便捷式能量记录装置（PERU）
优化RTM工艺。CTC的便携式能量记录单元（PERU，右下）中的Rogowski线圈（橙色回路）测量树脂转移模塑（RTM）过程中的电流，使分析能够减少能源使用。
到2050年实现净零排放是脱碳的关键。为了实现这一目标，必须迅速开发和扩大针对建筑、交通和工业的更节能的解决方案。大多数制造商都很清楚，提高能源效率可以降低成本，并经常改善排放。但包括复合材料在内的所有行业现在都面临着新的紧迫性。复合材料生产商注意到，客户要求提供生命周期分析/评估（LCA）报告，其中能源使用是一个关键指标。工程团队被要求选择有助于其公司实现排放和可持续发展目标的材料和工艺。因此，测量和理解复合材料生产过程中的能源使用的能力变得越来越重要。
飞机生产已经能够测量每栋建筑的能源使用情况，但现在，使用CTC的技术，也可以测量机器及其组件的能源使用，从而能够进行像这张sankey图这样的能源使用分析
复合材料技术中心，CTC GmbH（德国斯塔德），一家100%的空客子公司，已经开发出了这样的解决方案。这项技术是一种模块化的便携式系统，能够更好地测量和分析机器和生产线的能源使用情况，支持机器或系统及其组件（如单个电机或加热元件）的同时记录。因此，它可以帮助确定潜在的节能和优化操作。例如，是关闭和打开机器更好，还是让它在待机模式下运行更好？
该技术已经用于评估自动纤维放置（AFP）机器和压机，以及热压罐、树脂转移模塑（RTM）和热塑性复合材料模塑工艺。空中客车公司正在使用它来改进机器控制系统和工具方法，但也用于指导未来机身的材料、工艺和设备决策。
便携式能量记录装置（PERU）的研制CTC成立于2001年，位于空客垂直尾翼飞机（VTP）工厂和复合材料联合公司/德国航空航天中心（DLR）/Frannhofer IFAM工厂（CFK Valley Nord）之间。因此，它完美地位于复合材料密集型批量生产和研发之间。CTC项目负责人扬·曼努埃尔·欧姆（Jan Manuel Ohm）解释说，其能量测量技术的开发始于VTP工厂同事的要求。“他们知道自己在建筑层面消耗了多少能量，但不知道是什么推动了机器层面的消耗。大多数机器都是在能量测量变得如此重要之前获得的，没有足够的测量能力。我们需要一个能够测量机器用电量的系统，但也需要一个易于使用的系统——不仅是硬件，还有数据收集。”
欧姆和他的队友弗洛里安·科恩（Florian Kohne）和詹尼斯·埃克霍夫（Jannis Eckhoff）研究了最先进的测量系统。欧姆说：“我们发现的设备只能使用有限数量和类型的传感器。”。“如果你有多电流电源——这在大型系统中很常见——你将能够从整体上看到机器的能量使用，但不能看到其组件内发生了什么。”团队认为这还不够，科恩被要求开发一个新概念。
其结果是便携式能量记录装置（PERU-portable energy recording unit ），它看起来像一个热粘合机，但更大，大约为1×1.5米（图1）。其核心是可编程逻辑控制器（PLC-programmable logic controller），可连接到各种传感器和输入。
图1. 便携式能量记录装置（PERU）。PERU测量尺寸为1×1.5米，可以同时测量多达五台机器或机器部件的电力使用情况，可以使用电池运行5天，还可以集成各种其他传感器及其体积流量测量设备，用于评估空气、水或热量的流量。
该装置上半部分的多个橙色环是Rogowski线圈，这是一种用于测量电流的紧凑且经济的转换器。PERU上的线圈可以同时测量多达五个组件的电能使用情况。
装置的下半部分是电池，使装置能够在没有有线电源的情况下运行。欧姆说：“我们已经能够让系统在不充电的情况下运行5天。”。还存在测量显示器，其中可以集成和控制包括体积流量测量设备的多个其他传感器和测量设备。
欧姆解释道：“这使我们能够测量真空和加压应用中的空气流量以及水或热流。”。“气体流量是用热式质量流量计测量的，因为我们使用的是可编程逻辑控制器（PLC），几乎任何传感器都可以集成，所以我们可以根据客户的要求灵活测量。”
分析和优化
使用Matlab软件（MathWorks，Natick，Mass.，U.S.）开发了一个简单的应用程序，该软件以快速绘图为起点（图2）。“为此，我们绘制了两个通道：电流和时间，”埃克霍夫解释道。
图2. 分析和优化。一个简单的Matlab应用程序可以快速绘制两个通道的图（顶部），但也可以进行更详细的分析，包括同一机器（中心）内不同部件的图，以及RTM工艺加热压力机中上下压板的优化（底部），这使总电能消耗减少了21%。
“我们还可以进行详细的分析，显示机器中不同组件之间的相互作用。我们可以计算机器的整体能耗，然后放大并分析不同组件是如何构成的。例如，我们确定了一台机器，其中冷却和加热组件以非建设性的方式相互作用，导致不必要的能耗。”
他指出，还有其他影响。“当我们将能源数据与压力等过程数据相结合时，我们可以提供进一步的分析。例如，我们可以将能源峰值和总体消耗与过程中的信息相匹配，并可以绘制过程如何使用能源以及由哪些机器部件使用能源的图表。”
埃克霍夫补充道：“当我们再次将其与流量传感器的信息相结合时，我们可以获得其他形式的能量信息，如热流，即加热和冷却。”。“或者我们可以添加位移传感器，并将这些数据与机器运动相关联。然后我们可以分析机器的效率，并优化流程以提高能源效率。”
该数据也可用于其他类型的分析。埃克霍夫说：“例如，我们可以分析这个过程，以了解机器启动、运行和停机期间的能源使用情况。”。“然后，我们可以将其与机器未经处理（例如寄生拉伸）时的待机消耗进行比较，并根据真实数据而不仅仅是假设来决定何时关闭机器。我们还可以观察工艺变化。例如，在冲压操作中，模具的加热往往比其他操作阶段更耗能。更好的选择可能是将工具保持在恒定温度，而不是让它冷却后再加热。我们也可以在每个阶段研究不同的组件，帮助优化工艺和设备操作。”
节能20-30%
欧姆指出，他的团队已经能够使用PERU和这种类型的数据分析为多个客户确定20-30%的节能。埃克霍夫描述了一个具体的实际历史作为一个例子。“这是一个大规模碳纤维增强塑料部件的能量测量，”他解释道。“我们有一个质量很大的大型工具，我们将其加热到100°C。然后我们取出热工具，但在重新加载过程中加热器仍然打开，由于涉及的过程链，这需要一个多小时。我们能够向客户展示当前过程的测量数据，以及在工具完全加载到设备中之前关闭加热器的位置。后者显示了30%的节能。这可能看起来很明显，但如果没有机器中每个组件的数据，什么都不会发生。这就是为什么它会产生很大的不同。”
“在同一类型的机器中，例如AFP系统或大型压力机，可以评估某些供应商的型号是否比其他供应商使用更多或更少的能源。”
CTC测量过程不同阶段的能源使用情况（顶部）和一台机器处于待机模式（底部）
欧姆说，该团队正在分析生产线的能源消耗，确定哪些机器使用更多的能源。更进一步，在同一类型的机器中，例如AFP系统或大型压力机，可以评估某些供应商的型号是否比其他供应商使用更多或更少的能源。CTC首席执行官马克·费特（Marc Fette）表示：“这不仅对我们自己的评估和可持续发展目标很重要，而且可以成为供应商的竞争优势。我们最近测量了各种设备的能量流，发现某些型号仅在待机模式下每年的成本就高达1万欧元。没有人知道这类数据，甚至机器制造商也不知道。”
欧姆补充道：“同样，我们可以研究每台机器的不同组件，并进一步了解为什么在能源使用方面存在这种差异。”。“我们可以确定组件在不同的工艺步骤中是协同工作还是相互对抗。我们还可以评估控制装置是否有效地计划了不同组件的行动。然后我们可以改进控制系统或组件的操作方式，以实现现有生产线的节能。”
“某些型号在待机模式下每年的成本可能高达10000欧元。”
“我们可以进入任何设施，”他继续说道，“我们可以测量任何设备，进行节能分析，然后与可能的优化、其他工艺链或其他设施的相同生产进行比较。我们正在建造更多的便携式能量记录装置（PERU）设备，进行改进，以便我们有更多的可能性进行这些分析。”
SAUBER 4.0项目
SAUBER 4.0（CLEAN 4.0）项目就是使用便携式能量记录装置（PERU）技术的一个例子。该项目也被列为智能和可持续RTM 4.0，从2021年持续到2023年，由德国下萨克森州国家银行资助。正如项目合作伙伴赫尔穆特·施密特大学（德国汉堡HSU）所描述的那样，SAUBER 4.0的目标是使用RTM 4.0技术开发复杂、大型航空部件的生态高效生产。
未来机体优化的基础
埃克霍夫说：“到目前为止，我们所说的一切都是为了改善现有设施。”。“这项技术价值主张的另一部分是为生命周期评价提供数据，并准备/指定未来的生产系统。如果我们知道我们的机器今天是如何运行的，我们就可以估计未来生产系统将消耗的能源，然后在这些系统建成之前优化它们的能效。”
费特说：“这些方法是技术砖，我们必须为未来的飞机部件和生产系统提供这些技术砖。”。“我们必须更好地规定未来可持续的生产过程，包括在每个过程链中——包括数字连接的机器——以及整个基础设施中。要做到这一点，我们必须知道我们需要什么数据，哪些传感器必须在过程链中，也必须在每台机器中。因此，我们正在创造的结果是新产品规范的输入，尤其是未来飞机的新生产系统的输入。”
马克·费特继续说道：“我们相信便携式能量记录装置（PERU）的可能应用及其所能进行的分析是巨大的。”。“在某个时间点，供应商用飞机的公司也必须提供这种类型的能源使用信息。因此，他们知道自己的生产过程中发生了什么很重要。但即使没有原始设备制造商或监管机构的压力，我们也将我们的技术视为对商业和地球有益的方法的一部分，他们并不反对。优化能源使用是一个很好的例子，可以将经济和生态效益相结合来推进复合材料的发展。”
原文见，《Measuring energy use to enable sustainable composites production 》 2024.3.25
杨超凡 2024.3.26
