化等等。考虑到正是IIoT基础设施使工业现实变得完全数字化和智能化,IIoT与工业4.0之间的联系非常紧密。尽管过去两年的经济环境艰难,但对IIoT的投资却呈现出积极的趋势,预计未来几年,这种趋势将进一步增长。6Hzednc

能源效率在工业世界中扮演着重要的角色。目前,“绿色工厂”的目标不仅是为了满足环境和可持续性的需要,而且是为了提高行业的盈利能力。能源成本的上升及其对环境的影响使能源效率成为工业4.0的主要目标之一。6Hzednc

电源管理和能源效率

电源管理系统的任务是实时监控进行工业活动所需的能源,提供与配电参数相关的有用信息并确定模式和趋势。电源管理的主要目标是确保能源的供应,特别是能源的可用性、可靠性和质量。6Hzednc

另一方面,能源效率更侧重于公司可以通过减少能源损失和减少环境影响来实现的降低成本的方面。工业4.0现在已进入所有主要工业领域,所以就不能忽视能源效率。这种联系如此紧密,以至于今天,我们还能更恰当地谈论能源4.0,在这个背景下,借助智能电网就可管理不同的能源(包括可再生能源)及其分配。另一方面,在日益分散的市场中整合不同的能源,就需要能够保证能源消费的质量、可持续性和效率的管理技术,而数字化同样可以帮助实现这些目标。6Hzednc

IIoT对智能工厂的好处

IIoT极大地促进了行业向智能工厂现实的转变,它可以带来以下好处:6Hzednc

更高的效率:传感器持续监测系统并收集有用的数据,以确定机械的正确运行、过程进度和能源消耗。这样就可以更好地了解资源是如何使用的,以及是否可以找到更有效的使用方法。6Hzednc

提高安全性:某些生产活动,例如装配、零件成型、检查和机械控制,可能对操作人员的健康造成严重威胁。能够远程管理数据采集并将最危险的活动委托给机器人和智能机械,就能使公司更好地保护工人和维护人员的安全。6Hzednc

减少停机时间:预测性维护让我们能估计故障发生前的剩余时间。通过提前规划适当的干预措施,就有可能降低计划外停机的风险和相关成本,从而确保企业具有更大的恢复能力。6Hzednc

能源供需平衡:符合ISO 50001标准的各个行业,可以为自己装备能源管理系统来不断提高能源效率。通过ISO 50001认证,企业就能了解内部能源消耗,并能够监控和减少其能源需求。6Hzednc

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能源效率趋势

我们已经看到能源效率是如何成为IIoT应用的主要目标,以及这如何有助于充分实现工业4.0所设想的计划。现在来研究能源效率的主要趋势,研究重点是能源效率的技术内容和提供的效益。6Hzednc

传感器

由于传感器是任何IIoT应用的基本元件,因此其本身就必须非常节能。在单个IIoT应用中就可能使用数百或数千个传感器,因此几个百分点的效率提升具有相当大的意义。此外,由于这些传感器中的大多数都是由电池供电的,因此必须尽可能地扩展其自主性。1显示了某电表的框图,它取自NXP的参考设计。在选择所有必需的元器件(MCU、通信收发器和显示器等)时,必须优先考虑能够支持低功耗工作模式和极低静态电流的低功耗元器件。因此,可以通过适当、准确的物联网设备设计来提高传感器的能效。6Hzednc

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1:电表框图。(图片来源:NXP)6Hzednc

边缘计算

任何IIoT应用的主要难题之一是在云端处理和本地处理之间找到合适的折衷方案。第一种方法的优点是计算能力要求低,但需要更高的带宽和更长的传输时间,从而增加了电流消耗。然而,随着高性能MCU的推出,以及能在其上实时运行人工智能算法(如深度学习),这就推动了许多应用向边缘计算过渡。6Hzednc

智能电网一体化

无需人工干预,智能电网即可监控电力需求的局部变化并自动做出反应。这需要电网能与消费者之间进行实时双向通信,使消费者能根据个人偏好(如定价和/或环境问题)调整其能源消耗。智能电网通过与蜂窝塔或其他类似基础设施进行通信,就能发送重要的统计数据,例如即时用电量、累积电能消耗和最大需求等。6Hzednc

数字孪生

“数字孪生”这个术语是指物理资源的虚拟副本,它由对象、进程、系统或设备进行表示。数字孪生可用于各种目的,特别是优化生产和预测性维护。因此,与工业4.0范式相比,这种方法是最先进的。6Hzednc

混合现实设备使我们能创建工业机械的虚拟副本,查看它们并将它们准确地放置在目标位置,评估正确的尺寸并预测安装阶段的任何问题。通过数字孪生,还可以在不停止生产的情况下进行仿真和压力测试。6Hzednc

能量采集

连接到IIoT的设备数量一直在增长。将云端的机器学习、能量采集技术和超低功耗无线电传输结合在一起,就能为监控不需要硬接线电源或通信连接的工业厂房、设备和建筑物创建一个灵活的基础设施。6Hzednc

小型简单的传感器可以利用能量采集从环境中提取能量并将其转换为随时可用的电源。这些传感器的工作不需要电池,因为它们可由环境的热量、光或运动提供电力。如今,温度、湿度和运动传感器以及执行器几乎可以安装在任何地方。传感器可以相互通信,也可以与控制器或网关进行通信,后者可以连接到云,从而实现智能工厂的概念。6Hzednc

功率转换效率

在工业厂房中,有许多设备要使用电源或电源转换系统。若干年来,其趋势一直是几乎完全使用开关电源,这类电源虽然能够提供高效率值,但却会带来不可忽略的射频发射代价。在某些应用中,线性转换器(效率较低但几乎没有电磁辐射)仍然是优选的。在AC/DC转换器中,有必要引入功率因数校正(PFC)级来提高信号质量,从而提高转换效率。随着碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体的引入,现在可以进一步提高效率。SiC和GaN器件由于具有优良的物理性能,可以以更高的能效、更高的工作电压、更高的最大温度和更好的散热性能以及更低的重量和尺寸取代传统的硅基器件(MOSFET和IGBT)。6Hzednc

智能机器人

在工业中,机器人被用来执行以前由人类执行的重复性工作。在这个领域,最新、最吸引人的创新之一是计算机视觉,特别是立体视觉。立体摄像机可模拟人类典型的视觉能力,使机器人不仅能感知周围的环境,而且还能感知图像各点的深度或距离(2)。这样,在抓取和释放各种类型的物体时,就可实现更高的运动精度。6Hzednc

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图2:Intel RealSense D435i深度相机可在工业机器人领域创建具有挑战性的应用。(图片来源:Intel)6Hzednc

总结

工业领域在全世界消耗的能源中占有很大比例,因此也是温室气体排放的最大因素之一。对环境的更大责任正在刺激人们寻找能够降低能源消耗、提高生产效率和尊重环境的新解决方案。IIoT和工业4.0为支持这些努力提供了几个机会。综合利用技术,以及通过智能高效的方法和应用优化的生产过程,可以帮助改善生产过程和降低能源消耗。6Hzednc

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(原文刊登于EDN姐妹网站Electronic Products,参考链接:Energy efficiency takes on a fundamental role in Industry 4.0,由Franklin Zhao编译。)6Hzednc

本文为《电子技术设计》2022年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里6Hzednc

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