基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠智慧能源管理研究

梁野，張賀，陳杰，石剛，劉毅，李柏榮

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉潤(rùn)汽車有限公司寧波杭州灣分公司，浙江 寧波 315336）

1 引言

在國家十四五規(guī)劃的指引下，為了加速智能吉利“一網(wǎng)三體系”的成果落地，推進(jìn)《智能吉利2025》戰(zhàn)略布局的全面實(shí)施，吉利汽車集團(tuán)10 月31 日在杭州灣畔正式發(fā)布“九大龍灣行動(dòng)”。其中龍灣行動(dòng)六明確指出全力加速向可持續(xù)能源的轉(zhuǎn)變，至2025 年，碳排放總量減少25%，到2045 年實(shí)現(xiàn)碳中和。通過數(shù)字化智能制造、推廣綠電、循環(huán)材料應(yīng)用等降低企業(yè)自身全端碳排放；通過Geega 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、智能技術(shù)協(xié)同等制定全供應(yīng)鏈減排舉措。到2025 年，全鏈路減排25%。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)行業(yè)中，能源的智能化、數(shù)字化管理對(duì)于降低企業(yè)能源成本、提高汽車企業(yè)生產(chǎn)效率、環(huán)境保護(hù)等方面都具有重要意義。

傳統(tǒng)的能源管理方式主要依賴人工的經(jīng)驗(yàn)和判斷，存在數(shù)據(jù)收集不全面、分析不準(zhǔn)確、響應(yīng)不及時(shí)等問題。而隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智慧能源管理已成為發(fā)動(dòng)機(jī)廠實(shí)現(xiàn)高效、智能、可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在智慧能源管理中的應(yīng)用

2.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指將傳感器、執(zhí)行器、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等集成到制造過程中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)和信息共享，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化、生產(chǎn)自動(dòng)化和資源優(yōu)化的一種技術(shù)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入研究與應(yīng)用可以幫助汽車制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理和控制，甚至可以輔助生產(chǎn)決策，為最終提高生產(chǎn)效率、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量提供有利依據(jù)，同時(shí)可以間接推動(dòng)企業(yè)由經(jīng)驗(yàn)管理到數(shù)據(jù)管理的重要轉(zhuǎn)型。

2.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧能源管理中的應(yīng)用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧能源管理中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面。

數(shù)據(jù)采集：通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，與設(shè)備邊緣端的智能電表、設(shè)備PLC 物聯(lián)的技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)、能源消耗數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集[1]。

數(shù)據(jù)分析和處理：對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理入庫，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體業(yè)務(wù)需求，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和人工智能算法，利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建立物模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，同時(shí)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)采集的實(shí)時(shí)智能電表的電能質(zhì)量的異常告警數(shù)據(jù)與電表本身的異常報(bào)警代碼單建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)用電質(zhì)量、能耗提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和決策支持。

能源智能優(yōu)化和節(jié)能降耗：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和分析的結(jié)果，建立各區(qū)域、產(chǎn)品能耗的具體目標(biāo)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，當(dāng)超標(biāo)時(shí)，及時(shí)通過企業(yè)微信、郵件等方式進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)匯總不同時(shí)段的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的業(yè)務(wù)情況，針對(duì)能源消耗較大的設(shè)備或工藝進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)能降耗。

3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠智慧能源管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠智慧能源管理系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。能源智能優(yōu)化系統(tǒng)主要由IIoT 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)負(fù)責(zé)設(shè)備的預(yù)處理與傳輸、前端界面和后端數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常檢測(cè)、報(bào)表展示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能模塊組成[2]，如圖2 所示。利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以秒級(jí)的頻率實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品產(chǎn)量數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)、能源消耗數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)的具體能耗數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等建立能耗目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)管理等能源數(shù)據(jù)分析功能；能源優(yōu)化功能根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，針對(duì)能源消耗較大的設(shè)備或工藝進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗；監(jiān)控與反向控制模塊通過大數(shù)據(jù)分析、AI、數(shù)字孿生和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的加熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性精準(zhǔn)開機(jī)[3]。

圖1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠智慧能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 能源智能優(yōu)化系統(tǒng)

3.2 系統(tǒng)功能

智慧能源APP 總共設(shè)計(jì)了12 類圖表，既具備能耗目標(biāo)動(dòng)態(tài)更新，也具備能耗趨勢(shì)實(shí)時(shí)分析；既具備能源消耗同比分析，也具備能源消耗環(huán)比分析，同時(shí)還具備不同區(qū)域或不同設(shè)備的對(duì)比分析。

典型的業(yè)務(wù)報(bào)表層面包括產(chǎn)線能耗走勢(shì)圖、設(shè)備用電排行圖表、設(shè)備相電流對(duì)比圖和設(shè)備用電對(duì)比圖。

產(chǎn)線能耗走勢(shì)圖在設(shè)計(jì)思路上整合了動(dòng)態(tài)能耗目標(biāo)（與產(chǎn)量強(qiáng)相關(guān)）、區(qū)域用電趨勢(shì)、超標(biāo)次數(shù)統(tǒng)計(jì)、超標(biāo)能耗統(tǒng)計(jì)，以及超標(biāo)區(qū)域TOP5。業(yè)務(wù)人員根據(jù)此表，可以有針性對(duì)地分析處理能耗超標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)能源精細(xì)化管理。

設(shè)備用電排行圖表是區(qū)域能耗走勢(shì)圖的下鉆，顆粒度到設(shè)備層。業(yè)務(wù)人員鎖定了能耗超標(biāo)區(qū)域，再結(jié)合此圖表可以快速鎖定重點(diǎn)耗能設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)能源精細(xì)管理。

設(shè)備相電流對(duì)比圖表達(dá)了三相各序電流的實(shí)時(shí)狀態(tài)。根據(jù)業(yè)務(wù)的需求（勾選設(shè)備區(qū)域），既可以分析區(qū)域的相序電流分配合理性，也可以分析設(shè)備本身相序分配的理性，從而可以指導(dǎo)車間配電優(yōu)化，也可以反向要求設(shè)備供應(yīng)商優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

設(shè)備用電對(duì)比圖可以自由組合設(shè)備，構(gòu)成不同的對(duì)比圖。比如同工序的并行設(shè)備之間的對(duì)比，再結(jié)合設(shè)備產(chǎn)品下線數(shù)量，交叉比較，可以持續(xù)尋找最優(yōu)生產(chǎn)方案。再比如對(duì)比同一設(shè)備不同時(shí)期的能耗水平（結(jié)合產(chǎn)量等因素），能夠反映設(shè)備的損耗程度，為設(shè)備保養(yǎng)提供理論數(shù)據(jù)支持。

報(bào)表管理功能主要是根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況及管理維度，自動(dòng)生成智慧能源日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)各維度趨勢(shì)分析等報(bào)表；通過設(shè)備用電對(duì)比功能、設(shè)備電流分析功能實(shí)現(xiàn)降低現(xiàn)場(chǎng)能耗、提升能源供應(yīng)質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率的目標(biāo)。系統(tǒng)配置功能主要包括超標(biāo)管理、異常預(yù)警告警配置、推送配置及工作日歷。

4 數(shù)據(jù)采集與分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)智慧能源管理的首要環(huán)節(jié)，也是智慧能源管理的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集主要以秒級(jí)的頻率實(shí)時(shí)采集設(shè)備的能源消耗數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品產(chǎn)量數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)等[4]。數(shù)據(jù)采集主要包括智能電表的選型、安裝、維護(hù)，物聯(lián)網(wǎng)的連接和數(shù)據(jù)源的預(yù)處理等方面。在選擇智能電表時(shí)，需要考慮智能電表的精度、預(yù)警報(bào)警能力、可靠性和成本等因素。在安裝智能電表時(shí)，需要考慮智能電表的位置、數(shù)量和布局等因素，同時(shí)要考慮智能電表在安全預(yù)防方面的應(yīng)用，如主電纜超溫報(bào)警等。

4.2 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠智慧能源管理的核心技術(shù)之一。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠中，數(shù)據(jù)分析主要涉及數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)可視化等。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)源整理、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)入庫和特征提取等處理。數(shù)據(jù)分析主要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)際情況，具體業(yè)務(wù)需求進(jìn)行計(jì)算或者算法模型的建立。數(shù)據(jù)可視化主要集合現(xiàn)場(chǎng)各模塊的業(yè)務(wù)需求，結(jié)合數(shù)據(jù)采集級(jí)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，建立標(biāo)準(zhǔn)能耗目標(biāo)，用于數(shù)據(jù)展示和決策支持。數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和決策支持，提高生產(chǎn)效率、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性[5]。

5 能源優(yōu)化

5.1 能源消耗分析

能源消耗數(shù)據(jù)分析是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，對(duì)采集的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、區(qū)域性目標(biāo)管理、能源數(shù)據(jù)匯總等場(chǎng)景化管理，為能源優(yōu)化做前期準(zhǔn)備工作[6]。在對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠能耗分析中，能源消耗主要包括電力、水、汽油和壓縮空氣等能源的消耗。其部分工廠的壓縮空氣來自于工廠自己的空壓機(jī)，實(shí)際消耗的是電能。通過對(duì)能源消耗的分析，可以總結(jié)能源消耗數(shù)據(jù)和能源消耗規(guī)律，設(shè)立具體的能耗目標(biāo)，為后續(xù)的能源優(yōu)化、超標(biāo)管理提供依據(jù)。

5.2 能源優(yōu)化方法

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠能源優(yōu)化方法主要包括設(shè)備工藝調(diào)整、設(shè)備升級(jí)、能源回收、能源調(diào)度和智能化能源管理等方面[7]。工藝設(shè)備調(diào)整主要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際與行業(yè)發(fā)展近況，優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率等來達(dá)到間接節(jié)約能耗的目的。設(shè)備升級(jí)主要針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，如更換變頻空壓機(jī)、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等。能源回收主要針對(duì)生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)空調(diào)氣體回收與新風(fēng)系統(tǒng)配比再利用、水處理水循環(huán)利用和廢熱等能源進(jìn)行回收和再利用，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和節(jié)約[8]。

6 數(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧能源管理中的應(yīng)用

在清洗機(jī)場(chǎng)景上，清洗液需要提前加熱到工藝溫度，因而，必須要求工人每天在產(chǎn)線開班之前1～2h，提前到現(xiàn)場(chǎng)，將清洗機(jī)加熱功能打開。雖然部分工藝設(shè)備支持預(yù)約時(shí)間開啟加熱，但因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化，設(shè)備加熱能力的損耗。設(shè)備管理人員，無法準(zhǔn)確地知道每天加熱達(dá)溫時(shí)間，因此為了避免開班時(shí)，乳化液未達(dá)到工藝溫度，設(shè)備管理人員通常會(huì)將加熱定時(shí)時(shí)間設(shè)置到開班前2～3h，從而導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。

在數(shù)字孿生及大數(shù)據(jù)分析的技術(shù)加持下，將清洗機(jī)精準(zhǔn)開機(jī)打造成一個(gè)典型場(chǎng)景，從而也能夠引導(dǎo)其他業(yè)務(wù)場(chǎng)景管理方式的變革[9]。

在此原則下，建立了一套清洗機(jī)精準(zhǔn)開機(jī)的算法模型，通過運(yùn)用IIoT 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集到清洗機(jī)的所有工藝數(shù)據(jù)（包括溫度、液位、工藝保護(hù)閾值等），以及清洗機(jī)周圍的環(huán)境溫度、濕度，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了一套升溫模型和降溫模型，模擬了清洗機(jī)每天的升降溫曲線，再將算法計(jì)算出的曲線和清洗機(jī)自帶表計(jì)采集出來的溫度數(shù)據(jù)所構(gòu)成的溫變曲線（如圖3 所示）擬合，不斷迭代優(yōu)化，讓兩條曲線無限重合，從而得出清洗機(jī)達(dá)溫所需要的加熱時(shí)間，并在此基礎(chǔ)上，反推出最合理的開機(jī)加熱時(shí)刻。更進(jìn)一步，取消了人工到現(xiàn)場(chǎng)開機(jī)關(guān)機(jī)的環(huán)節(jié)，通過對(duì)PLC 設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程反寫，反控清洗機(jī)的開關(guān)機(jī)和加熱（如圖4 所示），從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)能源管理。

圖3 清洗機(jī)溫度曲線

圖4 清洗機(jī)精準(zhǔn)開機(jī)控制界面

7 評(píng)估方法及效果分析

7.1 評(píng)估方法

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)對(duì)工廠智慧能源管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果評(píng)估主要包括數(shù)據(jù)分析和用戶調(diào)查兩個(gè)方面。數(shù)據(jù)分析主要通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，評(píng)估系統(tǒng)在提高生產(chǎn)效率、降低能源消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低維護(hù)成本等方面的效果。用戶調(diào)查主要通過對(duì)系統(tǒng)用戶的問卷調(diào)查和訪談，了解用戶對(duì)系統(tǒng)的滿意度和改進(jìn)建議，為產(chǎn)品的迭代優(yōu)化做精準(zhǔn)、充分的準(zhǔn)備。

7.2 效果分析

通過對(duì)智慧能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了以下效果。

提高生產(chǎn)效率：智慧能源管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)線的穩(wěn)定性。

降低能源消耗：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠的智慧能源管理系統(tǒng)可以通過對(duì)能源消耗的分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和節(jié)約。

提高產(chǎn)品質(zhì)量：智慧能源管理系統(tǒng)可以通過對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

8 展望

未來的研究可以從以下幾個(gè)方面展開：智慧能源管理系統(tǒng)的智能化和自適應(yīng)性研究；智慧能源管理系統(tǒng)的可靠性和安全性研究；智慧能源管理系統(tǒng)的成本和效益評(píng)估；智慧能源管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和推廣。

總之，智慧能源管理是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景和重要意義的研究領(lǐng)域。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，智慧能源管理將成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠實(shí)現(xiàn)高效、智能、可持續(xù)發(fā)展的重要手段[10]。