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    個(gè)人簡介：惠敦炎 1956年畢業(yè)于河北工學(xué)院機(jī)械制造專業(yè)，先后在機(jī)械部儀表局,(電工局)和機(jī)械研究院從事儀器儀表與自動(dòng)化研究，現(xiàn)任西門子（中國）公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)自動(dòng)化系統(tǒng)部高級(jí)顧問、TC124委員。近年來主要從事推動(dòng)中國方面與西門子的合作，將西門子的先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化為中國標(biāo)準(zhǔn)的工作。

    摘要： 本文簡要介紹了當(dāng)前歐洲盛行的節(jié)能增效新技術(shù)—PROFIenergy。應(yīng)用PROFIenergy可以關(guān)閉在生產(chǎn)間歇中不需要的耗電器，從而使企業(yè)生產(chǎn)既簡單又可靠地進(jìn)入優(yōu)化的節(jié)能狀態(tài)。

    關(guān)鍵詞： PROFIBUS;PROFINET; PROFIenergy;Energy-Management;energy efficiency

    PROFIBUS已經(jīng)走過了20年的光輝歷程，其節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)3000萬以上，成為全球領(lǐng)先的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。與其相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)—PROFINET（節(jié)點(diǎn)超過200萬）、PROFIsafe（節(jié)點(diǎn)接近100萬）也正在同步迅速地發(fā)展。

    當(dāng)今的國際社會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)化與法規(guī)方面日益將環(huán)保與能效管理列為世人關(guān)注的焦點(diǎn)。工業(yè)的目標(biāo)應(yīng)瞄準(zhǔn)節(jié)約能源，大力減少CO2 排量。在生產(chǎn)環(huán)境中，節(jié)能減排，降低成本，以確保可持續(xù)的競爭優(yōu)勢，乃是重中之重。

    1 PROFIenergy概述

    以PROFINET機(jī)制為基礎(chǔ)的PROFIenergy V1.0，是PI（PROFIBUS&PROFINET International國際組織）根據(jù)德國汽車制造商自動(dòng)化倡議團(tuán)體（AIDA，其主要會(huì)員有：奧迪、寶馬、戴姆勒、大眾以及波士等公司）關(guān)于實(shí)施“能源管理”的戰(zhàn)略，組織了14個(gè)PI會(huì)員和大學(xué)研究所的科研力量，僅花了九個(gè)月的時(shí)間于2009年初推出的一部新行規(guī)。PROFIenergy V1.0通過珍惜處理有價(jià)值的資源將對(duì)環(huán)保作出積極的貢獻(xiàn)。

    PROFIenergy 行規(guī)打開了通往實(shí)現(xiàn)“積極的能源管理”之路。自動(dòng)化設(shè)備制造商可以從接口做起；機(jī)械設(shè)備制造商和生產(chǎn)設(shè)備的用戶可以提出將PROFIenergy融入生產(chǎn)實(shí)踐中的各種方案。行規(guī)的基礎(chǔ)是應(yīng)用案例（Use-Cases），以下簡要介紹幾個(gè)典型的案例。

    PROFIenergy的中心任務(wù)是在間歇時(shí)間里關(guān)閉所有不需要的耗電器。因此，它能增強(qiáng)節(jié)能的潛力。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備周圍的環(huán)境，對(duì)設(shè)備的間歇提出不同的要求，因?yàn)槿魏伍g歇都有它特定的性質(zhì)。

    在短間歇（如15min早餐）中節(jié)能，應(yīng)保證生產(chǎn)設(shè)備一旦結(jié)束間歇，就必須馬上準(zhǔn)備運(yùn)行，因此，在節(jié)能和時(shí)間上都力求實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。舉例來說，駕駛汽車是大家非常熟悉的事情，當(dāng)你駕車沿山坡下行時(shí)，因此刻無需發(fā)動(dòng)機(jī)出力，汽車會(huì)自動(dòng)中止噴油。當(dāng)你行駛到平地上時(shí)，踩一下油門，此刻發(fā)動(dòng)機(jī)猛然又開足馬力。

    在長間歇中，如夜間或周末，則情況有所不同。此時(shí)關(guān)閉設(shè)備以及在結(jié)束間歇時(shí)啟動(dòng)設(shè)備都需要更多的時(shí)間。在此時(shí)可以關(guān)閉比短間歇中更多的耗電器，此種間歇旨在最大限度地節(jié)能。而重新啟動(dòng)所需的時(shí)間并不重要，這里依然可以將它與一輛手動(dòng)掛檔汽車在遇到紅色信號(hào)燈時(shí)的啟一停自動(dòng)化過程作比較。在此情形中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要耗能器及其若干輔助設(shè)備統(tǒng)統(tǒng)被關(guān)掉。當(dāng)信號(hào)燈正由黃色轉(zhuǎn)為綠色時(shí)，這表明間歇結(jié)束，是該啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助設(shè)備的時(shí)候了，這時(shí)你踩動(dòng)離合器并掛上一檔或二檔，便可以繼續(xù)行駛了。

    除此以外，還有第三種情況，即所謂意外間歇。例如，因生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障或因物流堵塞所致。與上述情況不同的是，出現(xiàn)故障的時(shí)間點(diǎn)和長短均為未知數(shù)。為了達(dá)到最大限度的節(jié)能目的，必須能夠從一種節(jié)能狀態(tài)轉(zhuǎn)入到另一種狀態(tài)。如果在出現(xiàn)故障的情況下，確定故障的排除需要更長的時(shí)間，則必須盡可能地繼續(xù)降低能耗，也就是要“重新啟動(dòng)”能源管理。

    第四種應(yīng)用案例十分重要，就是采集能耗測量數(shù)據(jù)。PROFIenergy采集數(shù)據(jù)的格式與數(shù)據(jù)傳輸均已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。同汽車駕駛儀表盤上的計(jì)算機(jī)相似，PROFIenergy可以連續(xù)地采集生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)前的能耗，并把主要應(yīng)用案例，如部分負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)或負(fù)載峰值的避免都充分考慮到，且付諸實(shí)施。因此PROFIenergy為在運(yùn)行期內(nèi)實(shí)現(xiàn)積極的能源管理奠定了基礎(chǔ)。

    2 PROFIenergy指令：簡單而實(shí)用

    為了實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用案例和滿足由此而產(chǎn)生的要求，PROFIenergy提供了一組簡單的指令供用戶使用。指令組分為控制器接口指令和查詢功能指令，如表1所示。

    表1 PROFIenergy指令組

   

    結(jié)構(gòu)既清楚又簡單的PROFIenergy接口以可靠的PROFINET機(jī)制為基礎(chǔ)，在自動(dòng)化設(shè)備中迅速實(shí)現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有程序兼容的擴(kuò)展和在生產(chǎn)實(shí)踐中迅速付諸實(shí)施，是獲得用戶高度認(rèn)同的根本保證。

    控制器接口僅包含兩個(gè)指令：“Start_Pause”和“End_Pause”。在間歇開始時(shí)，用戶僅從上位控制器將指令“Start_Pause”發(fā)往要關(guān)閉的設(shè)備，并將指令參數(shù)——間歇時(shí)間的長度一并交付。當(dāng)要重新啟動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，他將指令“End_Pause”發(fā)送給即將被接通的設(shè)備。這兩個(gè)指令恰好反映了用戶的想法。生產(chǎn)設(shè)備的操作者最清楚他在何時(shí)需要何種設(shè)備。他也最了解生產(chǎn)設(shè)備的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀況以及計(jì)劃內(nèi)安排的停機(jī)時(shí)間，例如兩班制、三班制，及其時(shí)間段。他可以非常恰當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備的關(guān)閉與重啟。此外，他不必過慮是否需要將指令發(fā)往一個(gè)簡單的IO-站點(diǎn)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器或者一個(gè)復(fù)雜的機(jī)床。也就是說，他不需要掌握下端技術(shù)與工藝。

                         

    圖2 控制器了解生產(chǎn)設(shè)備的工藝，PROFIenergy提供賦予設(shè)備的時(shí)間特性。這兩者是協(xié)調(diào)關(guān)閉生產(chǎn)間歇中用不著的耗電器之基礎(chǔ)

    上述優(yōu)化過程是由機(jī)器供應(yīng)商為用戶打造的。機(jī)器制造商掌握了相關(guān)的生產(chǎn)工藝（例如，切削、粘接或焊接），可以自行決定如何在間歇過程中最佳地利用可使用的時(shí)間。例如，可以在短間歇中關(guān)閉一個(gè)粘接機(jī)械手，而在長間歇中則不同，它必須考慮粘接劑會(huì)不會(huì)硬化，在間歇結(jié)束時(shí)要重新確認(rèn)粘接質(zhì)量不成問題，且不會(huì)生產(chǎn)出廢品。為此，機(jī)器能夠獨(dú)自處理，無需設(shè)備操作者煩心。

    3 PROFIenergy在實(shí)踐中的例子

    PROFIenergy的兩個(gè)指令“Start_Pause”和“End_Pause”如何在生產(chǎn)實(shí)踐中付諸實(shí)施，可用下面的例子來說明。

    簡易的生產(chǎn)設(shè)備主要由一個(gè)上位控制器組成，它控制著一個(gè)下位傳送帶和一個(gè)機(jī)械手。在傳送器和機(jī)器手之間存在著一種技術(shù)依賴關(guān)系，這是由工藝過程所決定的；傳送帶必須在機(jī)械手之后的2min關(guān)閉，又必須在機(jī)械手之前2min啟動(dòng)。

    PROFIenergy為傳送帶和機(jī)械手提供時(shí)間信息。傳送帶的關(guān)閉時(shí)間為1min，接通時(shí)間同樣為1min。其次，設(shè)備在重新啟動(dòng)之前必須至少關(guān)閉2min。因此，最短間歇時(shí)間為4min。

    用戶通過將技術(shù)知識(shí)同針對(duì)各個(gè)設(shè)備的時(shí)間特性相結(jié)合，就可以確定停—啟的順序，并將其編制成程序。

    由圖3可見，間歇從12:00開始，此時(shí)，用戶從上位控制器將指令“Start_Pause，45min”發(fā)送至機(jī)械手。機(jī)械手在3min之后停下來。此時(shí)的傳送帶還必須運(yùn)行2min。也就是說，在12:05用戶將相應(yīng)的指令發(fā)送給傳送帶。后者在12:06進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。

                 

                圖3 PROFIenergy在實(shí)踐中的例子：協(xié)調(diào)一臺(tái)傳送設(shè)備的啟與停

    在重啟時(shí)，用戶可以倒過來算。機(jī)械手最長的啟動(dòng)時(shí)間為5min。如果整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)當(dāng)在12:45重啟，那么指令“End_Pause”最遲必須在12:45到達(dá)機(jī)械手。因?yàn)閭魉蛶г谏a(chǎn)開始之前2min，即12:43必須重新運(yùn)行，而用戶也知道傳送帶有1min的啟動(dòng)時(shí)間，他必須最遲在12:42將啟動(dòng)指令送達(dá)傳送帶。這個(gè)簡單的例子表明，在了解了生產(chǎn)設(shè)備中的技術(shù)相互依賴關(guān)系并掌握了設(shè)備特定的知識(shí)之后，即使最復(fù)雜的依賴關(guān)系也能夠使用PROFIenergy來進(jìn)行協(xié)調(diào)和編程。因此，用戶可以將其設(shè)備按照作業(yè)特點(diǎn)減速運(yùn)轉(zhuǎn)和停車，并在間歇結(jié)束后安全而可靠地重新啟動(dòng)。

     圖4以一臺(tái)焊接機(jī)器人的運(yùn)行曲線圖為例，說明使用與不使用PROFIenergy的間歇中的能耗對(duì)比。


                 
      
                            圖4 用與不用PROFIenergy的能耗對(duì)比

    圖5所示為PROFIenergy指令按時(shí)順序發(fā)送，以使所有設(shè)備在17:45全部進(jìn)入準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)。

                 

                       圖5 PROFIenergy的指令按時(shí)控制設(shè)備的間歇與運(yùn)轉(zhuǎn)

    圖6所示為基于PROFINET，采用PROFIenergy的新型節(jié)能增效控制系統(tǒng)，可使間歇中的能耗降低80%。在該系統(tǒng)中關(guān)閉各耗電器不再需要外界硬件繼電器觸點(diǎn)的布纜接線。

                 

                        圖6 采用PROFIenergy的新型節(jié)能增效控制系統(tǒng)

    4 節(jié)能狀態(tài)信息

    如圖1所示，PROFIenergy可以從設(shè)備中讀出格式統(tǒng)一的能耗數(shù)據(jù)，如電功率。在運(yùn)行中采集這些數(shù)據(jù)并在一臺(tái)操作設(shè)備上加以顯示。它保證的統(tǒng)一的格式與結(jié)構(gòu)將這些測量數(shù)據(jù)（如變頻器或電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器）提供給用戶進(jìn)行下一步處理。

    PROFIenergy對(duì)能流進(jìn)行測量與顯示的功能是企業(yè)在持續(xù)生產(chǎn)中實(shí)施積極的負(fù)荷與能源管理的基礎(chǔ)。

    PROFIenergy的狀態(tài)功能涉及一些重要的指令（圖1）。指令“Device-Identify”使用戶可以讀出支持某個(gè)設(shè)備的所有指令。例如，一臺(tái)測量設(shè)備不會(huì)被強(qiáng)制地支持指令“Start-Pause”和“End-Pause”，而僅支持指令“Query-Measurement”。用戶借助指令“Query-Mode”可讀出時(shí)間信息和能耗信息。在復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備中，例如機(jī)床和機(jī)器人，可以想象得出，這類設(shè)備根據(jù)間歇時(shí)間的長短，而處于不同的節(jié)能狀態(tài)。其中任何一種狀態(tài)都可以用關(guān)閉時(shí)間、接通時(shí)間以及最短逗留時(shí)間加以描述。對(duì)于用戶而言，關(guān)閉與啟動(dòng)設(shè)備所需的能耗同樣是關(guān)系重大的。有時(shí)候讓設(shè)備在間歇時(shí)間繼續(xù)運(yùn)行，也不無道理，因?yàn)殛P(guān)閉和啟動(dòng)往往需要更多的能量。

    指令“PEM-Status”(生產(chǎn)能源管理)包含了與“Query-Mode”一樣的信息，但只是針對(duì)機(jī)器的眼前狀態(tài)。它也精確地包含了某個(gè)狀態(tài)的當(dāng)前實(shí)際值。

    至于最后一條指令“Query-Measurement”，它可以使用戶首先讀出受支持的測量值目錄。然后 ，他可以從中獲取單一或多個(gè)測量值。這就有可能使用戶在其程序中定義所謂“View”，其目的在于將變量訪問次數(shù)降低至最小，以使針對(duì)各個(gè)設(shè)備組的觀測方法一致。

    5 結(jié)束語

    自動(dòng)化設(shè)備制造商和生產(chǎn)設(shè)備制造商應(yīng)用PROFIenergy可以將節(jié)能方案迅速、有效地在其產(chǎn)品中付諸實(shí)施。對(duì)現(xiàn)有的程序庫和工廠標(biāo)準(zhǔn)的兼容性是有保證的。PROFIenergy是以PROFINET機(jī)制為基礎(chǔ)，將其引用到各類設(shè)備之中，也是順理成章的事。而研發(fā)費(fèi)用同產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)效益相比，是非常劃算的。

    從2010年4月德國漢諾威博覽會(huì)上獲悉，西門子和其它一些PI會(huì)員公司已經(jīng)將應(yīng)用PROFIenergy的首批產(chǎn)品推向了市場，并在汽車和機(jī)器制造業(yè)中的應(yīng)用大獲成功。

    在國內(nèi)，尤其在2010上海世博會(huì)上，PROFIenergy已經(jīng)引起了廣大業(yè)內(nèi)人士和用戶的極大興趣和關(guān)注。筆者認(rèn)為,在適當(dāng)時(shí)機(jī)將PROFIenergy行規(guī)V1.0引入中國標(biāo)準(zhǔn)化體系是非常必要的和有益的，這將為促進(jìn)和規(guī)范PROFIenergy這一先進(jìn)技術(shù)在中國的推廣和應(yīng)用創(chuàng)造良好的條件。

    可以預(yù)見，將有一大批應(yīng)用PROFIenergy的生產(chǎn)設(shè)備在歐洲、中國乃至世界各地陸續(xù)投入運(yùn)行。

    參考文獻(xiàn)：
    [1]www.profibus.com
    [2]www.profinet.com
    [3]PNO:PROFIenergy Energiekosten senken,einfach and herstellerunabhaengig，Mai 2010.
    [4]Nobert Brousek:RPOFIenergy in der Praxis, mpa 1/2-2010.