汽車涂裝車間智能化能源管理實踐

秦勇，李寶玉，陳壯

（浙江陸虎汽車有限公司，浙江 臨海 317000）

信息時代的爆發與科技的進步打開了智能制造的新大門，如今的制造業已由傳統手工作業轉化為機械化作業，以不斷降低制造成本。能耗成本作為制造成本中較為關鍵的組成，其管控方式必須不斷向前演進。本文從涂裝車間能源管理的實踐活動出發，挖掘現場設備智控、高效、節能的空間，用實際案例解析涂裝車間的能源管理工作。

1 涂裝工廠簡介

涂裝車間按照主體二層、局部三層的現代化工藝分區排布，建筑面積37 800 m2，設計節拍30 JPH，產能15 萬輛/年。

涂裝車間規劃階段為達成低能耗、低排放、高效、智能的汽車涂裝車間智能化能源管理實踐，采用B1/B2 水性工藝，紙盒干式噴房、循環風再利用、中水回用、TNV(廢氣焚燒爐)廢氣處理再利用等系統悉數用上，使整個涂裝車間更加節能環保。全車間為密閉車間，采用了全球最頂級的自動噴涂設備供應商的產品配套，包括德國Dürr 第三代機器人、美國Graco 供膠系統、Binks 涂料自動供給系統等；輸送方面采用自動移栽機、滑橇輸送、智能放行輸送、自動鎖緊解鎖等方式實現車身不落地流轉；車間中控系統可實現設備狀態、生產狀態、車身信息、能源消耗、工藝參數等自動采集和輸出，極大地提升了車間設備和生產管理的效率，降低了整體能耗。

2 智能化能源計量系統的介紹

能源管理系統(energy management system，簡稱EMS)是對涂裝車間內部的水、電、天然氣、蒸汽、壓縮空氣等進行耗量的采集(檢測)、分析、控制，實施系統管理，指導能源的利用及節能方向，實現可持續性節能降耗的有效工具。

在車間能源系統及管理平臺的搭建過程中，提出了未來的智能管理模式方向：現場能源計量點位實時數據采集、上傳的初級功能；按時段、生產過程、分區域三個維度進行數據處理并輸出的中級功能；利用前期存儲進行大數據分析，預測日后能耗成本的高級功能[1]。

目前EMS 可直接調取系統每小時水、電、天然氣的消耗，給出一天中的異常數據，便于關聯相關設備狀態或判斷設備潛在的相關問題。在EMS 生成的月度報表中可查看該月每日能源的用量，當用量不一致時，結合外界環境變化對比，發現設備可節約能源的空間(例如后文所提到的余熱回收、降頻技術等)。EMS 數據庫中的年度各時段能源消耗可用于下個時間段的能源消耗預估，同時可對系統的開機、運行、停機3 個不同階段進行分析，判斷設備是否需要提前開機、生產中是否發生設備異常、非生產階段是否存在能源浪費(泄漏)等。未來希望能做到利用前期收集的數據，建立相關的計算模型，自動預測將來設備所需要的能耗成本。

3 智能化改善及其效果

3.1 智能化開機

車身涂裝工藝的性質要求在產品生產前，環境溫濕度、槽液溫度、烘干爐各區段溫度等相關條件必須達到工藝要求，才不會影響產品的質量。為了達成這些要求，須提前開啟空調、燃燒器、鍋爐等控制設備，而溫度、濕度的控制必定是一個消耗能源的過程。正常情況下，涂裝需要提前2 h 左右開啟設備，以保證生產環境的穩定。后來通過數據的智能分析，實現了設備開機及關機過程的精簡，在現有基礎上達到了最佳化的設備運行控制，實現了空調、制冷機、燃燒器、水泵等關鍵耗能設備的平均開機時間縮短45 min，直接經濟效益101.2 萬元/年。

3.1.1 影響因素

因素1：過去設備開關機多是通過人工進行操作，過程繁瑣、不確定因素較多，而且對操作人員的技能、過程經驗、職業素養等要求很高。即使設備開關機操作都是正常進行，也可能因為天氣變化，生產時間的不確定而導致設備提早開機而產生等待的浪費，或是開機太晚，導致工藝要求未達到而造成其他設備空運行等待的浪費。

因素2：隨著技術的發展，為提高自動化水平，降低工人勞動強度，同一系統內的設備開機、關機操作采用一鍵啟動。但系統內各區域設備部件的選型、功效不一致，導致各模塊達成工藝條件的時間也不一致，存在某些區域提前達成工藝條件而造成等待浪費的情況。

3.1.2 處理措施

通過歷史大數據分析，找出各模塊單機設備的工藝達成時間、產品運輸時間等關鍵數據，通過對比來設定系統開機的起始條件(根據溫度與升溫時間的關系，將初始溫度與生產開始的時間作為起始條件，系統自動計算出各單機設備達到工藝要求所需要的最長時間，將該計算結果反饋給程序啟動判斷點，作為自動開機的起始依據)，再運用技術延時的方案，使較快能達成工藝要求的單機設備延時自動開啟，保證整個系統盡可能地在同一時間段內滿足生產條件，減少不必要的等待浪費，做到精確控制設備的運行過程。

以電泳烘干系統的開機過程為例：車間上位系統使用SIEMENS WINCC 作為上位監控軟件，其具備數據歸檔功能，且具有獨立的數據庫(基于SQL2012)。數據包含以下內容：設備開機時間，TNV 初始溫度，TNV 點火時間，烤箱一至五區送風溫度，烤箱一至五區回風溫度，爐膛出口溫度，烘干各區升溫時間。

經過大數據分析，得出以下結論：

(1) 烤箱主要分兩種狀態：熱爐和冷爐。當每天連續生產時，烤箱溫度較高，升溫時間較短，定義為熱爐；當周末停產后，周一開機時，烤箱溫度較低，升溫時間較長，定義為冷爐。

(2) 針對烤箱內不同溫度條件下對應的升溫時間曲線并非特定的數學函數曲線(見圖1)，綜合各個溫度后分析出該升溫趨勢為一個面。

圖1 電泳冷(a)、熱(b)爐升溫曲線Figure 1 Heating curves of electrocoat baking oven when it is cold (a) and hot (b),respectively

(3) TNV 爐膛升到設定溫度的時間最快。

(4) 烤箱四區升溫最慢，總體升溫時間可根據四區到溫時間算。

電泳烘干智能化啟動方案設計(如圖2 所示)：

圖2 電泳烘干系統自啟動方案Figure 2 Autonomous start-up scheme of electrocoat baking system

(1) 前處理進第一輛車時觸發一個信號給電泳烘干，觸發“激活自動啟動程序”；

(2) 烤箱激活自動啟動程序，此時會報“自動啟動程序檢測時間激活”；

(3) 計算在當前烤箱溫度下所需的升溫時間，并開始倒計時；

(4) 倒計時結束，程序激活自動啟動，烤箱自動開機，此時會報“自動啟動程序激活啟動烤箱”。

正常情況下電泳烘干按以下順序啟動：4 個循環風機→抽廢氣風機→補新風風機→強冷排風機→強冷送風機(各風機的啟動時間相隔25 s)。電泳烘干升溫時間約為95 min，車從烤箱入口到烤箱出口所需時間超過20 min，從烤箱升溫到車靠近強冷室，其間烘干系統中的強冷風機一直處于運行狀態。在實際使用過程中，強冷段用于給車身進行冷卻，在車身未到達強冷段時，關閉強冷送風機、排風機對烤箱內部風平衡不會造成影響。綜上所述，在不影響其功能性及設備穩定性的前提下，可以適當延遲烘干系統強冷送風機和排風機的啟動，以達到節能減耗的目的。

通過以上方案，成功實現了烘干系統的精確開機管理，烘干系統開機時間縮短了35 min/d，強冷縮短了50 min/d，直接經濟效益21.9 萬元/年。

3.2 休息日的耗能分析及管控

設備(如電泳槽液循環及保溫、輸調漆循環及保溫)24 h 不間斷運行，非生產狀態下的設備維護、保潔作業、保證作業環境的設備運行等所產生的能源消耗是能耗成本的一大塊。在了解了非生產狀態時所運行的設備組成后，針對消耗較大的系統進行用能分解，在連續調取多個休息日的用能數據后發現前處理、噴房、制冷機組、空調機組為涂裝非生產日的主要用能大戶。針對它們，新增了非生產狀態下的節能模式：

(1) 電泳槽液依舊保持循環泵(2 臺)和換熱泵(2 臺)在50 Hz 頻率下運行，使設備維持正常生產運行狀態，因槽液循環產生熱，而電泳液在超過一定溫度后易發生變質，所以非生產狀態下依然需要大量的冷凍水以保證槽液恒溫。查閱相關工藝文件后得知，非生產狀態下電泳液只需要達到3.9 次/h 的循環量即可滿足工藝需求[2]。根據水泵功率及揚程計算，將循環泵頻率由50 Hz 降低至35 Hz，熱交換泵頻率由50 Hz 降低至40 Hz，即可滿足非生產條件下電泳槽液的保存要求。該方案既保證了非生產狀態下電泳液的安全，又減少了2 800 kW·h/d 的用電量。

(2) 在日常生產結束后或遇到設備檢修日時，噴房都是各大涂裝車間必須重視的地方。高潔凈度、恒溫恒濕、噴涂機器人標準作業等都是涂裝效果的有力保障，所以在這個時間段內一般都會抓緊時間進行機器人維護保養、噴房保潔、工藝調試等工作，而該過程中工藝空調系統會一直保持生產運行狀態，產生生產所需要的溫度、濕度、風壓、風向等，消耗大量能源。噴房工藝空調分為兩種：補新風空調和循環風空調。循環風空調的應用是減少噴房能源消耗的一項技術，生產過程中噴房排出的風經過過濾后再重新送到噴房的非人工作業區域。在非生產狀態下，對工藝空調的送風溫濕度不需要嚴格要求，在人工作業時也不需要循環風利用。通過設定在保潔模式(與生產模式之間可一鍵切換)下只開啟新風空調及排風系統，同時限制送風、排風的頻率，既可滿足人員作業環境要求，又能降低4 200 kW·h/d 的用電量。

3.3 數據利用

前面主要描述了提高智能控制模式所產生的能耗節約，接下來將闡述通過涂裝車間的其他系統與EMS 進行數據交互所產生的節能應用，包括烘干降頻與余熱回收技術。

3.3.1 頻率優化

在分析烘干爐系統某一年的天然氣消耗數據時發現，在設備運行節拍和設定參數都未改變的情況下，TNV 燃燒器在夏季與冬季每小時所消耗的天然氣幾乎一樣(均約為180 m3/h)。然后調取運行管理系統的設備運行數據時發現，烘干系統的排煙溫度一直遠高于最后一個用熱段所需要的設定溫度。由于熱量設計有30%左右的安全系數，因此這說明燃燒器供熱一直處于過剩狀態。然而由于油漆成分的特殊性，以及對環境保護的要求，需要對烘烤后產生的廢氣進行充分燃燒處理后才能排放，這就要求TNV 燃燒溫度必須達到700 °C 以上。

如何能夠減少燃氣耗量，同時保證烘干工藝及環保要求？在考察相關設計原理后發現，烘干室的熱量設計與室體加熱量、輸送系統加熱量、烘干室體內空氣加熱量、車身涂料加熱量、涂料蒸發加熱量、烘干室體散熱量、排氣熱損失、風管面積以及循環風量、循環次數等因素有關[2]。從循環風量入手，在計算出烘干系統所需要的熱量后，計算出必要的循環風量，同時考慮烘干室體內的廢氣量，降低相應的廢氣風機及新風風機的頻率，使得循環風量減少，但又能保證生產狀態下的熱量需求以及產品烘干性能。具體操作如下：烘干系統廢氣風機頻率由40 Hz 降低至32 Hz，補新風風機頻率由35 Hz 下降至33 Hz，微調烘干室內的風口方向，使室體內的風平衡保持原來狀態。經過幾輪的烘干性能驗證以及爐溫檢測，證明調整后的狀態可行。最終實現了單套烘干系統50 m3/h 的天然氣節約量，全年實現160 余萬元的成本節約。

3.3.2 余熱回收

在經過頻率調整后，發現系統的排煙溫度由270 °C 下降至200 °C，排出的煙氣仍然具有很高的熱量。由于涂裝車間用熱點位很多，因此在原來的基礎上新增2 套煙氣余熱回收裝置，分別置于電泳、面漆烘干系統處。當面漆、電泳烘爐開機后排煙達到140 °C 時設備自動開啟進行煙氣熱回收，并將溫度降至110 °C 后排放，回收的余熱用于循環加熱水箱回水，然后輸送至前處理段供槽液加熱使用，以減少蒸汽消耗，同時做到低溫排放。

圖3 余熱回收原理Figure 3 Principle of waste heat recovery

烘爐煙氣回收熱量的計算：

已知烘爐煙氣溫度t1，煙氣標準流量V0，經過余熱回收器后溫度降至t2，煙氣定壓比熱容為C，煙氣密度為ρ，則每小時可回收的熱量

實際使用過程中，排煙溫度為110～ 120 °C，可回收利用的熱能換算成蒸汽為4 062.5 t/a，直接經濟效益130 萬元/年。

3.4 生產效率與能耗成本

生產效率的提高意味著能源的有效利用程度得以提升，可為企業節省大量的制造成本。對于已經穩定生產的涂裝工廠來說，如何通過技術手段突破原有的生產效率，降低生產的能源消耗是一個值得持續探討的課題。利用EMS 與PMC(生產過程監控系統)、ANDON(自動化控制系統)的數據交互，建立停線數據庫，通過分析周期內設備、人員作業的停線頻次和趨勢，可以指導管理者對癥下藥，提升效率，降低生產能耗。根據PMC 建立的特征數據庫所收集的設備停線數據以及ANDON 記錄的人工急停數據，提前制定數據的累加模型，由系統自動計算出指定的周期內相似設備故障或同一崗位的停線時間和頻次，輸出直觀的圖表(如圖4 所示)，供管理者進行能效提升工作。EMS 根據給出的累計時間和自身記錄的設備用能數據，核算出對應的能源數據，為后期總結工作提供依據。如已完成的338598(33 JPH 下85%交車率、98%設備開動率)、22750(22 h 交付750 輛車)等效率提升工作，每年降低涂裝生產成本300 萬元以上。

圖4 停線統計Figure 4 Downtime statistics

3.5 生產指導

除了前面提到的EMS 能耗預測，產量和生產節拍的調整同樣對能耗成本有很大的影響。為保證良好的設備工藝性能，涂裝的前處理、電泳、烘干、空調等系統都需要提前開啟設備，以便工件到來時已達到作業條件，這就使得未正式生產就已經消耗了很大一部分的能源。在月度產量相同的情況下，單日生產量越少，節拍越低，則俗稱的單車能耗成本就會越高，反之則越低。這時因為公司執行計劃的安排可能會產生多種生產方案。通過前期的數據分析，替換出相關的條件因素，就能核算出各方案的能耗成本，便于從中選擇最優的幾種生產方案供作參考。

4 綜合經濟效益

經過一系列設備自動化升級、改造，新增節能控制模式等方式之后，能源的構成及消耗變化見表1，最終實現了綜合經濟效益940.2 萬元/年。

表1 量產初期和智能化改造后的能耗Table 1 Energy consumption in beginning of production and after intellectualized improvement

5 結語

智能化、數字化的能源管理模式適應了當今環境下數字經濟發展的需要，能源管理的設施建設實現了輸入端到使用端可視、可管、可控的智能管理，從“啞巴”設備到智能系統，最大限度地提高了能效，減少了生產成本。