個(gè)人簡(jiǎn)介：惠敦炎 1956年畢業(yè)于河北工學(xué)院機械制造專(zhuān)業(yè)，先后在機械部?jì)x表局,(電工局)和機械研究院從事儀器儀表與自動(dòng)化研究，現任西門(mén)子（中國）公司自動(dòng)化與驅動(dòng)集團自動(dòng)化系統部高級顧問(wèn)、TC124委員。近年來(lái)主要從事推動(dòng)中國方面與西門(mén)子的合作，將西門(mén)子的先進(jìn)技術(shù)轉化為中國標準的工作。

    摘要： 本文簡(jiǎn)要介紹了當前歐洲盛行的節能增效新技術(shù)—PROFIenergy。應用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(jiǎn)單又可靠地進(jìn)入優(yōu)化的節能狀態(tài)。

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

    PROFIBUS已經(jīng)走過(guò)了20年的光輝歷程，其節點(diǎn)數多達3000萬(wàn)以上，成為全球領(lǐng)先的現場(chǎng)總線(xiàn)系統。與其相關(guān)的創(chuàng )新技術(shù)—PROFINET（節點(diǎn)超過(guò)200萬(wàn)）、PROFIsafe（節點(diǎn)接近100萬(wàn)）也正在同步迅速地發(fā)展。

    當今的國際社會(huì )在標準化與法規方面日益將環(huán)保與能效管理列為世人關(guān)注的焦點(diǎn)。工業(yè)的目標應瞄準節約能源，大力減少CO2 排量。在生產(chǎn)環(huán)境中，節能減排，降低成本，以確?？沙掷m的競爭優(yōu)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(chē)制造商自動(dòng)化倡議團體（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。PROFIenergy V1.0通過(guò)珍惜處理有價(jià)值的資源將對環(huán)保作出積極的貢獻。

    PROFIenergy 行規打開(kāi)了通往實(shí)現“積極的能源管理”之路。自動(dòng)化設備制造商可以從接口做起；機械設備制造商和生產(chǎn)設備的用戶(hù)可以提出將PROFIenergy融入生產(chǎn)實(shí)踐中的各種方案。行規的基礎是應用案例（Use-Cases），以下簡(jiǎn)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，它能增強節能的潛力。根據生產(chǎn)設備周?chē)沫h(huán)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(zhì)。

    在短間歇（如15min早餐）中節能，應保證生產(chǎn)設備一旦結束間歇，就必須馬上準備運行，因此，在節能和時(shí)間上都力求實(shí)現優(yōu)化。舉例來(lái)說(shuō)，駕駛汽車(chē)是大家非常熟悉的事情，當你駕車(chē)沿山坡下行時(shí)，因此刻無(wú)需發(fā)動(dòng)機出力，汽車(chē)會(huì )自動(dòng)中止噴油。當你行駛到平地上時(shí)，踩一下油門(mén)，此刻發(fā)動(dòng)機猛然又開(kāi)足馬力。

    在長(cháng)間歇中，如夜間或周末，則情況有所不同。此時(shí)關(guān)閉設備以及在結束間歇時(shí)啟動(dòng)設備都需要更多的時(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(chē)在遇到紅色信號燈時(shí)的啟一停自動(dòng)化過(guò)程作比較。在此情形中，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機作為主要耗能器及其若干輔助設備統統被關(guān)掉。當信號燈正由黃色轉為綠色時(shí)，這表明間歇結束，是該啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機和輔助設備的時(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(shí)間點(diǎn)和長(cháng)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(tài)轉入到另一種狀態(tài)。如果在出現故障的情況下，確定故障的排除需要更長(cháng)的時(shí)間，則必須盡可能地繼續降低能耗，也就是要“重新啟動(dòng)”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(shí)現了標準化。同汽車(chē)駕駛儀表盤(pán)上的計算機相似，PROFIenergy可以連續地采集生產(chǎn)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(shí)施。因此PROFIenergy為在運行期內實(shí)現積極的能源管理奠定了基礎。

    2 PROFIenergy指令：簡(jiǎn)單而實(shí)用

    為了實(shí)現上述應用案例和滿(mǎn)足由此而產(chǎn)生的要求，PROFIenergy提供了一組簡(jiǎn)單的指令供用戶(hù)使用。指令組分為控制器接口指令和查詢(xún)功能指令，如表1所示。

    表1 PROFIenergy指令組

   

    結構既清楚又簡(jiǎn)單的PROFIenergy接口以可靠的PROFINET機制為基礎，在自動(dòng)化設備中迅速實(shí)現，對現有程序兼容的擴展和在生產(chǎn)實(shí)踐中迅速付諸實(shí)施，是獲得用戶(hù)高度認同的根本保證。

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

                         

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

    上述優(yōu)化過(guò)程是由機器供應商為用戶(hù)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(guò)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)粘接機械手，而在長(cháng)間歇中則不同，它必須考慮粘接劑會(huì )不會(huì )硬化，在間歇結束時(shí)要重新確認粘接質(zhì)量不成問(wèn)題，且不會(huì )生產(chǎn)出廢品。為此，機器能夠獨自處理，無(wú)需設備操作者煩心。

    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(lái)說(shuō)明。

    簡(jiǎn)易的生產(chǎn)設備主要由一個(gè)上位控制器組成，它控制著(zhù)一個(gè)下位傳送帶和一個(gè)機械手。在傳送器和機器手之間存在著(zhù)一種技術(shù)依賴(lài)關(guān)系，這是由工藝過(guò)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(dòng)。

    PROFIenergy為傳送帶和機械手提供時(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(hù)通過(guò)將技術(shù)知識同針對各個(gè)設備的時(shí)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(jiàn)，間歇從12:00開(kāi)始，此時(shí)，用戶(hù)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(lái)。此時(shí)的傳送帶還必須運行2min。也就是說(shuō)，在12:05用戶(hù)將相應的指令發(fā)送給傳送帶。后者在12:06進(jìn)入停止狀態(tài)。

                 

                圖3 PROFIenergy在實(shí)踐中的例子：協(xié)調一臺傳送設備的啟與停

    在重啟時(shí)，用戶(hù)可以倒過(guò)來(lái)算。機械手最長(cháng)的啟動(dòng)時(shí)間為5min。如果整個(gè)生產(chǎn)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(chǎn)開(kāi)始之前2min，即12:43必須重新運行，而用戶(hù)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)指令送達傳送帶。這個(gè)簡(jiǎn)單的例子表明，在了解了生產(chǎn)設備中的技術(shù)相互依賴(lài)關(guān)系并掌握了設備特定的知識之后，即使最復雜的依賴(lài)關(guān)系也能夠使用PROFIenergy來(lái)進(jìn)行協(xié)調和編程。因此，用戶(hù)可以將其設備按照作業(yè)特點(diǎn)減速運轉和停車(chē)，并在間歇結束后安全而可靠地重新啟動(dòng)。

     圖4以一臺焊接機器人的運行曲線(xiàn)圖為例，說(shuō)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(shí)順序發(fā)送，以使所有設備在17:45全部進(jìn)入準備運行狀態(tài)。

                 

                       圖5 PROFIenergy的指令按時(shí)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(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(xiàn)。

                 

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

    4 節能狀態(tài)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(dòng)機啟動(dòng)器）提供給用戶(hù)進(jìn)行下一步處理。

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

    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(hù)可以讀出支持某個(gè)設備的所有指令。例如，一臺測量設備不會(huì )被強制地支持指令“Start-Pause”和“End-Pause”，而僅支持指令“Query-Measurement”。用戶(hù)借助指令“Query-Mode”可讀出時(shí)間信息和能耗信息。在復雜的生產(chǎn)設備中，例如機床和機器人，可以想象得出，這類(lèi)設備根據間歇時(shí)間的長(cháng)短，而處于不同的節能狀態(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。對于用戶(hù)而言，關(guān)閉與啟動(dòng)設備所需的能耗同樣是關(guān)系重大的。有時(shí)候讓設備在間歇時(shí)間繼續運行，也不無(wú)道理，因為關(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，但只是針對機器的眼前狀態(tài)。它也精確地包含了某個(gè)狀態(tài)的當前實(shí)際值。

    至于最后一條指令“Query-Measurement”，它可以使用戶(hù)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(hù)在其程序中定義所謂“View”，其目的在于將變量訪(fǎng)問(wèn)次數降低至最小，以使針對各個(gè)設備組的觀(guān)測方法一致。

    5 結束語(yǔ)

    自動(dòng)化設備制造商和生產(chǎn)設備制造商應用PROFIenergy可以將節能方案迅速、有效地在其產(chǎn)品中付諸實(shí)施。對現有的程序庫和工廠(chǎng)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(lèi)設備之中，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(huì )上獲悉，西門(mén)子和其它一些PI會(huì )員公司已經(jīng)將應用PROFIenergy的首批產(chǎn)品推向了市場(chǎng)，并在汽車(chē)和機器制造業(yè)中的應用大獲成功。

    在國內，尤其在2010上海世博會(huì )上，PROFIenergy已經(jīng)引起了廣大業(yè)內人士和用戶(hù)的極大興趣和關(guān)注。筆者認為,在適當時(shí)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(jìn)和規范PROFIenergy這一先進(jìn)技術(shù)在中國的推廣和應用創(chuàng )造良好的條件。

    可以預見(jiàn)，將有一大批應用PROFIenergy的生產(chǎn)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.