节能机器的最佳实践

能源效率应该设计到机器中，通过测量和监控能源消耗，机器、生产线和整个设施的最佳状态可以通过控制系统和其他变化来确定和实现。

测量和监视

铭牌上总是标明了电力使用情况，但这个数字通常是最坏情况下的使用估计，实际的能源需求将根据设备的应用而变化。例如，一台循环机器将在整个程序过程中以可变的速率消耗电力。

测量和监控这种动态需求的最佳方法是使用电表。由于能够测量在任何时间点的实际功耗，可以确定机器的每种操作模式的功耗。

在编程过程的所有部分测量功率，以更好地确定能源消耗最高的时候，并确定可能的改进领域。

通过测量功率，可以使用适当的软件和分析来确定每个生产状态下消耗的能量。使用此功率测量数据，可以确定在生产停止期间机器空转的能源成本，并在发现过高时降低能源成本。

监控功率还可以指出导致不必要能源使用的处理和调度问题。例如，将烤箱加热30分钟以达到稳定的工作温度，然后只运行一个小时的生产，这并不像计划更长的生产运行那样有效。

有可能让耗电量特别高的机器在电价通常较低的非高峰时段运行。如果生产设施由电力公司按高峰需求收费，那么在调度机器、生产线和设施操作时考虑到这一点通常是有意义的。功率测量信息可用于减少能源使用和费用。

电源监控详细信息

各种设备可提供电力监控。电压表和手持式夹式电流表可用于测量机器的主电源和辅助设备的能源使用。这些手动测量需要打开控制框，测量功率，然后记录采集到的数据。

这些数据必须通过将电压乘以电流来转换为近似的功率使用。除非功率因数是统一的，否则电力使用数据是不准确的，这对大多数工业设备和机械来说是一种罕见的情况。虽然这是一种可以接受的方法来获得大致建立的基线能耗读数，但为了准确、长期的数据收集和分析，应该考虑其他方法。

为了准确实时地测量能耗功率，通常将电表连接在机器主断开线的下游。现代电能表是安装在面板上的设备，能够实时测量真实的电力使用情况，将测量数据传输到更高级别的控制，并通过以太网等数字数据链监测系统。

测量实际的交流和直流运行电流也可以提供有价值的信息。当测量在变频驱动器(VFD)或可控硅整流器(SCR)输出上发现的失真波形时，或在需要真实RMS值的电噪声环境中测量线性负载时，这一点尤其重要。

真正的RMS传感器和电流互感器，当连接到VFD输出时，可以指示电机和附加负载是如何工作的(见图1)。真正的RMS传感器还可以测量通常用于加热应用的相位角发射，脉冲发射或时间比例scr的实际电流。

节能设计

机器设计影响效率的方式有很多。像给机器提供过电压这样简单的事情都可能浪费能源。

例如，许多机器需要480伏交流电来驱动电机，但其他机器不需要。如果没有机器设备需要这种高电压，则需要降压变压器将480v交流电源降低到典型的120v交流控制电压水平。这种变压器不是100%高效，导致损失高达5%。

大多数工业设施将有各种可用的电压，需要480 Vaac电源的设备的机器应设计成接受该电压的电源。不需要480v交流电的机器使用208Y/ 120v交流电会更有效率。在这个设计中，208v交流电可用于相对较高的功率设备，120v交流电可用于功率控制电路，从而无需变压器。

机械设计人员还应考虑同步电机的效率，如步进电机和伺服电机。这些电机有类似的效率，通常超过85%。然而，在某些应用中，伺服系统的效率可以提高50%。如果电机大部分时间都处于零速度，那么伺服电机在这个水平上几乎不会使用任何功率，而步进电机在零速度下将使用高达50%的额定功率。

具有动态需求的风机泵或离心泵应作为VFD安装的备选方案进行评估(见图2)。在泵通常以低流量运行的应用中，与全速运行泵和用控制阀节流流量相比，用VFD控制电机转速将导致更低的能源成本。对泵亲和定律的回顾表明，电机转速降低50%可减少75%的功率使用。如果需要做的功更少，那么做功就应该更少，特别是在这样的情况下，使用的能量减少得比所做功减少得快得多。

限制气动系统的压力也有助于提高能源效率。虽然可能需要全压，但当气缸在应用中伸展和做功时，缩回行程可能不需要那么大的力。在较低的气压或弹簧力下缩回可以节省大量的能量，特别是在气缸频繁运行时。

将数据转化为可操作的信息

监控机器上的功率或真实RMS电流可以帮助了解机器指标，如总体设备效率(OEE)。这种监控有助于识别和消除浪费的做法，减少不必要的使用。第一步是收集实时数据，以创建当前功耗的基线。

对历史机器电力使用数据的分析提供了与基准机器空闲功率和运行功率相比较的有用统计数据。如果没有这些历史数据，工厂工程师或管理人员就很难知道从哪里开始，也很难了解节能技术在哪里将产生最大的影响。

在单机应用中，具有基本历史数据采集功能的人机界面(HMI)可以与面板安装式电能表结合使用，以收集和显示实时和历史能源使用数据。随着能源使用监控扩展到生产线上的其他机器，在历史记录中记录数据是使数据可用于进一步分析的一个很好的选择。

历史学家是专门的数据库，通常基于pc，并为存储大量数据进行了优化。有了存储的数据，它可以用来创建自定义报告或HMI趋势屏幕。外部数据分析平台也可以使用这些信息。

通过适当的软件和网络，这些数据还可以以各种方式推送给运营商、工程师和管理层。管理层可以在分析机器效率的报告中看到能源效率数据。制造工程师可以在他们的平板电脑或智能手机上访问这些数据，以便快速分析和采取行动，而操作员可以在本地显示器上查看数据，以确保安全操作。

关掉它或者把它关小

有了适当的功率测量和监控，机器的有效控制就成为一种可适应和可调节的能力。使用功率测量数据，机器和设备可以在不需要时关闭，或在可能的情况下关闭。

像关闭装配车间的灯、关闭机床或关闭视觉检测站这样简单的动作都可以节省能源。在大型装配线或制造设施中使用多台机器时尤其如此。

自动关闭闲置机器和相关设备是提高效率的另一种方式。闲置的机器通常仍然需要电力，所以关闭这些设备可以节省更多的能源。

在某些电机应用中，最好的策略是关闭电机。如果传送带有东西要移动，就运行它。如果长时间处于空状态，请将其关闭。运行以满足需求，然后停止，并且不要以超过需求的速度运行(参见图3)。

这也是一个选项的应用，电机必须运行在全电机速度，如磨床和搅拌机。这些过程应仔细控制和监控，以确保它们在完成时关闭。(见表)。

通过对机器和设备进行适当的监控，可以优化能源使用。作为奖励，许多用于降低能耗的技术也将延长设备寿命并减少所需的维护。

表:减少能源使用的基本技术

关闭闲置的机器和设备

关灯

关闭输送机

调整速度以适应需求

安装的vfd。

Cindy Green是AutomationDirect的工业工程师;由主编埃里克·艾斯勒编辑石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com．

关键概念

• 寻找经常闲置的设备，以便在不使用时将其断电。
• 调整速度以匹配生产需求。
• 请历史学家确定峰值能量使用。

考虑一下这个

像关闭装配车间的灯、关闭机床或关闭视觉检测站这样简单的动作都可以节省能源。

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关于作者

Cindy Green是AutomationDirect的工业工程师，为各种产品组提供帮助。她拥有匹兹堡大学(University of Pittsburgh)制造系统工程硕士学位和田纳西大学(University of Tennessee)工业工程学士学位，并拥有超过10年的制造业经验。

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