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    個人簡介：惠敦炎 1956年畢業(yè)于河北工學(xué)院機械制造專業(yè)，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(xiàn)任西門子（中國）公司自動化與驅(qū)動集團自動化系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)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(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)點數(shù)多達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)點超過200萬）、PROFIsafe（節(jié)點接近100萬）也正在同步迅速地發(fā)展。

    當今的國際社會在標準化與法規(guī)方面日益將環(huán)保與能效管理列為世人關(guān)注的焦點。工業(yè)的目標應(yīng)瞄準節(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(guān)于實施“能源管理”的戰(zhàn)略，組織了14個PI會員和大學(xué)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(guī)。PROFIenergy V1.0通過珍惜處理有價值的資源將對環(huán)保作出積極的貢獻。

    PROFIenergy 行規(guī)打開了通往實現(xiàn)“積極的能源管理”之路。自動化設(shè)備制造商可以從接口做起；機械設(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），以下簡要介紹幾個典型的案例。

    PROFIenergy的中心任務(wù)是在間歇時間里關(guān)閉所有不需要的耗電器。因此，它能增強節(jié)能的潛力。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備周圍的環(huán)境，對設(shè)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(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，就必須馬上準備運行，因此，在節(jié)能和時間上都力求實現(xiàn)優(yōu)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(fā)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(fā)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(guān)閉設(shè)備以及在結(jié)束間歇時啟動設(shè)備都需要更多的時間。在此時可以關(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(fā)動機作為主要耗能器及其若干輔助設(shè)備統(tǒng)統(tǒng)被關(guān)掉。當信號燈正由黃色轉(zhuǎn)為綠色時，這表明間歇結(jié)束，是該啟動發(fā)動機和輔助設(shè)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(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)故障的時間點和長短均為未知數(shù)。為了達到最大限度的節(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間，則必須盡可能地繼續(xù)降低能耗，也就是要“重新啟動”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)傳輸均已實現(xiàn)了標準化。同汽車駕駛儀表盤上的計算機相似，PROFIenergy可以連續(xù)地采集生產(chǎn)設(shè)備當前的能耗，并把主要應(yīng)用案例，如部分負載運轉(zhuǎn)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(nèi)實現(xiàn)積極的能源管理奠定了基礎(chǔ)。

    2 PROFIenergy指令：簡單而實用

    為了實現(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機制為基礎(chǔ)，在自動化設(shè)備中迅速實現(xiàn)，對現(xiàn)有程序兼容的擴展和在生產(chǎn)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(fā)往要關(guān)閉的設(shè)備，并將指令參數(shù)——間歇時間的長度一并交付。當要重新啟動生產(chǎn)設(shè)備時，他將指令“End_Pause”發(fā)送給即將被接通的設(shè)備。這兩個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需要何種設(shè)備。他也最了解生產(chǎn)設(shè)備的負荷運轉(zhuǎn)狀況以及計劃內(nèi)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?shù)貐f(xié)調(diào)各個設(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)往一個簡單的IO-站點，一個驅(qū)動器或者一個復(fù)雜的機床。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)化過程是由機器供應(yīng)商為用戶打造的。機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間。例如，可以在短間歇中關(guān)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(jié)束時要重新確認粘接質(zhì)量不成問題，且不會生產(chǎn)出廢品。為此，機器能夠獨自處理，無需設(shè)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(chǎn)實踐中付諸實施，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(shù)依賴關(guān)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(guān)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(guān)閉時間為1min，接通時間同樣為1min。其次，設(shè)備在重新啟動之前必須至少關(guān)閉2min。因此，最短間歇時間為4min。

    用戶通過將技術(shù)知識同針對各個設(shè)備的時間特性相結(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，用戶從上位控制器將指令“Start_Pause，45min”發(fā)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(yīng)的指令發(fā)送給傳送帶。后者在12:06進入停止狀態(tài)。

                 

                圖3 PROFIenergy在實踐中的例子：協(xié)調(diào)一臺傳送設(shè)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(chǎn)設(shè)備應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)設(shè)備中的技術(shù)相互依賴關(guān)系并掌握了設(shè)備特定的知識之后，即使最復(fù)雜的依賴關(guān)系也能夠使用PROFIenergy來進行協(xié)調(diào)和編程。因此，用戶可以將其設(shè)備按照作業(yè)特點減速運轉(zhuǎn)和停車，并在間歇結(jié)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(fā)送，以使所有設(shè)備在17:45全部進入準備運行狀態(tài)。

                 

                       圖5 PROFIenergy的指令按時控制設(shè)備的間歇與運轉(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。在運行中采集這些數(shù)據(jù)并在一臺操作設(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(yè)在持續(xù)生產(chǎn)中實施積極的負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設(shè)備的所有指令。例如，一臺測量設(shè)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(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備中，例如機床和機器人，可以想象得出，這類設(shè)備根據(jù)間歇時間的長短，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)閉時間、接通時間以及最短逗留時間加以描述。對于用戶而言，關(guān)閉與啟動設(shè)備所需的能耗同樣是關(guān)系重大的。有時候讓設(shè)備在間歇時間繼續(xù)運行，也不無道理，因為關(guān)閉和啟動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，但只是針對機器的眼前狀態(tài)。它也精確地包含了某個狀態(tài)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(shù)降低至最小，以使針對各個設(shè)備組的觀測方法一致。

    5 結(jié)束語

    自動化設(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)品中付諸實施。對現(xiàn)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(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)費用同產(chǎn)生的巨大經(jīng)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(jīng)將應(yīng)用PROFIenergy的首批產(chǎn)品推向了市場，并在汽車和機器制造業(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。筆者認為,在適當時機將PROFIenergy行規(guī)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(guī)范PROFIenergy這一先進技術(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.