物聯(lián)網(wǎng)下的機(jī)械制造和能源管理范文
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《能源研究與管理》2017年第4期
摘要：實(shí)體物理世界和虛擬信息世界的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)的形成密不可分，物聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)了智能工廠的實(shí)施，政府推動(dòng)了工業(yè)4.0革命性的向前發(fā)展。新時(shí)代的機(jī)械制造將在產(chǎn)量和定制方面高度靈活，客戶、公司和供應(yīng)商之間相互融合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的良性循環(huán)。回顧和分析了當(dāng)前智能工廠的相關(guān)舉措和研究成果，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化參考體系結(jié)構(gòu)，定義了智能制造的主要特征，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能制造和能源管理方法，并討論了預(yù)期的收益和價(jià)值。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；機(jī)械制造；能源管理；智能制造
市場(chǎng)的新需求和以IoT為代表的新技術(shù)的出現(xiàn)，讓機(jī)械制造由傳統(tǒng)制造向智能制造邁進(jìn)。物聯(lián)網(wǎng)的基本思想是嵌入式設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)把物理世界中產(chǎn)品制造過(guò)程中的狀態(tài)、周圍環(huán)境、生產(chǎn)計(jì)劃、維護(hù)計(jì)劃等數(shù)據(jù)反映到信息世界上，以此提高生產(chǎn)效率[1]；同時(shí)，隨著能源價(jià)格的上漲、保護(hù)環(huán)境的意識(shí)不斷增強(qiáng)，制造商將綠色制造和節(jié)能減排放在首位，生產(chǎn)過(guò)程中盡可能消耗最少能源。基于此，在機(jī)械制造過(guò)程中運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的思維，實(shí)現(xiàn)效率和節(jié)能雙贏局面[2]。在機(jī)械加工領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮了突出作用，在設(shè)備層和生產(chǎn)線上搜集能源消耗的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為了提高能源利用率，這些數(shù)據(jù)被整合在生產(chǎn)管理決策中。本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理方案，來(lái)展示物聯(lián)網(wǎng)是如何提高能源效率的。為了檢驗(yàn)所提方法對(duì)提高能源利用率的影響，在工廠內(nèi)部的機(jī)器上安裝多臺(tái)智能電表，實(shí)時(shí)采集能耗數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)與生產(chǎn)管理決策相結(jié)合，來(lái)提高能源效率。
1工業(yè)4.0和智能機(jī)械制造
1.1“工業(yè)4.0”的概念
工業(yè)4.0的基本思想是物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的核心——制造中的產(chǎn)品、零部件、機(jī)器將實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集和數(shù)據(jù)共享，這將導(dǎo)致工廠控制系統(tǒng)由集中向分散的智能轉(zhuǎn)變[3]。德國(guó)聯(lián)邦教育研究部把“工業(yè)4.0”定義為：由于物理信息制造系統(tǒng)（CPPS）的存在，制造系統(tǒng)的靈活性大大增強(qiáng)，這使得機(jī)器和工廠能夠通過(guò)自我優(yōu)化和重新配置來(lái)實(shí)現(xiàn)自我調(diào)整，以滿足客戶靈活多變的要求[4]。在智能制造過(guò)程中，最關(guān)鍵的是系統(tǒng)的感知和分析數(shù)據(jù)的能力，根據(jù)結(jié)果相應(yīng)地調(diào)整它們的行為，并將此經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行儲(chǔ)存，從中獲得學(xué)習(xí)能力。未來(lái)，適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)方法是分布式互聯(lián)生產(chǎn)智慧工廠實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。由于不同設(shè)備和要素之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換對(duì)實(shí)現(xiàn)智能制造起決定作用，這些數(shù)據(jù)代表生產(chǎn)狀況、能耗、物流、客戶訂單和反饋等信息，因此下一代智能工廠必須能夠?qū)崟r(shí)適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)需求[5]，以此滿足不同客戶對(duì)產(chǎn)品的多樣化需求，為產(chǎn)品的定制化服務(wù)奠定基礎(chǔ)。
1.2工業(yè)4.0的影響
第一次工業(yè)革命始于機(jī)械設(shè)備的引入，它帶來(lái)的影響是生產(chǎn)效率的大幅度提升；自20世紀(jì)70年代至今，采用電子和信息通信技術(shù)帶來(lái)的制造過(guò)程自動(dòng)化大范圍普及，被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命；把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到制造領(lǐng)域勢(shì)必會(huì)帶來(lái)第四次工業(yè)革命，即工業(yè)4.0時(shí)代。根據(jù)2014年美國(guó)質(zhì)量協(xié)會(huì)（ASQ）的調(diào)查顯示，82%的人聲稱智能制造的實(shí)施提高了生產(chǎn)效率，49%的人認(rèn)為智能制造讓產(chǎn)品缺陷降到了最低，45%的人認(rèn)為智能制造提高了顧客的滿意度。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)智庫(kù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前和未來(lái)使用情況的調(diào)查顯示，38%的受訪者認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)將對(duì)大多數(shù)市場(chǎng)和行業(yè)產(chǎn)生重大影響，其中，大部分人認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的使用會(huì)增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)會(huì)更環(huán)保[6]。
1.3基于物聯(lián)網(wǎng)智能機(jī)械制造的參考模型
工業(yè)4.0中，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工廠參考模型包含了一系列新技術(shù)。智能機(jī)器：包括M2M通信、機(jī)器和其他設(shè)備以及人的通信。智能設(shè)備：工廠的底層設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、操作設(shè)備等可以互聯(lián)的設(shè)備智能制造過(guò)程：通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)為管理和制造提供動(dòng)態(tài)的、高效的、自動(dòng)的、實(shí)時(shí)的通信。智能工程：包括生產(chǎn)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的加工和售后服務(wù)等環(huán)節(jié)，使用生產(chǎn)過(guò)程的制造數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)優(yōu)化。制造IT：在網(wǎng)絡(luò)中的軟件應(yīng)用；通過(guò)傳感器和智能電表，智能移動(dòng)裝置實(shí)施的智能監(jiān)控；通過(guò)整合來(lái)自IoT的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的管理。智能物流：包括智能物流工具和流程，自組織物流是一個(gè)智能的內(nèi)部物流，它能夠?qū)ιa(chǎn)中的變化作出反應(yīng)，比如原料短缺問(wèn)題和運(yùn)輸阻斷問(wèn)題。大數(shù)據(jù)和云計(jì)算：包括算法、分析應(yīng)用等，大數(shù)據(jù)分析為未來(lái)工廠的升級(jí)、產(chǎn)品的創(chuàng)新提供機(jī)會(huì)。智能供應(yīng)：通過(guò)信息實(shí)時(shí)共享，根據(jù)工廠需要，選擇最佳供應(yīng)，以此提高靈活性。
1.4智能制造的特征
1.4.1工廠優(yōu)化決策的透明性
隨時(shí)作出正確的決策是占有市場(chǎng)的關(guān)鍵，物聯(lián)網(wǎng)具有實(shí)時(shí)的端到端的透明性（比如生產(chǎn)狀態(tài)），允許在生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)跨工廠進(jìn)行優(yōu)化，以此提高工廠效率。例如，通過(guò)給決策者提供實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)，來(lái)減少原料的損耗。使用移動(dòng)技術(shù)可以縮短問(wèn)題和決策之間的時(shí)間差，在質(zhì)量缺陷產(chǎn)品被生產(chǎn)出來(lái)之前切斷設(shè)備電源[7]。此外，在生產(chǎn)過(guò)程中，能源消費(fèi)的透明度可以為決策者提供依據(jù)，從而減少能源浪費(fèi)。
1.4.2大數(shù)據(jù)創(chuàng)造價(jià)值
通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備搜集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以帶來(lái)價(jià)值和創(chuàng)新。例如，在設(shè)備供應(yīng)商方面，可以根據(jù)設(shè)備不同時(shí)期的狀態(tài)參數(shù)，來(lái)判斷和預(yù)測(cè)設(shè)備是否發(fā)生故障，這樣就可以為客戶提供最好的維修服務(wù)，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，建立與客戶直接的穩(wěn)固關(guān)系。
1.4.3主動(dòng)維護(hù)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)和實(shí)時(shí)性
數(shù)據(jù)收集有助于提高設(shè)備維護(hù)的主動(dòng)性，比如，當(dāng)周圍溫度超過(guò)溫度傳感器量程時(shí)，系統(tǒng)可以采取斷電維護(hù)措施，避免設(shè)備被損壞；當(dāng)設(shè)備能源消耗高于正常水平時(shí)，設(shè)備可以進(jìn)入主動(dòng)維護(hù)模式，以此節(jié)約能源，避免有質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。在基于物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，設(shè)備可以自動(dòng)進(jìn)行自身狀態(tài)估計(jì)和預(yù)測(cè)，避免發(fā)生故障。
1.4.4能源管
理提供能效需要意識(shí)到生產(chǎn)線上或設(shè)備上的能耗行為。智能電表可以提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，整合能源數(shù)據(jù)的調(diào)度，根據(jù)工廠能耗情況，有針對(duì)性地進(jìn)行能源高效管理。
2基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理
作為智能工廠的研究成果，整個(gè)方案包括4個(gè)階段：第1個(gè)階段涉及對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的理解和對(duì)當(dāng)前能源管理的評(píng)價(jià)及改進(jìn)。第2個(gè)階段重點(diǎn)通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搜集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后分析其特征和局限性。這里要定義需要監(jiān)視的機(jī)器對(duì)象及一系列指標(biāo)（有功功率、無(wú)功功率），定義每個(gè)機(jī)器的監(jiān)控設(shè)備規(guī)格、通信系統(tǒng)。此外，還要確定生產(chǎn)順序和加工時(shí)間，以便對(duì)能源消耗行為作出有效決策；第3個(gè)階段是將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能量管理工具（比如能源決策支持系統(tǒng)、仿真工具），使得決策者能夠找到能源消耗的原因，并加以改進(jìn)，同時(shí)選擇可持續(xù)的配置方式，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和能源利用率。第4個(gè)階段位于最上層，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)，將能源數(shù)據(jù)集成到生產(chǎn)管理中，以此提高能源管理效率。在上述各個(gè)階段，通過(guò)整合能源數(shù)據(jù)，可以提高能源管理的水平。此外，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃對(duì)這些能源進(jìn)行有效的配置，用最小的能耗產(chǎn)生最大的收益。
3結(jié)論
本文概述了“智能工廠”的理念、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能體系框架、智能工廠的特征，同時(shí)介紹了一種采用物聯(lián)網(wǎng)方法來(lái)支持能源管理的方案，以此提高生產(chǎn)系統(tǒng)能源利用效率。從車間搜集能耗數(shù)據(jù)，為決策者能源分配提供依據(jù)，最后通過(guò)整合能源數(shù)據(jù)應(yīng)用于生產(chǎn)管理實(shí)踐中，以此來(lái)提高能源效率和能源管理水平。
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作者：栗鵬飛 單位：鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院