能源效率在工业 4.0 中发挥着重要作用

通过连接机器和工具，工业物联网 (IIoT) 使制造公司能够实时提高生产的可见性。IIoT 设备收集的大量数据使您能够优化生产、提高产品和服务的质量、应用预测性维护、自动化供应链等等。IIoT 和工业 4.0 之间的联系非常密切，因为 IIoT 基础设施使工业现实变得完全数字化和智能化。尽管过去两年经济环境艰难，但对 IIoT 的投资呈现出积极趋势，预计未来几年将进一步增长。

能源效率在工业世界中发挥着重要作用。“绿色工厂”的目标不仅是为了满足环境和可持续性的需求，而且是为了提高行业的盈利能力。不断上涨的能源成本及其对环境的影响使能源效率成为工业 4.0 的主要目标之一。

电源管理和能源效率

电源管理系统的任务是实时监控进行工业活动所需的能源，提供与配电参数相关的有用信息并识别模式和趋势。电源管理的主要目标是确保能源供应，尤其是其可用性、可靠性和质量。

另一方面，能源效率更关注与降低成本相关的方面，公司可以通过减少能源损失和减少对环境的影响来实现。现已进入所有主要工业领域的工业 4.0 不能忽视能源效率。这种联系是如此紧密，以至于今天，我们更恰当地谈论能源 4.0，在这种背景下，智能电网允许管理不同的能源（包括可再生能源）及其分配。另一方面，在日益分散的市场中整合不同的能源来源需要能够保证能源消耗的质量、可持续性和效率的管理技术——数字化可以再次帮助实现这些目标。

IIoT 对智能工厂的好处

IIoT 极大地促进了该行业向智能工厂现实的转变，带来了以下好处：

更高的效率：传感器持续监控系统并收集有用的数据，以确定机器的正确运行、流程的进度和能源消耗。这样可以更好地了解资源的使用方式以及是否可以找到更有效的使用方式。

提高安全性：某些生产活动，例如装配、零件成型、检查和机械控制，可能对操作员的健康构成严重风险。远程管理数据采集并将最危险的活动委托给机器人和智能机械的能力使公司能够保证更好地保护工人和维护人员的安全。

减少停机时间：预测性维护允许您估计故障发生前的剩余时间。通过提前计划适当的干预措施，可以降低计划外停机的风险和相关成本，从而确保业务具有更大的弹性。

能源供需平衡：符合 ISO 50001 标准允许行业为自己配备能源管理系统，以不断提高能源效率。通过 ISO 50001 认证，公司能够了解内部能源消耗，并可以监控和减少其能源需求。

能源效率趋势

我们已经看到能源效率如何成为 IIoT 应用的主要目标，以及这如何有助于全面实现工业 4.0 设想的计划。现在将审查能源效率的主要趋势，重点关注技术内容和所提供的好处。

传感器

由于传感器是任何 IIoT 应用的基本元素，因此它们本身非常节能是很重要的。数百或数千个传感器可用于单个 IIoT 应用，因此几个百分点的效率提升具有相当大的意义。此外，由于这些传感器中的大多数都是由电池供电的，因此必须尽可能地延长它们的自主性。图1显示了电表的框图，取自 NXP Semiconductors 的参考设计。所有所需组件（MCU、通信收发器、显示器等）的选择必须优先考虑能够支持具有极低静态电流的低功耗工作模式的低功耗组件。因此，通过对物联网设备进行适当和准确的设计，可以提高传感器的能效。

图 1：电表框图。。（来源：恩智浦半导体）

边缘计算

任何 IIoT 应用程序的主要困境之一是在云上执行的处理和本地处理之间找到正确的折衷方案。第一种的优点是计算能力要求低，但需要更高的带宽和更长的传输时间，从而增加了电流消耗。然而，高性能微控制器的可用性，以及实时运行人工智能算法（如深度学习）的能力，正在推动许多应用程序向边缘计算过渡。

智能电网集成

无需人工干预，智能电网即可监控电力需求的局部变化并自动做出反应。它需要电网与消费者之间的实时双向通信，允许消费者根据个人偏好（如定价和/或环境问题）调整其能源消耗。通过与蜂窝塔或其他类似基础设施进行通信，智能电网会发送重要的统计数据，例如即时用电量、累积功耗、最大需求等。

数字孪生

术语“数字孪生”是指物理资源的虚拟副本，由对象、进程、系统或设备表示。数字孪生用于各种目的，特别是优化生产和预测性维护。因此，与工业 4.0 范式相比，这种方法是最先进的。

混合现实设备允许您创建工业机械的虚拟复制品、查看它们并将它们准确地放置在目标位置、评估正确的尺寸并预测安装阶段的任何问题。通过数字孪生，还可以在不停止生产的情况下进行模拟和压力测试。

能量收集

连接到 IIoT 的设备数量一直在增长。云中的机器学习、能量收集技术和超低功率无线电传输相结合，创建了一个灵活的基础设施，用于监控不需要硬接线电源或通信连接的工业厂房、设备和建筑物。

小而简单的传感器可以利用能量收集从环境中提取能量并将其转换为即用型电源。这些传感器的操作不需要电池，因为它们由环境的热量、光或运动供电。如今，温度、湿度和运动传感器以及执行器几乎可以安装在任何地方。传感器可以相互通信，也可以与控制器或网关通信，这些控制器或网关可以连接到云端，从而实现智能工厂概念。

电源转换效率

在工业厂房中，有许多使用电源或电源转换系统的设备。几年来，趋势一直是几乎完全使用能够提供高效率值的开关电源，但代价是不可忽略的射频发射。在某些应用中，线性转换器（效率较低但几乎为零电磁辐射）仍然是可取的。在 AC/DC 转换器中，有必要引入功率因数校正级来提高信号质量，从而提高转换效率。随着宽带隙半导体的引入，例如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)，现在可以获得进一步的效率改进。由于其优越的物理特性，

智能机器人

在工业中，机器人用于执行以前由人类完成的重复性工作。在这一领域，最新且引人入胜的创新之一是计算机视觉，尤其是立体视觉。立体相机模拟人类的典型视觉能力，使机器人不仅可以感知周围环境，还可以感知图像各个点的深度或距离。这允许在抓握和释放各种类型的物体时具有更高的运动精度和精度。

结论

工业部门消耗了全球大部分能源，因此也是温室气体排放的最大贡献者之一。对环境的更大责任正在刺激人们寻找能够降低能源消耗、提高生产效率和尊重环境的新解决方案。IIoT 和工业 4.0 提供了多种机会来支持这些努力。技术的整体使用，以及通过智能和高效的方法和应用优化的生产流程，可以帮助改进生产流程并降低能源消耗。

审核编辑 黄昊宇