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圖片來(lái)源：艾默生

制造企業(yè)正在努力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是提高效率和減少碳足跡項(xiàng)目的基礎(chǔ)。

人們一度認(rèn)為，如果一家公司有足夠的資本和資源長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)下去，甚至發(fā)展壯大，那么它就是可持續(xù)的?，F(xiàn)在，可持續(xù)性的含義已經(jīng)發(fā)展到：一家公司的活動(dòng)是否可以最大限度地減少對(duì)氣候變化的影響，并負(fù)責(zé)任地使用資源。當(dāng)然，前面的因素仍然適用，但僅僅是盈利能力還不夠。

首要問題是不受限制地使用化石燃料和相關(guān)排放物，這主要是對(duì)氣候變化的擔(dān)憂。其它問題也延伸到了更多領(lǐng)域，例如過度排放、能源效率低下、過度使用水和其它稀缺資源。想要做出改變的公司往往會(huì)陷入困惑，試圖了解利益相關(guān)者的需求。制造企業(yè)如何將“減少碳足跡”付諸實(shí)踐？如何衡量成功與否？

01 工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的四個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域

一些過程制造企業(yè)可能會(huì)探索一項(xiàng)重大的過程變革以擺脫碳?xì)浠衔镌?，但目前?yīng)專注于四個(gè)常見領(lǐng)域的改進(jìn)：

1. 減少蒸汽疏水閥浪費(fèi)的能源；
2. 監(jiān)測(cè)和減少泄壓閥的排放；
3. 監(jiān)測(cè)熱交換器的效率并減少能源使用；
4. 減少設(shè)施照明的能耗。

這些領(lǐng)域的改進(jìn)降低了運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)通過以下方式促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃：

■ 減少過程浪費(fèi)；

■ 提高過程效率；

■ 減少能源消耗和由此產(chǎn)生的溫室氣體排放；

■ 減少水和空氣污染；

■ 提高維護(hù)效率和設(shè)備可用性。

與可持續(xù)發(fā)展并行的是數(shù)字化轉(zhuǎn)型，即整合數(shù)字化能力以提高績(jī)效的戰(zhàn)略。數(shù)字化轉(zhuǎn)型本身并不能提高可持續(xù)性，但它為制定相關(guān)KPI，以跟蹤可持續(xù)性計(jì)劃的有效性提供了關(guān)鍵工具。

實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的第一步是確定在哪些方面改進(jìn)收益最大。不幸的是，發(fā)現(xiàn)這些方面所需要的信息通常不是過程控制或監(jiān)控的變量。實(shí)施需要從部署新的傳感器開始，以監(jiān)控與能耗、資產(chǎn)狀況和其它因素相關(guān)的變量。這可能會(huì)帶來(lái)問題，因?yàn)椴季€和系統(tǒng)集成的成本往往超過傳感器的成本。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)徹底改變了局面。只需在物理設(shè)施上安裝傳感器，每個(gè)傳感器都可以通過WirelessHART與主機(jī)系統(tǒng)通信，因此無(wú)需安裝電纜，從而大大降低了安裝成本和時(shí)間。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)與設(shè)施內(nèi)更大的Wi-Fi和以太網(wǎng)無(wú)縫集成（圖1），因此向主機(jī)系統(tǒng)（如資產(chǎn)管理系統(tǒng)）發(fā)送數(shù)據(jù)更簡(jiǎn)單、更高效。

圖1：部署WirelessHART設(shè)備的能力使監(jiān)控系統(tǒng)更易于實(shí)施。

預(yù)配置的數(shù)據(jù)分析工具可以收集原始傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理，并通過交互式儀表板將其呈現(xiàn)給可靠性和維護(hù)團(tuán)隊(duì)。這些運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）信息還與IT系統(tǒng)、云和公司網(wǎng)絡(luò)集成。在大多數(shù)情況下，配置需求很小，不需要系統(tǒng)集成的幫助。這種方法是可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃的基本組成部分，也是關(guān)鍵的技術(shù)要素。

消除布線基礎(chǔ)設(shè)施可以節(jié)省大量的銅、鋁、鋼、塑料，以及由于石油原料和金屬開采所產(chǎn)生的材料。再加上消除了設(shè)計(jì)、運(yùn)輸、安裝和維護(hù)所需的勞動(dòng)力，WirelessHART網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，成本降低了70%甚至更多。

下文所述的可持續(xù)性項(xiàng)目類型，可減少能源消耗、提高效率、減少排放和過程廢物，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)多種效益。一些項(xiàng)目通過更有效的維護(hù)來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備壽命，也會(huì)提高安全性，減少環(huán)境和其它事故。

02 蒸汽疏水閥：減少能源浪費(fèi)

蒸汽一旦做功，就會(huì)凝結(jié)成水。蒸汽疏水閥將冷凝水從新蒸汽管線中分離出來(lái)，這會(huì)降低整體能源效率，但為了保護(hù)設(shè)備，它又是必須的。疏水閥是一種自動(dòng)打開和關(guān)閉以釋放冷凝水的閥門。因此，所有設(shè)計(jì)都有一些活動(dòng)部件。不幸的是，管線中的水垢可能會(huì)脫落并停留在容易出問題的地方，如閥座或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)上，每年對(duì)蒸汽疏水閥系統(tǒng)進(jìn)行檢查，通常通過診斷對(duì)疏水閥狀況進(jìn)行分類：

■ 可見的蒸汽泄漏：主要機(jī)械故障直接浪費(fèi)蒸汽；

■ 吹掃：連續(xù)將蒸汽直接排放到排水管中，浪費(fèi)蒸汽；

■ 低溫：卡在關(guān)閉位置，無(wú)法釋放冷凝水，導(dǎo)致冷凝水回流，降低蒸汽質(zhì)量，并可能導(dǎo)致破壞性水錘事件；

■ 正常工作：有效去除冷凝水。

最近的一項(xiàng)研究表明，在大型化學(xué)制造設(shè)施中，每年會(huì)有18%的蒸汽疏水器發(fā)生故障，導(dǎo)致每個(gè)故障疏水器浪費(fèi)的能源成本高達(dá)16000美元。鑒于對(duì)大多數(shù)工廠來(lái)說，蒸汽都是能源預(yù)算中的一個(gè)重要項(xiàng)目，減少這種浪費(fèi)在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面效果可能是立竿見影的。

大多數(shù)疏水閥不會(huì)連續(xù)釋放冷凝水。在正常條件下，如果尺寸正確，蒸汽疏水閥會(huì)間歇性打開，排出冷凝液。該動(dòng)作會(huì)通過相鄰管道傳遞噪聲。安裝在附近的聲學(xué)發(fā)射器（圖2），可以檢測(cè)到周期性的聲音，算法可以了解其特征活動(dòng)。每個(gè)設(shè)備通過WirelessHART，將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央分析平臺(tái)，運(yùn)行人員在該平臺(tái)上監(jiān)控所有配備有聲學(xué)變送器的蒸汽疏水閥的運(yùn)行情況。

圖2：艾默生羅斯蒙特708無(wú)線聲學(xué)變送器通過分析超聲波噪聲特征，提供蒸汽疏水閥運(yùn)行和狀態(tài)的可見性。

儀表板會(huì)指示哪些疏水閥工作正常，哪些處于故障模式。該軟件可以隨時(shí)估計(jì)損失的能源和由此產(chǎn)生的成本。維護(hù)人員了解哪些疏水閥需要注意，并據(jù)此進(jìn)行規(guī)劃。

03 泄壓閥：減少排放和損失

加壓系統(tǒng)必須有一種機(jī)制（通常是一個(gè)泄壓閥），使內(nèi)部壓力在高到危險(xiǎn)限值之前釋放。監(jiān)測(cè)泄壓閥的狀態(tài)和活動(dòng)，應(yīng)是電廠正常運(yùn)行的一部分，但典型的泄壓閥內(nèi)部沒有能向自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)送信息的機(jī)制。

監(jiān)控泄壓閥借鑒了傳統(tǒng)的維護(hù)技術(shù)：聽。與蒸汽疏水閥相同的聲學(xué)監(jiān)測(cè)裝置被直接安裝在泄壓閥附近的管道上。它可以捕捉通過閥座的流體所發(fā)出的、經(jīng)由金屬傳輸?shù)某暡ā?/p>

當(dāng)泄壓閥打開，釋放液體、氣體或兩者的混合物時(shí)，聲學(xué)監(jiān)測(cè)器會(huì)向自動(dòng)化系統(tǒng)報(bào)告產(chǎn)生的任何噪音。一旦系統(tǒng)的壓力釋放，閥門應(yīng)關(guān)閉并再次密封，噪音將停止。聲學(xué)監(jiān)測(cè)器的數(shù)據(jù)通過圖形儀表板（圖3），報(bào)告釋放開始和結(jié)束的時(shí)間，同時(shí)根據(jù)噪聲幅度來(lái)表征釋放量的大小。

圖3：為泄壓閥設(shè)計(jì)的Plantweb Insight儀表板會(huì)對(duì)釋放進(jìn)行計(jì)時(shí)，如果釋放后閥門沒有完全關(guān)閉，它還會(huì)向維護(hù)團(tuán)隊(duì)發(fā)出警報(bào)。

如果沒有泄壓閥監(jiān)測(cè)，運(yùn)行人員不會(huì)意識(shí)到泄漏，直到他們注意到火炬或泄壓系統(tǒng)的流量增加。他們的第一個(gè)反應(yīng)是根據(jù)過程知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，確定泄露源在哪里，例如，查看過程的哪個(gè)部分處于較高壓力。當(dāng)泄壓閥被監(jiān)測(cè)時(shí)，運(yùn)行人員可以縮短響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)閭鞲衅鲗⑦\(yùn)行人員引導(dǎo)到事件發(fā)生的位置。這有助于減少排放的持續(xù)時(shí)間、數(shù)量，這是可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃的關(guān)鍵目標(biāo)之一。

一個(gè)常見的問題是重新密封不徹底。如果閥座損壞或微粒滯留在閥門中，閥門可能無(wú)法完全關(guān)閉，使其永久“沸騰”，將產(chǎn)品釋放到裝置的污染控制系統(tǒng)中，或者在最壞的情況下直接釋放到大氣中。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，運(yùn)行人員可能需要數(shù)小時(shí)或數(shù)天才能意識(shí)到存在的問題，然后才能確定復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)生問題的位置。聲學(xué)監(jiān)視器可以聽到沸騰的聲音，即使是很小的聲音也可以消除猜測(cè)式維修，從而促進(jìn)更有效的維修工作。

04 換熱器：提升能源使用效率

任何換熱器的傳熱能力都會(huì)因一個(gè)普遍存在的問題而退化：結(jié)垢。流體攜帶的顆粒物沉積在內(nèi)表面上，導(dǎo)熱率與沉積物類型和厚度成比例下降。換熱器兩側(cè)的污垢會(huì)降低傳熱速率，從而降低效率。確定效率取決于衡量一系列關(guān)鍵變量：

■ 過程流體溫差（入口與出口相比）和流量;

■ 輸送流體溫差和流量（用于液-液設(shè)計(jì)）;

■ 冷卻空氣溫度和流量（用于風(fēng)冷設(shè)計(jì)）。

通過這些測(cè)量可以確定傳遞的熱量以及總體效率。如果這些基本測(cè)量?jī)x表不是裝置的一部分，則應(yīng)添加這些儀表。然而，基于WirelessHART的變送器可用于所有類型的熱交換器測(cè)量：

■ 溫度儀表可添加到過程流體和輸送流體的管道中，而無(wú)需任何貫穿件。無(wú)論環(huán)境條件如何，這些傳感器都能通過管壁準(zhǔn)確測(cè)量（圖4）并讀取內(nèi)部流體溫度。

圖4：艾默生羅斯蒙特X-well技術(shù)可以在管道外部測(cè)量管道內(nèi)部的溫度，并通過WirelessHART發(fā)送數(shù)據(jù)。

■ 利用傳統(tǒng)的溫度傳感器，單個(gè)發(fā)射器可以通過一個(gè)無(wú)線信號(hào)，發(fā)送來(lái)自多達(dá)四個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。

■ 讀取過程流體入口和出口的壓差，確定污垢何時(shí)開始積聚，或是否存在管道泄漏。

這些儀表生成的數(shù)據(jù)被傳遞給專門為熱交換器構(gòu)建的分析應(yīng)用，使這些軟件工具易于安裝、配置和使用。算法通過計(jì)算效率并監(jiān)測(cè)其與基線的偏差來(lái)尋找污染等工況，結(jié)果顯示在預(yù)先配置的儀表板上。系統(tǒng)識(shí)別異常工況，并在滿足某些條件時(shí)（如當(dāng)污垢超過閾值），發(fā)出報(bào)發(fā)送數(shù)據(jù)。

05 照明：減少不必要的能耗

在許多過程制造設(shè)施中，無(wú)論一天中的活動(dòng)或時(shí)間如何，在無(wú)人區(qū)域提供照明都會(huì)帶來(lái)能源浪費(fèi)，這種情況很常見。在某些情況下，在危險(xiǎn)區(qū)域部署的老式的金屬鹵化物高強(qiáng)度放電（HID）燈從未關(guān)閉，這也會(huì)造成浪費(fèi)。當(dāng)這種情況發(fā)生在數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)燈具上時(shí)，所消耗的電量是巨大的。

用新的智能LED燈具替換現(xiàn)有燈具，設(shè)施可以減少能耗和維護(hù)需求，同時(shí)提高惡劣和危險(xiǎn)場(chǎng)所的安全性。與HID燈具相比，這些燈具的等效光輸出所需的能源減少了70%，同時(shí)它們由運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器（圖5）、計(jì)時(shí)器和環(huán)境光檢測(cè)器控制，在有人的時(shí)候打開，無(wú)人的時(shí)候關(guān)閉，因此實(shí)際上可以節(jié)約更多的能源。這些裝置通過WirelessHART進(jìn)行通信可以遠(yuǎn)程激活，報(bào)告開啟時(shí)間，并向維護(hù)人員發(fā)送有關(guān)其狀態(tài)的診斷信息。

發(fā)電站、天然氣處理廠和煉油廠的運(yùn)營(yíng)商正受益于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施。由于這些行業(yè)具有較高的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)字孿生技術(shù)可以預(yù)測(cè)何時(shí)進(jìn)行維護(hù)，以便在出現(xiàn)問題之前主動(dòng)解決問題。

新裝置可以像任何其它智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一樣，收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，準(zhǔn)確顯示照明消耗的電量，以及其對(duì)可持續(xù)性指標(biāo)的影響。由于燈光會(huì)對(duì)周圍出現(xiàn)的人做出反應(yīng)，因此這種方法還有一個(gè)副產(chǎn)品：提供設(shè)施內(nèi)活動(dòng)的大致情況，尤其是在夜間。

由于使用了WirelessHART、普世傳感和數(shù)據(jù)分析解決方案等技術(shù)，可以提供對(duì)所有公司利益相關(guān)者、周圍社區(qū)和全球環(huán)境產(chǎn)生積極影響的結(jié)果，因此上述項(xiàng)目可以為制造企業(yè)帶來(lái)收益。同時(shí)，這類項(xiàng)目通常是自我支持、易于實(shí)施的，因此它們也提高了整體盈利能力。