基于工業物聯網技術的汽車發動機廠智慧能源管理研究

梁野，張賀，陳杰，石剛，劉毅，李柏榮

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉潤汽車有限公司寧波杭州灣分公司，浙江 寧波 315336）

1 引言

在國家十四五規劃的指引下，為了加速智能吉利“一網三體系”的成果落地，推進《智能吉利2025》戰略布局的全面實施，吉利汽車集團10 月31 日在杭州灣畔正式發布“九大龍灣行動”。其中龍灣行動六明確指出全力加速向可持續能源的轉變，至2025 年，碳排放總量減少25%，到2045 年實現碳中和。通過數字化智能制造、推廣綠電、循環材料應用等降低企業自身全端碳排放；通過Geega 工業互聯網平臺、智能技術協同等制定全供應鏈減排舉措。到2025 年，全鏈路減排25%。在汽車發動機生產行業中，能源的智能化、數字化管理對于降低企業能源成本、提高汽車企業生產效率、環境保護等方面都具有重要意義。

傳統的能源管理方式主要依賴人工的經驗和判斷，存在數據收集不全面、分析不準確、響應不及時等問題。而隨著工業物聯網技術的快速發展，智慧能源管理已成為發動機廠實現高效、智能、可持續發展的重要手段。

2 工業物聯網技術及其在智慧能源管理中的應用

2.1 工業物聯網技術

工業物聯網是指將傳感器、執行器、嵌入式系統和網絡技術等集成到制造過程中，實現設備之間的互聯和信息共享，從而實現設備智能化、生產自動化和資源優化的一種技術。工業物聯網技術的深入研究與應用可以幫助汽車制造企業實現生產過程的實時監測、管理和控制，甚至可以輔助生產決策，為最終提高生產效率、降低成本、提升產品質量提供有利依據，同時可以間接推動企業由經驗管理到數據管理的重要轉型。

2.2 工業物聯網技術在智慧能源管理中的應用

工業物聯網技術在智慧能源管理中的應用主要包括以下幾個方面。

數據采集：通過工業物聯網平臺，與設備邊緣端的智能電表、設備PLC 物聯的技術的應用，實現對設備運行狀態、產品質量數據、能源消耗數據、環境參數等數據的實時采集[1]。

數據分析和處理：對實時采集的數據進行預處理入庫，結合現場具體業務需求，利用大數據分析技術和人工智能算法，利用工業物聯網建立物模型，實現對采集的數據進行處理和分析，同時對物聯網采集的實時智能電表的電能質量的異常告警數據與電表本身的異常報警代碼單建立對應關系，對用電質量、能耗提供實時監測、預警和決策支持。

能源智能優化和節能降耗：根據現場數據采集和分析的結果，建立各區域、產品能耗的具體目標，并實時進行能耗數據與目標數據的對比分析，當超標時，及時通過企業微信、郵件等方式進行預警，同時匯總不同時段的能耗數據進行分析，根據數據分析的結果結合現場的業務情況，針對能源消耗較大的設備或工藝進行優化和調整，實現智能化節能降耗。

3 汽車發動機廠智慧能源管理系統的架構設計

3.1 系統架構

汽車發動機廠智慧能源管理系統的架構如圖1 所示。能源智能優化系統主要由IIoT 負責數據采集、工業物聯網負責設備的預處理與傳輸、前端界面和后端數據處理、實時監測、異常檢測、報表展示和數據統計等功能模塊組成[2]，如圖2 所示。利用工業物聯網技術以秒級的頻率實時采集設備運行狀態數據、產品產量數據、產品質量數據、能源消耗數據、環境參數等數據進行實時采集；結合現場業務的具體能耗數據、歷史數據等建立能耗目標，實現目標管理等能源數據分析功能；能源優化功能根據數據分析的結果，針對能源消耗較大的設備或工藝進行優化和調整，實現節能降耗；監控與反向控制模塊通過大數據分析、AI、數字孿生和機器學習等技術對現場的加熱設備實現預測性精準開機[3]。

圖1 汽車發動機廠智慧能源管理系統架構

圖2 能源智能優化系統

3.2 系統功能

智慧能源APP 總共設計了12 類圖表，既具備能耗目標動態更新，也具備能耗趨勢實時分析；既具備能源消耗同比分析，也具備能源消耗環比分析，同時還具備不同區域或不同設備的對比分析。

典型的業務報表層面包括產線能耗走勢圖、設備用電排行圖表、設備相電流對比圖和設備用電對比圖。

產線能耗走勢圖在設計思路上整合了動態能耗目標（與產量強相關）、區域用電趨勢、超標次數統計、超標能耗統計，以及超標區域TOP5。業務人員根據此表，可以有針性對地分析處理能耗超標區域，實現能源精細化管理。

設備用電排行圖表是區域能耗走勢圖的下鉆，顆粒度到設備層。業務人員鎖定了能耗超標區域，再結合此圖表可以快速鎖定重點耗能設備，從而實現能源精細管理。

設備相電流對比圖表達了三相各序電流的實時狀態。根據業務的需求（勾選設備區域），既可以分析區域的相序電流分配合理性，也可以分析設備本身相序分配的理性，從而可以指導車間配電優化，也可以反向要求設備供應商優化電路設計。

設備用電對比圖可以自由組合設備，構成不同的對比圖。比如同工序的并行設備之間的對比，再結合設備產品下線數量，交叉比較，可以持續尋找最優生產方案。再比如對比同一設備不同時期的能耗水平（結合產量等因素），能夠反映設備的損耗程度，為設備保養提供理論數據支持。

報表管理功能主要是根據數據分析的結果，結合現場生產的實際情況及管理維度，自動生成智慧能源日報、周報、月報各維度趨勢分析等報表；通過設備用電對比功能、設備電流分析功能實現降低現場能耗、提升能源供應質量、提升生產效率的目標。系統配置功能主要包括超標管理、異常預警告警配置、推送配置及工作日歷。

4 數據采集與分析

4.1 數據采集

數據采集是實現智慧能源管理的首要環節，也是智慧能源管理的基礎。數據采集主要以秒級的頻率實時采集設備的能源消耗數據、設備狀態數據、產品產量數據、產品質量數據等[4]。數據采集主要包括智能電表的選型、安裝、維護，物聯網的連接和數據源的預處理等方面。在選擇智能電表時，需要考慮智能電表的精度、預警報警能力、可靠性和成本等因素。在安裝智能電表時，需要考慮智能電表的位置、數量和布局等因素，同時要考慮智能電表在安全預防方面的應用，如主電纜超溫報警等。

4.2 數據處理與分析

數據處理與分析是汽車發動機廠智慧能源管理的核心技術之一。在汽車發動機廠中，數據分析主要涉及數據預處理、數據挖掘和數據可視化等。數據預處理主要包括數據源整理、數據清洗、數據轉換、數據入庫和特征提取等處理。數據分析主要結合現場的生產實際情況，具體業務需求進行計算或者算法模型的建立。數據可視化主要集合現場各模塊的業務需求，結合數據采集級經驗數據積累，建立標準能耗目標，用于數據展示和決策支持。數據分析的結果可以幫助企業實現實時監測、預警和決策支持，提高生產效率、降低成本、提升產品質量和可靠性[5]。

5 能源優化

5.1 能源消耗分析

能源消耗數據分析是結合現場生產的實際情況，對采集的能源數據進行對比、區域性目標管理、能源數據匯總等場景化管理，為能源優化做前期準備工作[6]。在對汽車發動機廠能耗分析中，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，實際消耗的是電能。通過對能源消耗的分析，可以總結能源消耗數據和能源消耗規律，設立具體的能耗目標，為后續的能源優化、超標管理提供依據。

5.2 能源優化方法

汽車發動機廠能源優化方法主要包括設備工藝調整、設備升級、能源回收、能源調度和智能化能源管理等方面[7]。工藝設備調整主要結合生產實際與行業發展近況，優化生產流程、提高生產效率等來達到間接節約能耗的目的。設備升級主要針對現有設備進行改造，如更換變頻空壓機、優化設備運行參數等。能源回收主要針對生產過程中的生產現場空調氣體回收與新風系統配比再利用、水處理水循環利用和廢熱等能源進行回收和再利用，實現能源的高效利用和節約[8]。

6 數字孿生、機器學習、大數據技術在智慧能源管理中的應用

在清洗機場景上，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線開班之前1～2h，提前到現場，將清洗機加熱功能打開。雖然部分工藝設備支持預約時間開啟加熱，但因為環境溫度的變化，設備加熱能力的損耗。設備管理人員，無法準確地知道每天加熱達溫時間，因此為了避免開班時，乳化液未達到工藝溫度，設備管理人員通常會將加熱定時時間設置到開班前2～3h，從而導致能源的浪費。

在數字孿生及大數據分析的技術加持下，將清洗機精準開機打造成一個典型場景，從而也能夠引導其他業務場景管理方式的變革[9]。

在此原則下，建立了一套清洗機精準開機的算法模型，通過運用IIoT 工業物聯網技術收集到清洗機的所有工藝數據（包括溫度、液位、工藝保護閾值等），以及清洗機周圍的環境溫度、濕度，以此數據為基礎，建立了一套升溫模型和降溫模型，模擬了清洗機每天的升降溫曲線，再將算法計算出的曲線和清洗機自帶表計采集出來的溫度數據所構成的溫變曲線（如圖3 所示）擬合，不斷迭代優化，讓兩條曲線無限重合，從而得出清洗機達溫所需要的加熱時間，并在此基礎上，反推出最合理的開機加熱時刻。更進一步，取消了人工到現場開機關機的環節，通過對PLC 設備進行遠程反寫，反控清洗機的開關機和加熱（如圖4 所示），從而實現精細能源管理。

圖3 清洗機溫度曲線

圖4 清洗機精準開機控制界面

7 評估方法及效果分析

7.1 評估方法

汽車發動機制造行業對工廠智慧能源管理系統的實現效果評估主要包括數據分析和用戶調查兩個方面。數據分析主要通過對生產數據的統計和分析，評估系統在提高生產效率、降低能源消耗、提高產品質量和降低維護成本等方面的效果。用戶調查主要通過對系統用戶的問卷調查和訪談，了解用戶對系統的滿意度和改進建議，為產品的迭代優化做精準、充分的準備。

7.2 效果分析

通過對智慧能源管理系統的應用和實驗驗證，取得了以下效果。

提高生產效率：智慧能源管理系統可以實現對設備運行狀態和能源消耗的實時監測和預警，提高生產效率和生產線的穩定性。

降低能源消耗：汽車發動機廠的智慧能源管理系統可以通過對能源消耗的分析和優化，實現能源的高效利用和節約。

提高產品質量：智慧能源管理系統可以通過對生產過程的實時監測和預警，及時發現生產過程中的問題，提高產品質量和可靠性。

8 展望

未來的研究可以從以下幾個方面展開：智慧能源管理系統的智能化和自適應性研究；智慧能源管理系統的可靠性和安全性研究；智慧能源管理系統的成本和效益評估；智慧能源管理系統的實際應用和推廣。

總之，智慧能源管理是一項具有廣泛應用前景和重要意義的研究領域。隨著工業物聯網技術的不斷發展和普及，智慧能源管理將成為汽車發動機廠實現高效、智能、可持續發展的重要手段[10]。