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圖片來源：艾默生

制造企業(yè)正在努力實現(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目的基礎(chǔ)。

人們一度認為，如果一家公司有足夠的資本和資源長期經(jīng)營下去，甚至發(fā)展壯大，那么它就是可持續(xù)的。現(xiàn)在，可持續(xù)性的含義已經(jīng)發(fā)展到：一家公司的活動是否可以最大限度地減少對氣候變化的影響，并負責(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”付諸實踐？如何衡量成功與否？

01 工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的四個重點領(lǐng)域

一些過程制造企業(yè)可能會探索一項重大的過程變革以擺脫碳氫化合物原料，但目前應(yīng)專注于四個常見領(lǐng)域的改進：

1. 減少蒸汽疏水閥浪費的能源；
2. 監(jiān)測和減少泄壓閥的排放；
3. 監(jiān)測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)域的改進降低了運營成本，同時通過以下方式促進可持續(xù)發(fā)展計劃：

■ 減少過程浪費；

■ 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)性計劃的有效性提供了關(guān)鍵工具。

實現(xiàn)可持續(xù)性的第一步是確定在哪些方面改進收益最大。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。這可能會帶來問題，因為布線和系統(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，每個傳感器都可以通過WirelessHART與主機系統(tǒng)通信，因此無需安裝電纜，從而大大降低了安裝成本和時間。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)與設(shè)施內(nèi)更大的Wi-Fi和以太網(wǎng)無縫集成（圖1），因此向主機系統(tǒng)（如資產(chǎn)管理系統(tǒng)）發(fā)送數(shù)據(jù)更簡單、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)，對其進行處理，并通過交互式儀表板將其呈現(xiàn)給可靠性和維護團隊。這些運營技術(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、運輸、安裝和維護所需的勞動力，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，同時還會帶來多種效益。一些項目通過更有效的維護來延長設(shè)備壽命，也會提高安全性，減少環(huán)境和其它事故。

02 蒸汽疏水閥：減少能源浪費

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

■ 可見的蒸汽泄漏：主要機械故障直接浪費蒸汽；

■ 吹掃：連續(xù)將蒸汽直接排放到排水管中，浪費蒸汽；

■ 低溫：卡在關(guān)閉位置，無法釋放冷凝水，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。

最近的一項研究表明，在大型化學(xué)制造設(shè)施中，每年會有18%的蒸汽疏水器發(fā)生故障，導(dǎo)致每個故障疏水器浪費的能源成本高達16000美元。鑒于對大多數(shù)工廠來說，蒸汽都是能源預(yù)算中的一個重要項目，減少這種浪費在實現(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，蒸汽疏水閥會間歇性打開，排出冷凝液。該動作會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），可以檢測到周期性的聲音，算法可以了解其特征活動。每個設(shè)備通過WirelessHART，將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央分析平臺，運行人員在該平臺上監(jiān)控所有配備有聲學(xué)變送器的蒸汽疏水閥的運行情況。

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

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

03 泄壓閥：減少排放和損失

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

監(jiān)控泄壓閥借鑒了傳統(tǒng)的維護技術(shù)：聽。與蒸汽疏水閥相同的聲學(xué)監(jiān)測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，聲學(xué)監(jiān)測器會向自動化系統(tǒng)報告產(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)測器的數(shù)據(jù)通過圖形儀表板（圖3），報告釋放開始和結(jié)束的時間，同時根據(jù)噪聲幅度來表征釋放量的大小。

圖3：為泄壓閥設(shè)計的Plantweb Insight儀表板會對釋放進行計時，如果釋放后閥門沒有完全關(guān)閉，它還會向維護團隊發(fā)出警報。

如果沒有泄壓閥監(jiān)測，運行人員不會意識到泄漏，直到他們注意到火炬或泄壓系統(tǒng)的流量增加。他們的第一個反應(yīng)是根據(jù)過程知識和經(jīng)驗，確定泄露源在哪里，例如，查看過程的哪個部分處于較高壓力。當(dāng)泄壓閥被監(jiān)測時，運行人員可以縮短響應(yīng)時間，因為傳感器將運行人員引導(dǎo)到事件發(fā)生的位置。這有助于減少排放的持續(xù)時間、數(shù)量，這是可持續(xù)發(fā)展計劃的關(guān)鍵目標(biāo)之一。

一個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，運行人員可能需要數(shù)小時或數(shù)天才能意識到存在的問題，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式維修，從而促進更有效的維修工作。

04 換熱器：提升能源使用效率

任何換熱器的傳熱能力都會因一個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）;

■ 冷卻空氣溫度和流量（用于風(fēng)冷設(shè)計）。

通過這些測量可以確定傳遞的熱量以及總體效率。如果這些基本測量儀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量：

■ 溫度儀表可添加到過程流體和輸送流體的管道中，而無需任何貫穿件。無論環(huán)境條件如何，這些傳感器都能通過管壁準(zhǔn)確測量（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，單個發(fā)射器可以通過一個無線信號，發(fā)送來自多達四個傳感器的數(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。算法通過計算效率并監(jiān)測其與基線的偏差來尋找污染等工況，結(jié)果顯示在預(yù)先配置的儀表板上。系統(tǒng)識別異常工況，并在滿足某些條件時（如當(dāng)污垢超過閾值），發(fā)出報發(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，無論一天中的活動或時間如何，在無人區(qū)域提供照明都會帶來能源浪費，這種情況很常見。在某些情況下，在危險區(qū)域部署的老式的金屬鹵化物高強度放電（HID）燈從未關(guān)閉，這也會造成浪費。當(dāng)這種情況發(fā)生在數(shù)百甚至數(shù)千個燈具上時，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需求，同時提高惡劣和危險場所的安全性。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%，同時它們由運動檢測器（圖5）、計時器和環(huán)境光檢測器控制，在有人的時候打開，無人的時候關(guān)閉，因此實際上可以節(jié)約更多的能源。這些裝置通過WirelessHART進行通信可以遠程激活，報告開啟時間，并向維護人員發(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營商正受益于數(shù)字孿生技術(shù)的實施。由于這些行業(yè)具有較高的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險，數(shù)字孿生技術(shù)可以預(yù)測何時進行維護，以便在出現(xiàn)問題之前主動解決問題。

新裝置可以像任何其它智能現(xiàn)場設(shè)備一樣，收集數(shù)據(jù)并進行分析，準(zhǔn)確顯示照明消耗的電量，以及其對可持續(xù)性指標(biāo)的影響。由于燈光會對周圍出現(xiàn)的人做出反應(yīng)，因此這種方法還有一個副產(chǎn)品：提供設(shè)施內(nèi)活動的大致情況，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，因此上述項目可以為制造企業(yè)帶來收益。同時，這類項目通常是自我支持、易于實施的，因此它們也提高了整體盈利能力。