工業(yè)4.0如何助推企業(yè)實現(xiàn)凈零運營目標

2019 年，受經濟增長加速的影響，全球二氧化碳排放量創(chuàng)下新紀錄，達到367 億噸，較1990 年增加60%。當前，全球碳減排壓力越來越大。在全球總排放量中，制造過程產生的二氧化碳占比極高，這意味著工業(yè)在碳減排方面的重要性不容小覷。例如，受巨大需求刺激，僅混凝土生產這一項的碳排放就占年度排放量的8%。眾多工業(yè)生產代表企業(yè)已作出承諾，最遲到本世紀中葉將實現(xiàn)凈零運營。根據(jù)凈零原則，工業(yè)企業(yè)承諾在不使用碳補償方式的情況下實現(xiàn)凈零溫室氣體排放。這就要求企業(yè)改用不會產生溫室氣體的生產工藝，或者補償某些生產流程產生的碳排放。這樣一來，他們就需要采用全新方式來收集二氧化碳和其他溫室氣體，或直接加以利用，或通過專門從事碳封存的機構購買碳信用額度來抵消碳排放。

1   從生產到供應的能源使用

任何行業(yè)想要實現(xiàn)凈零排放目標都絕非易事，必須密切關注供應鏈各個環(huán)節(jié)。企業(yè)需要對供應鏈上各環(huán)節(jié)產生的溫室氣體排放承擔碳責任，并需找到應對方法以降低甚至完全消除碳排放。找到減排潛力大的環(huán)節(jié)并不難，尤其是能源消費活動，通常是制造業(yè)供應鏈中溫室氣體的主要排放源。對于其中不可避免的能源消費，如果使用可再生能源替代方式，那么凈零目標將更容易實現(xiàn)。

近年來，盡管工業(yè)生產領域的核心話題圍繞JIT（準時化）供應鏈管理，但凈零核算也被用于優(yōu)化供應鏈碳排放的計算，進而實現(xiàn)最大碳管理效率。如果某制造園區(qū)部署了大型風能或太陽能自發(fā)電設備，那么園區(qū)可以選擇將全部發(fā)電量供自身使用，或將部分發(fā)電量出售給國家電網。然而，可再生能源發(fā)電往往存在能源供需不匹配的問題，這就會導致能源生產商難以將過剩電力出售給電網運營商，從而無奈選擇存儲電力或者暫時關停發(fā)電機。換句話說，如果能源生產商在發(fā)電量過剩的情況下進一步改進了能耗較大的制造工藝水平，那么他們就可以提高整體碳減排能力，但同時也需要將其他額外的發(fā)電量進行存儲直至投入生產使用。

2   云計算和邊緣計算的作用

通過集成到大規(guī)模反饋回路中，關鍵過程控制系統(tǒng)的運行操作可以最大化利用云計算和邊緣計算提供的強大算力。同時，云服務器還能夠運行人工智能模型來學習如何制定最佳策略以應對能源變化及氣候和其他環(huán)境變化。

某些過程碳含量較高，高溫需求增加，由此可能影響系統(tǒng)響應速度，增加整體排放，導致難以應對能源供應變化。而通過密切監(jiān)測每個節(jié)點上使用的能源組合，至少可以為廠商提供有效信息來更好地規(guī)劃碳信用額度使用，并開發(fā)碳捕獲解決方案。工業(yè)控制集成商和運營商可以部署各種策略來實現(xiàn)從現(xiàn)有架構到這一新型架構的無縫過渡，從而在目標應用環(huán)境中充分發(fā)揮邊緣計算的作用。

圖1 采用邊緣處理和預測性維護系統(tǒng)框圖

3   過程控制的應用價值

除上述方法之外，還有許多其他加速實現(xiàn)凈零目標的方法。以水泥生產為例。水泥生產過程中的化學反應所產生的碳排放量約占總排放量的一半。盡管全球水泥行業(yè)的能源效率有所提高，但國際能源署 2021 年發(fā)布報告稱，一些地區(qū)的生產商并未跟上行業(yè)整體步伐。研究人員指出，造成這種差異的原因之一在于生產商對水泥關鍵成分生產過程中的化學反應條件控制不佳。如果他們能提高過程控制精準性，便能解決這一問題，由此降低碳排放量。

毫無疑問，通過優(yōu)化過程控制，其他許多行業(yè)也可以在一定程度上提高整體能源效率。借助更精準的過程控制，生產商可以減少不必要的廢熱或副產品，同時還能更準確地預測材料物流情況，從而降低運輸過程中的能源消耗。此外，他們可以將更有效的過程控制措施精細化到單個驅動器和電機。電機能耗約占加工廠總能耗的70%，并且由于資本成本較低且易于維護，工業(yè)生產目前普遍使用相對低效的異步交流電機。

新型電機技術則可以減少打滑等問題，同時提高控制水平，因此電氣效率更高。通過編程設計，電控同步電機可以按需啟動，并按照控制算法設定的正確扭矩和速度運行，而無需像AC 電機那樣持續(xù)維持高扭矩運行并裝配變速箱。例如，Eaton 和Maxon 等供應商的電子控制器和電機驅動器不僅可以降低耗電量，還可以減少磨損、降低熱量。

圖2 工業(yè)環(huán)境構建模塊

4   短距離和遠程通信

為了最大限度地提高能源和材料效率，企業(yè)必須準確掌握機器操作的時間和方法。這也正是工業(yè)4.0 技術的優(yōu)勢所在。工業(yè)4.0 架構的一大功能便是利用短距離和遠程通信來支持本地控制系統(tǒng)的信息共享。這些控制系統(tǒng)可以確保傳送帶僅在運送產品時處于運行狀態(tài)，并且在不需要加工組件時關閉機床，同時在新組件即將到達生產單元時進入準備狀態(tài)。此外，系統(tǒng)中廣泛分布的傳感器和計算平臺能夠采集整個生產環(huán)境中的數(shù)據(jù)并為決策分析提供支持，有時遠程服務器也會提供實時感知數(shù)據(jù)支持。

當前，藍牙、Wi-Fi 和LoRaWAN 等無線協(xié)議應用日益普遍，大大降低了按需部署傳感器的難度，能夠進一步增強現(xiàn)有機床和管理系統(tǒng)中儀器裝置的功能。在控制系統(tǒng)中集成這些傳感器和云輔助時，并不需要對系統(tǒng)進行全面檢修。盡管許多情況下，管理單個機床的可編程邏輯控制器（PLC）可以適用多年，但是制造商可以通過采用DIN 導軌部署的工業(yè)計算機來進一步增強其功能，從而更輕松更順暢地整合到工廠車間環(huán)境。如果需要更加復雜的控制算法，則可以選擇由IndustrialShields 和Kunbus 提供的高級PLC 解決方案，由此可獲得性能升級。

此外，借助以太網和其他高帶寬連接，邊緣服務器可以從許多PLC 和控制系統(tǒng)獲取輸入數(shù)據(jù)并集成到高級模型中，由此確保個工廠車間緊密協(xié)調，實現(xiàn)動態(tài)激活和停用系統(tǒng)，避免浪費過量能源。

5   智能傳感器：關鍵組件

傳感器與智能監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛結合，可以確保機械以最高效率工作，同時最大限度地減少浪費。如果系統(tǒng)在測試和檢查期間檢測到偏離正常運行參數(shù)的情況，則可以快速停用相關設備并實施檢查。這就能避免報廢和返工情況，從而避免給排放報告帶來負面影響，并為企業(yè)節(jié)省直接成本。此外，制造商還可以實施預測性維護，一方面確保機床和其他機械系統(tǒng)達到最高工作效率，另一方面根據(jù)碳排放等目標合理安排維護時間。一直以來，傳統(tǒng)工作模式是機器脫機與否的決定性指導因素。然而現(xiàn)在，分析程序則確定，成本最低的路徑是將維護工作安排在低碳能源供應相對較少的時段。同時，基于經驗的人工智能模型將利用來自工廠車間系統(tǒng)的各種輸入數(shù)據(jù)進一步確定最佳行動方案。

6   總結

對減少工業(yè)溫室氣體排放而言，單一的改變或升級作用不大。然而，通過實施工業(yè)4.0，制造商可以整合利用各種技術消除過量碳排放和能源使用來源，從而達成凈零運營目標。借助服務完善的電子元件分銷商，制造商將能更順暢地實現(xiàn)工業(yè)4.0 轉型。尤其是提供技術支持的分銷商，將能為制造商評估現(xiàn)有基礎設施部署并提供硬件方面的建議，如先進的PLC、傳感器模塊、工業(yè)計算機及其他眾多子系統(tǒng)，進而實施整合部署以創(chuàng)建有效的凈零方案。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年10月期）