壓縮空氣的智能化管理——IIoT和智能傳感器
發(fā)布時(shí)間：2024-10-28 作者：Jan Edler
圖片來(lái)源：艾默生
與IIoT相連的智能氣流監(jiān)測(cè)設(shè)備與預(yù)配置的數(shù)字分析軟件相結(jié)合，有助于識(shí)別和解決壓縮空氣浪費(fèi)問題，從而幫助企業(yè)持續(xù)節(jié)約成本。
在很多制造廠中，使用氣動(dòng)裝置來(lái)操作機(jī)械、設(shè)備、工具，因此壓縮空氣消耗是一個(gè)巨大的能源成本。然而，隨著時(shí)間的推移，氣動(dòng)系統(tǒng)中的泄漏和氣流阻塞會(huì)不斷增加成本并降低生產(chǎn)率。更糟糕的是，這些泄漏和氣流阻塞點(diǎn)很難精確定位。
一種簡(jiǎn)單粗暴的方法是更換新的空氣壓縮機(jī)或者加大管道尺寸，從而不斷增加容量，但這需要大量投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，而且無(wú)法解決根本原因?qū)е碌膯栴}。更好的解決方案是仔細(xì)收集和分析整個(gè)系統(tǒng)的供應(yīng)和使用數(shù)據(jù)。
簡(jiǎn)單地安裝標(biāo)準(zhǔn)壓力和流量?jī)x表是一個(gè)良好的開端，但這些措施本身很少足以解決問題。取而代之的是，企業(yè)可以戰(zhàn)略性地安裝具有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）連接功能的智能氣流監(jiān)測(cè)設(shè)備，并通過軟件提供指導(dǎo)糾正措施所需的洞察力。
01 訪問和分析數(shù)據(jù)
雖然用戶有很多方法來(lái)管理或增強(qiáng)工業(yè)過程，但人們普遍認(rèn)為，最可靠的方法是基于全面測(cè)量和分析技術(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。有了正確的信息和工具，用戶就可以識(shí)別問題、制定糾正措施并驗(yàn)證結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)證的持續(xù)改進(jìn)。
新裝置更易于內(nèi)置必要的監(jiān)控和計(jì)算設(shè)備（擴(kuò)展到基本控制之外）來(lái)支持此類優(yōu)化工作。然而，通過改造項(xiàng)目將這些功能添加到現(xiàn)有設(shè)施中通常會(huì)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。
為了啟動(dòng)能源利用和生產(chǎn)效率提高計(jì)劃，用戶正在尋找現(xiàn)成的硬件和軟件，旨在提供從車間到云端的連接。一些用戶可能會(huì)嘗試組裝和自定義配置各種IIoT傳感器、邊緣網(wǎng)關(guān)和軟件，但這種方法可能會(huì)有問題，因?yàn)樗枰罅康南到y(tǒng)集成工作。
更好的方法是使用經(jīng)過測(cè)試的自動(dòng)配置傳感器組合，以及使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信方法預(yù)配置的計(jì)算硬件和軟件。這類裝置克服了應(yīng)用障礙，降低了風(fēng)險(xiǎn)，縮短了部署時(shí)間，并使企業(yè)能夠從小規(guī)模著手，然后擴(kuò)大成功經(jīng)驗(yàn)。
▲圖1：艾默生 Aventics AF2 系列流量傳感器是一種智能設(shè)備，能夠監(jiān)控、計(jì)數(shù)和記錄測(cè)量參數(shù)
（如流量、壓力和溫度），然后對(duì)這些值進(jìn)行計(jì)算，并將其安全地傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)和云端。
02 使用合適的工具
諸如Ridgid、Greenlee和Klauke等專業(yè)工具品牌一直在建筑行業(yè)享有盛譽(yù)。艾默生專業(yè)工具擁有 11 個(gè)生產(chǎn)基地，用于生產(chǎn)上述品牌及其它品牌的產(chǎn)品。瑞士Sissach工廠專門生產(chǎn)沖壓產(chǎn)品和配件，如電池液壓工具和相關(guān)的鉗口和環(huán)。這座占地45000平方英尺的工廠，擁有80名員工和24臺(tái)數(shù)控機(jī)床。生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化，部分設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)熄燈運(yùn)行。
盡管工廠的自動(dòng)化程度很高，但工廠團(tuán)隊(duì)對(duì)空氣消耗需求的信息知之甚少。因此，在剛開始計(jì)劃擴(kuò)建車間設(shè)施時(shí)，只是假設(shè)可能還需要一臺(tái)新的空氣壓縮機(jī)。為了更好地了解該擴(kuò)建項(xiàng)目的實(shí)際需求，該公司啟動(dòng)了一個(gè)內(nèi)部項(xiàng)目來(lái)監(jiān)測(cè)和分析空氣消耗量。
該項(xiàng)目的第一步，是在20個(gè)最重要的壓縮空氣所處的位置安裝艾默生Aventics AF2系列流量傳感器，以捕獲約70%的壓縮空氣用量。AF2是一種帶有本地顯示的智能流速傳感器，適用于各種氣體，可以在較大的流量和壓力范圍內(nèi)運(yùn)行。
▲圖2：Web界面可配置為可視化所有可能的測(cè)量，并且可以輕松訪問所有設(shè)備協(xié)議和設(shè)置。
傳感器上集成了標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（混合、最大值和平均值）、計(jì)數(shù)（體積、質(zhì)量和能量）和日志記錄（具有可選擇的時(shí)間框架），并且可以使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（包括TCP/IP、OPC UA和MQTT）或通過IO-Link或傳統(tǒng)模擬信號(hào)與主機(jī)系統(tǒng)通信。它可以監(jiān)控和傳輸一系列過程參數(shù)，例如：體積流速、壓力、溫度、質(zhì)量流量、流速、體積、質(zhì)量和能量等。
由于流量傳感器具有靈活的連接選項(xiàng)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成的團(tuán)隊(duì)能夠利用現(xiàn)有的IT基礎(chǔ)設(shè)施，并在短暫的計(jì)劃停機(jī)期間內(nèi)快速安裝傳感器。在該應(yīng)用中，流量傳感器可以通過以太網(wǎng)供電（PoE）。
每個(gè)流量傳感器都包括一個(gè)內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)接口，傳感器還使用適當(dāng)?shù)陌踩C書，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)筋A(yù)先配置的云服務(wù)，即壓縮空氣管理器（CAM）。這類綜合解決方案可擴(kuò)展到任何數(shù)量的流量傳感器。
對(duì)于像這樣的IIoT項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，MQTT是一個(gè)特別有用的協(xié)議，它可以將字段值傳遞給本地或基于云的計(jì)算機(jī)。這就能更容易且安全地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱磉M(jìn)行聚合和存儲(chǔ)，也可以按設(shè)施和項(xiàng)目組織數(shù)據(jù)。
CAM 應(yīng)用程序經(jīng)過預(yù)配置，可在邊緣網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行。用戶可以通過集成的 OPC-UA 服務(wù)器將其擴(kuò)展到基于云的系統(tǒng)，從而訪問所有連接設(shè)備的綜合數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)儀表盤可對(duì)單個(gè)流量傳感器或設(shè)備的物理或功能分組進(jìn)行廣泛的可視化顯示，同時(shí)還提供了一個(gè)摘要儀表盤，以提供快速概覽。當(dāng)設(shè)備連接到數(shù)字環(huán)境中時(shí)，儀表板會(huì)自動(dòng)填充，用戶可以根據(jù)自己的意愿選擇需要深入分析的事項(xiàng)。
將傳感器安裝到網(wǎng)絡(luò)上后，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)傳感器只需大約1分鐘即可使用網(wǎng)絡(luò)接口和提供的憑據(jù)將它們連接到服務(wù)器。這些部件就位后，就可以開始分析壓縮空氣系統(tǒng)了。
▲圖3：壓縮空氣管理器是一個(gè)現(xiàn)成的硬件和軟件分析包，具有預(yù)先填充的儀表板，可幫助用戶在
最大限度地提高能源利用率和減少浪費(fèi)的道路上快速啟動(dòng)，從而節(jié)省成本并快速獲得投資回報(bào)。
03 通過數(shù)據(jù)分析修復(fù)泄漏
起初，該團(tuán)隊(duì)確定了正常生產(chǎn)周內(nèi)的空氣需求基線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，周末的空氣需求仍然出乎意料地高，因此制定了在停機(jī)期間隔離機(jī)器的程序，以避免這些損失。
使用該軟件進(jìn)行深入分析，使用戶能夠識(shí)別比其它類似設(shè)備耗費(fèi)更多空氣的設(shè)備，從而確定一系列從大到小的泄漏和其它異常情況，進(jìn)而進(jìn)行修復(fù)。在某個(gè)案例中，機(jī)器壓降被精確定位，使循環(huán)時(shí)間減少了5%。該狀況是通過增加供應(yīng)線直徑來(lái)糾正的。
研究小組發(fā)現(xiàn)每分鐘總共有850升空氣因泄漏而流失，約占總供氣流量的 20%。解決這些問題估計(jì)可在10年內(nèi)為企業(yè)節(jié)省58,000美元，減少68,000千克二氧化碳排放量。在5個(gè)月內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)節(jié)省的費(fèi)用相當(dāng)于項(xiàng)目投資回收率的50%，在不到24個(gè)月的時(shí)間內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了全部投資回報(bào)。
此外，由于團(tuán)隊(duì)掌握了可靠的可操作數(shù)據(jù)，他們將工作重點(diǎn)從投資新的（可能不必要的)空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)移到了解決泄漏問題上。他們還掌握了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可以確認(rèn)在需要增加另一個(gè)空氣壓縮機(jī)之前，現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模還可以擴(kuò)大多少。
04 高效的壓縮空氣管理
各種類型的工業(yè)設(shè)施普遍存在高達(dá)30%的壓縮空氣浪費(fèi)，更不用說(shuō)由于機(jī)器運(yùn)行優(yōu)化不足而導(dǎo)致的效率低下。盡管這些問題與實(shí)現(xiàn)凈零排放、優(yōu)化生產(chǎn)和整體盈利能力背道而馳，但大多數(shù)企業(yè)必須手動(dòng)追蹤泄漏，而這會(huì)大大增加勞動(dòng)力成本。
Sissach工廠是壓縮空氣管理的一個(gè)成功案例，展示了艾默生在自身運(yùn)營(yíng)中實(shí)現(xiàn)凈零排放的承諾。易于安裝的AF2智能傳感器與CAM應(yīng)用集成，代表硬件和分析軟件相結(jié)合的數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以快速應(yīng)用于所有類型的設(shè)施。傳感器自動(dòng)配置和軟件的預(yù)配置特性，減少了安裝時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)和其它采用障礙，從而快速實(shí)現(xiàn)了投資回報(bào)并大大改善了運(yùn)營(yíng)。
關(guān)鍵概念：
■ 各種類型的工業(yè)設(shè)施普遍存在高達(dá)30%的壓縮空氣浪費(fèi)。
■ 傳感器自動(dòng)配置和軟件的預(yù)配置特性，幫助制造企業(yè)減少壓縮空氣的浪費(fèi)。
思考一下：
如何實(shí)現(xiàn)高效的壓縮空氣管理？