流体技术4.0:双向对话

作者:本网编辑 文章来源:ACHEMA 2015趋势报告 发布时间:2015-06-03

在现场级别实现的分布式智能技术将提供更高的设备通用性——领先泵机生产商们只占据世界泵机市场9%的份额,而这个市场估计价值约为300亿欧元,这表明了泵机市场碎片化的严重程度。这种碎片化现象也适用于压缩机、控制器和阀门市场。生产这些产品的企业是ACHEMA展会上传统大规模参展团队,已经预订了34000m2的展厅面积,用于展示中型公司的创新潜力,关键展示主题集中在优化的系统解决方案和智能控制。自动化技术为提高生产率创造了新的机遇,流体技术4.0正整装待发。

工业生产商必须坚持不懈地寻找能够提升工艺效率的方法。为了有效地管理成本(能源和劳动力成本)、质量(可现性)和可靠性(职业安全和环境保护),企业需要不断提升自动化水平。据ZVEI(德国电气电子制造商协会)报告,德国过程自动化供应商的销售额在2014年增加了6%~7%,这个成长势头预计将在2015年得到继续。传感器与测量协会(AMA)也报告了新增订单量的增加。

过程工业领域的总体趋势也对泵机、压缩机、控制器和阀门产生着影响。这些产品必须从设计上融入足够的通用性,确保顺利配合整体自动化战略,并且需要增强的通信能力。

制造商正在对此做出响应,提供系统解决方案或成套装置单元,这些方案或单元都超越了工艺泵机、压缩机或控制阀的基本功能范畴。在技术连接到中央过程控制系统的同时,各个组成部分还具备了分布式智能,减少了中央控制系统的负荷,使得中央控制系统能在工艺发生变化时更易适应设备。2014年Namur大会传达这样的信息,通用性技术的优化包括了生产的个性化、产品使用期限缩短、不断波动的销售额以及更快的产品上市周期。

双向数据传输

业内人士预计将有更多的智能化功能移植至现场层级。模块化设计同样重要,子系统在设计上可像乐高积木那样按照不同方式组合搭配在一起运行,满足各种应用需求,1h就可快速更换完毕。设备内部必须内置通用性,以便快速适应和集成系统。

为了向更高层级的控制系统提供连接性,制造商在设备内部设计加入了强化的通信功能(基于实时通信的以太网布线技术等)。此外,板载处理器和板上存储算法也能够自主执行一些定义好的功能集合。双向数据传输是必须支持的,而工业4.0这个概念正是围绕信息流而构建,这些信息流从高层控制系统流向现场设备,并在不同设备之间流动(例如泵机与阀门之间,或压缩机与阀门之间)。

此外,针对系统所处的环境设计通常更为可靠。在国际原始设备制造商(OEM)业务方面,这方面的优势非常值得考虑,每次修复偏远地方的故障都会增加企业运行成本。

门槛正在提高

能效是一位“沉睡的巨人”。2014年12月通过的德国国家能效行动计划(NAPE)的目标正是唤醒这位巨人,让他成为能源转型路线图的第2个战略要素,目前已针对特定能效措施筹集了资金。NAPE将重点放在咨询服务和网络方面,政府已在很大程度上避免采用监管路线。

但Ecodesign指令与此不同。欧盟级2005年就已开展立法程序,旨在解决耗电量(最初为EuP用能产品,目前为ErP能源相关产品)和CO2排放量方面的问题。

这项针对电机的指令(EC640/2009)在环保型设计方面发挥了关键性的作用。此指令同样适用于泵机和压缩机,有效地强制制造商集中生产高能效电机和速度控制用变频器。随后由于欧盟法规的影响,大家更加注重泵机的水力效率。

欧盟将于2015年推出更严格的法规:

自2015年1月1日起,所有额定功率在7.5~375kW之间的电机必须符合IE3标准或IE2标准配备变频器。在2017年,所有额定功率在0.75~375kW之间的电机必须符合IE3标准或符合IE2标准并配备变频器。

自2015年1月1日起,要求一些特定的有密封圈水泵达到更高的水力效率(最低效率指数MEI ≥ 0.4)。

自2015年8月1日起,无密封圈独立加热和冷却系统循环泵的能效指数必须不大于0.23,并且相同的要求适用于集成到加热系统内的循环泵。2020年1月1日之前,现有产品中的循环泵必须拥有不大于0.23的能效指数。

对于在2015年8月1日之前上市的热泵,集成到产品当中的热循环泵将不允许更换。

尽管电机指令已在2015年1月1日生效,但欧盟更加重点关注系统方法,ZVEI预计这样将刺激电气驱动技术市场的成长。欧盟委员会如今已经变成了制造商的“天然”开发合作伙伴。技术的复杂性是制造商摆脱潜在竞争者进入市场的壁垒,用于提升能效的技术进步是难以模仿的,并形成了对产品仿制的阻碍。

能效:更长远的前景

与标准电机相比,根据功率额定值的不同,高效电机的能效高出2%~7%。优良泵机设计的标准原则仍然适用并且一直得到推荐(如让工作点靠近最近泵机运行点,水力学计算正确的尺寸等),以及采用妥善周密发展的系统方法,包括转速控制,将设计标准提升到新层面。变频器的优势可靠而真实,但当用于补偿(中和)与磨损相关的性能降级时,变频器也会出现问题,因为这样会导致人们直到磨损达至造成故障前都不会明显观察到磨损现象。

根据具体的行业和应用,泵机能效的重要度也是相对的。对用于连续抽取地下水的深井泵来说,能源很可能占其生命周期成本的90%,而应用在工业过程并在运行上带有高机械负荷的泵机,其生命周期成本的40%~65%归于维护保养。根据ReMain报告,过程行业37%的泵机都只在短期工作制下运行,这些成本超过了用于驱动泵机的能源成本。

执行器技术向无线化迈进

除了过程控制系统和传感器,执行器也在过程领域发挥着重要的作用。在AMA 2014年传感器趋势报告中,直接传感器-执行器连接应用正在增加。

控制器和阀门可以调节物料流,以达到调节过程参数的目的,诸如压力、温度、流量和液位。加装了附加模块的智能控制阀已经上市,它们不仅能执行控制功能,还能在故障发生之前自动检测出维护工作的需要。这些智能控制器和阀门改善了生产的可靠性,提升了效率,并助于保护环境。供应商预计这些执行器未来将在控制环路当中得到更大范围的应用,这一发展有可能最终形成无线控制,而这项执行器技术已经存在。

无线感测也是传感器技术一项前景光明的分支。无线测量数据传输事实上并不新鲜,但其在工业领域的潜力直至最近才为人所认识。这项技术前景非常诱人,但是也有一些障碍需要克服,诸如实时传输能力和可靠性,这些问题也导致此项技术引入步伐的放缓。

执行器系统继续在依赖传统技术:电动、液压、气动和电动液压。但是,即使在这个领域,也有越来越多的控制和诊断功能正在植入到这些驱动器当中,这也是分布式智能技术的另一项应用领域。

电动阀门执行器的优势在于,即使距离较远,接线也较为容易,并且其重量也相对较轻。气动系统的执行动作时间短,并能够耐受长工作占比的接通时间。但是,气动执行器体积大,重量也大。液压系统属于维护密集型设备,但与气动系统相比,较小体积的执行器能够生成更大的执行作用力。

有些供应商正在谈论一次性使用技术的模式转变。手动系统可以由适应自动化的设备以及支持无故障运行的控制器来替代,并由监测系统进行连续数据记录。新产品上的阀体和执行器采用特殊锁紧机构进行连接。在使用过程当中,阀体可以拆除,而执行器留在系统当中进行重复利用。如有必要,阀门执行器可向监测系统发送反馈信号,增加这个全面监测控制环部所需要的最终要素。据制造商称,这一方法方便了制造生产当中的过程再现性、文档记录和验证。

更高效的压缩空气生成

德国于数年前发起了一项浩大的推广活动,旨在提升压缩空气生产的效率,并成为了德国能源署发起类似活动的蓝图。一项由Markus P. Rößler(TU Darmstadt,2014)开展的研究表明,在提升能效领域还有更多机遇。

2002~2012年,企业将整个压缩空气系统内的能效平均提升了5%~10%。超过10%的提升在技术上是可能的,但在绝大多数情况下,其成本高昂至无法承担。技术更多地利用高层控制系统,采用变频控制方式驱动电机,采用无齿轮驱动机构和永磁电机而不是同步电机,这些都有利于提升能效。

除了真实的压缩空气生产外,系统环境也很重要。用户正在更加努力回收热量,甚至是在较早型号的压缩机上,用户还在寻求优化诸如干燥器这样的辅助设备的能效。从整个系统角度来看,尽量减少泄漏能够带来最佳的成本效益比,将压力设置为应用所需的最低可能水平也能提升能效,越来越多的公司正在接受运行能源管理。

今后10年中,预计压缩空气生产工艺并不会发生急剧的变化,主要焦点将放在整体系统优化上。要求使用符合IE 3标准的电机将进一步提升能效。对于存在可变压缩空气耗用量的系统来说,用户正在寻找耐用型的执行器,这种执行器需要能够快速反应,即使在启动—停止操作频繁的应用中也能可靠工作。变速压缩机和更高层级的控制器能够相当显著地减少能源成本,能耗量可减少多达30%~40%。

未来,对于无油压缩空气的需求量将继续增长,而且这种增长不限于医疗设备、制药和食品行业,更强的环境意识将拓展无油技术的应用领域至标准应用。

一家领先制造商称,在这个大数据和工业4.0的时代,系统和应用程序都将变得越来越智能化,它们将集成到复杂的工业基础设施当中。对于越来越偏好完整解决方案的用户,一站式采购是一项颇有吸引力的方案。

在压缩空气合同采购模式下,用户将以固定价格采购压缩空气,而不会再用自己的设备生产压缩空气,工业界确信这种业务将提供相当大的潜力。

TOR系统化方法的大门

经验丰富的系统设计者通常能够将功能和能效结合在一起,但经验不足的设计师得则不太能够做到这点。当谈到生态友好设计时,汇集一系列高效、设计良好的设备,然而组合好的设备效率却非常低。为了在耗费能源的流体系统当中节约大量能源,我们就需要采用新的设计策略。

作为TOR概念的创造人,达姆施塔特工业大学的Ulf Lorenz博士、Gerhard Ludwig博士和Peter Pelz教授正是以此为核心。单个产品方法或扩展产品方法必须让位于系统化方法,就像象棋选手一样,设计者必须模拟和分析各种场景,直至他们找到这样的系统拓扑结构,能够以最低能耗完成过程功能。

达姆施塔特工业大学的数学家和工程师们正在共同努力寻找解决方案,而且流体系统技术系也正在开发TOR虚拟设计软件。TOR(技术运行研究)既指虚拟设计软件,也指这个新研究机构,其目标是提供决策辅助,以支持系统设计和运行,并支持能效评价。

结语

在子系统层面上基于分布式智能实现的流体系统数字化联网为从产品设计转向系统设计提供了一条康庄大道。有了过程以及泵机、压缩机、控制器和阀门设定值/实际运行参数相关信息的可用性,就能支持对输入能量的最大化利用,实现预测性修理和维护,并达到更高的系统可用性。

当今智能手机正得到深入的应用开发,也许在不久的将来,诸如谷歌眼镜这样的可穿戴设备也将成为工具箱的一员,类似于冒险游戏中游戏人物接收消息的方式,维修工程师将能在移动眼镜显示屏上读取到所有的作业规程。

0
-1
收藏