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    個人簡介：惠敦炎 1956年畢業于河北工學院機械制造專業，先后在機械部儀表局,(電工局)和機械研究院從事儀器儀表與自動化研究，現任西門子（中國）公司自動化與驅動集團自動化系統部高級顧問、TC124委員。近年來主要從事推動中國方面與西門子的合作，將西門子的先進技術轉化為中國標準的工作。

    摘要： 本文簡要介紹了當前歐洲盛行的節能增效新技術—PROFIenergy。應用PROFIenergy可以關閉在生產間歇中不需要的耗電器，從而使企業生產既簡單又可靠地進入優化的節能狀態。

    關鍵詞： PROFIBUS;PROFINET; PROFIenergy;Energy-Management;energy efficiency

    PROFIBUS已經走過了20年的光輝歷程，其節點數多達3000萬以上，成為全球領先的現場總線系統。與其相關的創新技術—PROFINET（節點超過200萬）、PROFIsafe（節點接近100萬）也正在同步迅速地發展。

    當今的國際社會在標準化與法規方面日益將環保與能效管理列為世人關注的焦點。工業的目標應瞄準節約能源，大力減少CO2 排量。在生產環境中，節能減排，降低成本，以確保可持續的競爭優勢，乃是重中之重。

    1 PROFIenergy概述

    以PROFINET機制為基礎的PROFIenergy V1.0，是PI（PROFIBUS&PROFINET International國際組織）根據德國汽車制造商自動化倡議團體（AIDA，其主要會員有：奧迪、寶馬、戴姆勒、大眾以及波士等公司）關于實施“能源管理”的戰略，組織了14個PI會員和大學研究所的科研力量，僅花了九個月的時間于2009年初推出的一部新行規。PROFIenergy V1.0通過珍惜處理有價值的資源將對環保作出積極的貢獻。

    PROFIenergy 行規打開了通往實現“積極的能源管理”之路。自動化設備制造商可以從接口做起；機械設備制造商和生產設備的用戶可以提出將PROFIenergy融入生產實踐中的各種方案。行規的基礎是應用案例（Use-Cases），以下簡要介紹幾個典型的案例。

    PROFIenergy的中心任務是在間歇時間里關閉所有不需要的耗電器。因此，它能增強節能的潛力。根據生產設備周圍的環境，對設備的間歇提出不同的要求，因為任何間歇都有它特定的性質。

    在短間歇（如15min早餐）中節能，應保證生產設備一旦結束間歇，就必須馬上準備運行，因此，在節能和時間上都力求實現優化。舉例來說，駕駛汽車是大家非常熟悉的事情，當你駕車沿山坡下行時，因此刻無需發動機出力，汽車會自動中止噴油。當你行駛到平地上時，踩一下油門，此刻發動機猛然又開足馬力。

    在長間歇中，如夜間或周末，則情況有所不同。此時關閉設備以及在結束間歇時啟動設備都需要更多的時間。在此時可以關閉比短間歇中更多的耗電器，此種間歇旨在最大限度地節能。而重新啟動所需的時間并不重要，這里依然可以將它與一輛手動掛檔汽車在遇到紅色信號燈時的啟一停自動化過程作比較。在此情形中，汽車發動機作為主要耗能器及其若干輔助設備統統被關掉。當信號燈正由黃色轉為綠色時，這表明間歇結束，是該啟動發動機和輔助設備的時候了，這時你踩動離合器并掛上一檔或二檔，便可以繼續行駛了。

    除此以外，還有第三種情況，即所謂意外間歇。例如，因生產設備出現故障或因物流堵塞所致。與上述情況不同的是，出現故障的時間點和長短均為未知數。為了達到最大限度的節能目的，必須能夠從一種節能狀態轉入到另一種狀態。如果在出現故障的情況下，確定故障的排除需要更長的時間，則必須盡可能地繼續降低能耗，也就是要“重新啟動”能源管理。

    第四種應用案例十分重要，就是采集能耗測量數據。PROFIenergy采集數據的格式與數據傳輸均已實現了標準化。同汽車駕駛儀表盤上的計算機相似，PROFIenergy可以連續地采集生產設備當前的能耗，并把主要應用案例，如部分負載運轉或負載峰值的避免都充分考慮到，且付諸實施。因此PROFIenergy為在運行期內實現積極的能源管理奠定了基礎。

    2 PROFIenergy指令：簡單而實用

    為了實現上述應用案例和滿足由此而產生的要求，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

   

    結構既清楚又簡單的PROFIenergy接口以可靠的PROFINET機制為基礎，在自動化設備中迅速實現，對現有程序兼容的擴展和在生產實踐中迅速付諸實施，是獲得用戶高度認同的根本保證。

    控制器接口僅包含兩個指令：“Start_Pause”和“End_Pause”。在間歇開始時，用戶僅從上位控制器將指令“Start_Pause”發往要關閉的設備，并將指令參數——間歇時間的長度一并交付。當要重新啟動生產設備時，他將指令“End_Pause”發送給即將被接通的設備。這兩個指令恰好反映了用戶的想法。生產設備的操作者最清楚他在何時需要何種設備。他也最了解生產設備的負荷運轉狀況以及計劃內安排的停機時間，例如兩班制、三班制，及其時間段。他可以非常恰當地協調各個設備的關閉與重啟。此外，他不必過慮是否需要將指令發往一個簡單的IO-站點，一個驅動器或者一個復雜的機床。也就是說，他不需要掌握下端技術與工藝。

                         

    圖2 控制器了解生產設備的工藝，PROFIenergy提供賦予設備的時間特性。這兩者是協調關閉生產間歇中用不著的耗電器之基礎

    上述優化過程是由機器供應商為用戶打造的。機器制造商掌握了相關的生產工藝（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間。例如，可以在短間歇中關閉一個粘接機械手，而在長間歇中則不同，它必須考慮粘接劑會不會硬化，在間歇結束時要重新確認粘接質量不成問題，且不會生產出廢品。為此，機器能夠獨自處理，無需設備操作者煩心。

    3 PROFIenergy在實踐中的例子

    PROFIenergy的兩個指令“Start_Pause”和“End_Pause”如何在生產實踐中付諸實施，可用下面的例子來說明。

    簡易的生產設備主要由一個上位控制器組成，它控制著一個下位傳送帶和一個機械手。在傳送器和機器手之間存在著一種技術依賴關系，這是由工藝過程所決定的；傳送帶必須在機械手之后的2min關閉，又必須在機械手之前2min啟動。

    PROFIenergy為傳送帶和機械手提供時間信息。傳送帶的關閉時間為1min，接通時間同樣為1min。其次，設備在重新啟動之前必須至少關閉2min。因此，最短間歇時間為4min。

    用戶通過將技術知識同針對各個設備的時間特性相結合，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，用戶從上位控制器將指令“Start_Pause，45min”發送至機械手。機械手在3min之后停下來。此時的傳送帶還必須運行2min。也就是說，在12:05用戶將相應的指令發送給傳送帶。后者在12:06進入停止狀態。

                 

                圖3 PROFIenergy在實踐中的例子：協調一臺傳送設備的啟與停

    在重啟時，用戶可以倒過來算。機械手最長的啟動時間為5min。如果整個生產設備應當在12:45重啟，那么指令“End_Pause”最遲必須在12:45到達機械手。因為傳送帶在生產開始之前2min，即12:43必須重新運行，而用戶也知道傳送帶有1min的啟動時間，他必須最遲在12:42將啟動指令送達傳送帶。這個簡單的例子表明，在了解了生產設備中的技術相互依賴關系并掌握了設備特定的知識之后，即使最復雜的依賴關系也能夠使用PROFIenergy來進行協調和編程。因此，用戶可以將其設備按照作業特點減速運轉和停車，并在間歇結束后安全而可靠地重新啟動。

     圖4以一臺焊接機器人的運行曲線圖為例，說明使用與不使用PROFIenergy的間歇中的能耗對比。


                 
      
                            圖4 用與不用PROFIenergy的能耗對比

    圖5所示為PROFIenergy指令按時順序發送，以使所有設備在17:45全部進入準備運行狀態。

                 

                       圖5 PROFIenergy的指令按時控制設備的間歇與運轉

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

                 

                        圖6 采用PROFIenergy的新型節能增效控制系統

    4 節能狀態信息

    如圖1所示，PROFIenergy可以從設備中讀出格式統一的能耗數據，如電功率。在運行中采集這些數據并在一臺操作設備上加以顯示。它保證的統一的格式與結構將這些測量數據（如變頻器或電動機啟動器）提供給用戶進行下一步處理。

    PROFIenergy對能流進行測量與顯示的功能是企業在持續生產中實施積極的負荷與能源管理的基礎。

    PROFIenergy的狀態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設備的所有指令。例如，一臺測量設備不會被強制地支持指令“Start-Pause”和“End-Pause”，而僅支持指令“Query-Measurement”。用戶借助指令“Query-Mode”可讀出時間信息和能耗信息。在復雜的生產設備中，例如機床和機器人，可以想象得出，這類設備根據間歇時間的長短，而處于不同的節能狀態。其中任何一種狀態都可以用關閉時間、接通時間以及最短逗留時間加以描述。對于用戶而言，關閉與啟動設備所需的能耗同樣是關系重大的。有時候讓設備在間歇時間繼續運行，也不無道理，因為關閉和啟動往往需要更多的能量。

    指令“PEM-Status”(生產能源管理)包含了與“Query-Mode”一樣的信息，但只是針對機器的眼前狀態。它也精確地包含了某個狀態的當前實際值。

    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降低至最小，以使針對各個設備組的觀測方法一致。

    5 結束語

    自動化設備制造商和生產設備制造商應用PROFIenergy可以將節能方案迅速、有效地在其產品中付諸實施。對現有的程序庫和工廠標準的兼容性是有保證的。PROFIenergy是以PROFINET機制為基礎，將其引用到各類設備之中，也是順理成章的事。而研發費用同產生的巨大經濟效益相比，是非常劃算的。

    從2010年4月德國漢諾威博覽會上獲悉，西門子和其它一些PI會員公司已經將應用PROFIenergy的首批產品推向了市場，并在汽車和機器制造業中的應用大獲成功。

    在國內，尤其在2010上海世博會上，PROFIenergy已經引起了廣大業內人士和用戶的極大興趣和關注。筆者認為,在適當時機將PROFIenergy行規V1.0引入中國標準化體系是非常必要的和有益的，這將為促進和規范PROFIenergy這一先進技術在中國的推廣和應用創造良好的條件。

    可以預見，將有一大批應用PROFIenergy的生產設備在歐洲、中國乃至世界各地陸續投入運行。

    參考文獻：
    [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.