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用数据驱动数字工厂，实现效率提升（可持续发展系列#5）
本文为系列文章的第五篇。此系列文章旨在阐明创新技术平台和软件解决方案如何支持气候科技，并邀请其他各方就能源和可持续发展的未来展开对话。 点击此处查看第四篇文章“管理、转换和存储：过渡到分布式能源网格”。
如今，工业建筑和工厂的管理者迎来了一个关键节点：在能源消耗持续增长的同时，如何在满足苛刻的设施技术要求的前提下，努力实现宏大的能效目标？工厂经理能否成功应对这一挑战，取决于他们如何回答以下问题：哪些投资可以提高能效、减少排放并增强竞争力？
对许多人来说，回答这个问题的关键在于从工厂车间获取新的数据流和洞察，以增强运营理解并实现实时生产优化。
通过全面提升能源效率（不仅仅是工厂），到2040年可以实现《巴黎协定》减排目标的40%以上2。另一方面，如果我们要在2050年实现净零排放，那么用于工厂供暖、制冷或供电的每单位能源都应实现更高能效3。我们需要了解现有生产流程中哪些地方浪费了能源，并探索哪个环节可以提高生产力。
然而，实时测量不足阻碍了现有工厂的升级。为了敏锐地识别提高效率的机会，我们需要捕捉资产级别和产品流方面的信息。
幸运的是，工厂连接和数字化有助于捕获资产级别的实时数据，这一难题也迎刃而解。提高工厂运营可见性可以帮助消除瓶颈，延长资产寿命，减少原材料使用量，从而有助于降低能源消耗并提升利用率。
“数据是数字工厂的燃料。算力、连接带宽和灵活性正不断提高，以及控制功能与计算主机逐渐解耦，工厂正在向软件定义自动化转型。这即增加了产量，也在给定生产水平下优化了能源使用，从而提高了工厂的适应性和运营效率。”Aurelien Le Sant
首席技术官，工业自动化创新与技术高级副总裁|施耐德电气 | Schneider Electric
什么是数字化联网工厂？
数字工厂依赖于数据，主要由三个关键要素构成：连接性、先进自动化和工厂车间的传感器化。数据和传感器洞察可以帮助我们做出更明智的决策，而部署自动化和机器人技术可以简化运营。这将带来实用的见解，帮助我们优化运营、降低能源消耗和减少浪费。
利用三大关键因素来提高能效：连接、控制、解译
连接：混合工厂网络
制造商需要增强连接能力，以便访问和分析整个工厂车间的数据，从而在满足降低能源消耗目标的同时释放产能。传输、分析数据以及将这些数据与现有信息流合并的能力至关重要。这实际上是数字化的第一要素，即增加实时和非实时连接以获取运营洞察。
遗憾的是，工厂网络中的传统现场总线技术限制了其带宽、时间敏感性和无线设备支持能力。升级到具有无缝设备连接和直接IP寻址能力的统一工厂网络，可实现近乎实时的通信、独立节点配置和可扩展的运营洞察共享。增强的有线和无线连接，加上更高的安全性和易部署性，使公司能够利用工厂设备生成的大量数据来提高生产力和能源效率。
控制：创建灵活的自动化控制
为了保持生产稳定性、产品质量一致性和高可用性/正常运行能力，整个制造业对灵活性的需求日益增加。升级的连接网络支持实时数据分析、灵活制造和先进的自动化，使工厂能够根据客户需求和规格快速调整，高效生产个性化和更小批量产品。
凭借可配置、灵活、准确的控制系统，工厂可以通过改变生产流程来优化能源使用，同时尽可能地减少停机时间。精准的设备控制可以改善运营、提高产量、降低能耗并有效减少浪费。
可编程逻辑控制器(PLC)是现代工厂的中央控制系统，I/O卡则负责控制电机、限位开关、泵和液位计等所有设备。新的软件可配置通用I/O解决方案支持轻松灵活地更改工厂设置，从而提高适应性并加快调试和重新配置。
智能灵活的控制系统和先进的机器人系统能够实时感知工人的位置并进行调整，从而可以实现敏捷制造。搭载创新视觉检测技术和复杂算法的移动机器人有助于与工人/人类高效协作，确保机器人持续稳定运作。这可以为人类构建更安全的工作空间，同时提高作业效率。
此外，工业电机与变速驱动器配合使用可以准确控制扭矩、速度和位置，具体请参见之前的Signals+可持续发展系列文章。
解译：通过检测和解译获取新洞察
为发挥数字工厂的潜力，网络边缘（ADI称之为智能边缘）在从资产生成新数据方面起着至关重要的作用。通过在现有资产上部署先进的传感器，可以获取用于维护计划制定、工作流程优化等方面的宝贵信息。更智能、更小巧、更复杂的传感器正在大幅改变工业自动化，实时识别产品缺陷或资产健康状况恶化等潜在问题。
增强的边缘智能与传感器相结合，可以实现更快速、更节能的本地化决策，助力运营效率达到更高水平。传感器融合和智能边缘AI算法可进一步增强性能监控和优化，同时帮助检测偏差。
灯塔工厂：实现数字化转型的承诺
全球灯塔网络(GLN)是世界经济论坛与麦肯锡合作发起的一项倡议，诸多知名制造商均参与其中，共同致力于促进工厂采用数字化和工业4.0技术，从而实现出色运营和更可持续实践。通过培养员工技能、完善战略和确保专注于可扩展执行等一系列举措，GLN取得了许多瞩目成果。成员工厂取得的成就包括：
- 资源使用量减少三分之一以上，同时工厂产量增长三倍
- 效率提高10%以上，在改善质量的同时温室气体排放量减少了一半
- 质量提升300%，同时成本降低20%以上，排放减少四分之一以上
- I客户满意度和员工参与度提高，同时材料损失减少75%以上5
成功的数字工厂始于生态系统连接
目前，数十万家工厂有望通过以下三大关键因素实现数字化，优化整体运营：连接、控制和解译。数字化可以成为制造商实现能效目标和提高生产力的变革性力量。
生态系统参与者可以提供先进技术，进而从智能边缘获取可信、可靠的数据。而联网数字化工厂的成功有赖于制造商与各参与者建立牢固合作关系，此类良好合作可以帮助工厂减少能源消耗和浪费、缩短停机时间并提高生产力。
参考文献
1 “工业领域能源消耗”。EIA.gov。
2“市场报告系列：2018年能源效率”。国际能源署。
3 “2050年实现净零排放目标与全球努力提高能效息息相关”。国际能源署。
4“Senseye预测性维护：2022年真实停机成本”。西门子。
5 “工业4.0大规模应用势在必行”。麦肯锡。
