便捷式能量記錄裝置（PERU）
優化RTM工藝。CTC的便攜式能量記錄單元（PERU，右下）中的Rogowski線圈（橙色回路）測量樹脂轉移模塑（RTM）過程中的電流，使分析能夠減少能源使用。
到2050年實現凈零排放是脫碳的關鍵。為了實現這一目標，必須迅速開發和擴大針對建筑、交通和工業的更節能的解決方案。大多數制造商都很清楚，提高能源效率可以降低成本，并經常改善排放。但包括復合材料在內的所有行業現在都面臨著新的緊迫性。復合材料生產商注意到，客戶要求提供生命周期分析/評估（LCA）報告，其中能源使用是一個關鍵指標。工程團隊被要求選擇有助于其公司實現排放和可持續發展目標的材料和工藝。因此，測量和理解復合材料生產過程中的能源使用的能力變得越來越重要。
飛機生產已經能夠測量每棟建筑的能源使用情況，但現在，使用CTC的技術，也可以測量機器及其組件的能源使用，從而能夠進行像這張sankey圖這樣的能源使用分析
復合材料技術中心，CTC GmbH（德國斯塔德），一家100%的空客子公司，已經開發出了這樣的解決方案。這項技術是一種模塊化的便攜式系統，能夠更好地測量和分析機器和生產線的能源使用情況，支持機器或系統及其組件（如單個電機或加熱元件）的同時記錄。因此，它可以幫助確定潛在的節能和優化操作。例如，是關閉和打開機器更好，還是讓它在待機模式下運行更好？
該技術已經用于評估自動纖維放置（AFP）機器和壓機，以及熱壓罐、樹脂轉移模塑（RTM）和熱塑性復合材料模塑工藝。空中客車公司正在使用它來改進機器控制系統和工具方法，但也用于指導未來機身的材料、工藝和設備決策。
便攜式能量記錄裝置（PERU）的研制CTC成立于2001年，位于空客垂直尾翼飛機（VTP）工廠和復合材料聯合公司/德國航空航天中心（DLR）/Frannhofer IFAM工廠（CFK Valley Nord）之間。因此，它完美地位于復合材料密集型批量生產和研發之間。CTC項目負責人揚·曼努埃爾·歐姆（Jan Manuel Ohm）解釋說，其能量測量技術的開發始于VTP工廠同事的要求。“他們知道自己在建筑層面消耗了多少能量，但不知道是什么推動了機器層面的消耗。大多數機器都是在能量測量變得如此重要之前獲得的，沒有足夠的測量能力。我們需要一個能夠測量機器用電量的系統，但也需要一個易于使用的系統——不僅是硬件，還有數據收集。”
歐姆和他的隊友弗洛里安·科恩（Florian Kohne）和詹尼斯·?？嘶舴颍↗annis Eckhoff）研究了最先進的測量系統。歐姆說：“我們發現的設備只能使用有限數量和類型的傳感器。”。“如果你有多電流電源——這在大型系統中很常見——你將能夠從整體上看到機器的能量使用，但不能看到其組件內發生了什么。”團隊認為這還不夠，科恩被要求開發一個新概念。
其結果是便攜式能量記錄裝置（PERU-portable energy recording unit ），它看起來像一個熱粘合機，但更大，大約為1×1.5米（圖1）。其核心是可編程邏輯控制器（PLC-programmable logic controller），可連接到各種傳感器和輸入。
圖1. 便攜式能量記錄裝置（PERU）。PERU測量尺寸為1×1.5米，可以同時測量多達五臺機器或機器部件的電力使用情況，可以使用電池運行5天，還可以集成各種其他傳感器及其體積流量測量設備，用于評估空氣、水或熱量的流量。
該裝置上半部分的多個橙色環是Rogowski線圈，這是一種用于測量電流的緊湊且經濟的轉換器。PERU上的線圈可以同時測量多達五個組件的電能使用情況。
裝置的下半部分是電池，使裝置能夠在沒有有線電源的情況下運行。歐姆說：“我們已經能夠讓系統在不充電的情況下運行5天。”。還存在測量顯示器，其中可以集成和控制包括體積流量測量設備的多個其他傳感器和測量設備。
歐姆解釋道：“這使我們能夠測量真空和加壓應用中的空氣流量以及水或熱流。”。“氣體流量是用熱式質量流量計測量的，因為我們使用的是可編程邏輯控制器（PLC），幾乎任何傳感器都可以集成，所以我們可以根據客戶的要求靈活測量。”
分析和優化
使用Matlab軟件（MathWorks，Natick，Mass.，U.S.）開發了一個簡單的應用程序，該軟件以快速繪圖為起點（圖2）。“為此，我們繪制了兩個通道：電流和時間，”?？嘶舴蚪忉尩馈?/span>
圖2. 分析和優化。一個簡單的Matlab應用程序可以快速繪制兩個通道的圖（頂部），但也可以進行更詳細的分析，包括同一機器（中心）內不同部件的圖，以及RTM工藝加熱壓力機中上下壓板的優化（底部），這使總電能消耗減少了21%。
“我們還可以進行詳細的分析，顯示機器中不同組件之間的相互作用。我們可以計算機器的整體能耗，然后放大并分析不同組件是如何構成的。例如，我們確定了一臺機器，其中冷卻和加熱組件以非建設性的方式相互作用，導致不必要的能耗。”
他指出，還有其他影響。“當我們將能源數據與壓力等過程數據相結合時，我們可以提供進一步的分析。例如，我們可以將能源峰值和總體消耗與過程中的信息相匹配，并可以繪制過程如何使用能源以及由哪些機器部件使用能源的圖表。”
?？嘶舴蜓a充道：“當我們再次將其與流量傳感器的信息相結合時，我們可以獲得其他形式的能量信息，如熱流，即加熱和冷卻。”。“或者我們可以添加位移傳感器，并將這些數據與機器運動相關聯。然后我們可以分析機器的效率，并優化流程以提高能源效率。”
該數據也可用于其他類型的分析。?？嘶舴蛘f：“例如，我們可以分析這個過程，以了解機器啟動、運行和停機期間的能源使用情況。”。“然后，我們可以將其與機器未經處理（例如寄生拉伸）時的待機消耗進行比較，并根據真實數據而不僅僅是假設來決定何時關閉機器。我們還可以觀察工藝變化。例如，在沖壓操作中，模具的加熱往往比其他操作階段更耗能。更好的選擇可能是將工具保持在恒定溫度，而不是讓它冷卻后再加熱。我們也可以在每個階段研究不同的組件，幫助優化工藝和設備操作。”
節能20-30%
歐姆指出，他的團隊已經能夠使用PERU和這種類型的數據分析為多個客戶確定20-30%的節能。?？嘶舴蛎枋隽艘粋€具體的實際歷史作為一個例子。“這是一個大規模碳纖維增強塑料部件的能量測量，”他解釋道。“我們有一個質量很大的大型工具，我們將其加熱到100°C。然后我們取出熱工具，但在重新加載過程中加熱器仍然打開，由于涉及的過程鏈，這需要一個多小時。我們能夠向客戶展示當前過程的測量數據，以及在工具完全加載到設備中之前關閉加熱器的位置。后者顯示了30%的節能。這可能看起來很明顯，但如果沒有機器中每個組件的數據，什么都不會發生。這就是為什么它會產生很大的不同。”
“在同一類型的機器中，例如AFP系統或大型壓力機，可以評估某些供應商的型號是否比其他供應商使用更多或更少的能源。”
CTC測量過程不同階段的能源使用情況（頂部）和一臺機器處于待機模式（底部）
歐姆說，該團隊正在分析生產線的能源消耗，確定哪些機器使用更多的能源。更進一步，在同一類型的機器中，例如AFP系統或大型壓力機，可以評估某些供應商的型號是否比其他供應商使用更多或更少的能源。CTC首席執行官馬克·費特（Marc Fette）表示：“這不僅對我們自己的評估和可持續發展目標很重要，而且可以成為供應商的競爭優勢。我們最近測量了各種設備的能量流，發現某些型號僅在待機模式下每年的成本就高達1萬歐元。沒有人知道這類數據，甚至機器制造商也不知道。”
歐姆補充道：“同樣，我們可以研究每臺機器的不同組件，并進一步了解為什么在能源使用方面存在這種差異。”。“我們可以確定組件在不同的工藝步驟中是協同工作還是相互對抗。我們還可以評估控制裝置是否有效地計劃了不同組件的行動。然后我們可以改進控制系統或組件的操作方式，以實現現有生產線的節能。”
“某些型號在待機模式下每年的成本可能高達10000歐元。”
“我們可以進入任何設施，”他繼續說道，“我們可以測量任何設備，進行節能分析，然后與可能的優化、其他工藝鏈或其他設施的相同生產進行比較。我們正在建造更多的便攜式能量記錄裝置（PERU）設備，進行改進，以便我們有更多的可能性進行這些分析。”
SAUBER 4.0項目
SAUBER 4.0（CLEAN 4.0）項目就是使用便攜式能量記錄裝置（PERU）技術的一個例子。該項目也被列為智能和可持續RTM 4.0，從2021年持續到2023年，由德國下薩克森州國家銀行資助。正如項目合作伙伴赫爾穆特·施密特大學（德國漢堡HSU）所描述的那樣，SAUBER 4.0的目標是使用RTM 4.0技術開發復雜、大型航空部件的生態高效生產。
未來機體優化的基礎
?？嘶舴蛘f：“到目前為止，我們所說的一切都是為了改善現有設施。”。“這項技術價值主張的另一部分是為生命周期評價提供數據，并準備/指定未來的生產系統。如果我們知道我們的機器今天是如何運行的，我們就可以估計未來生產系統將消耗的能源，然后在這些系統建成之前優化它們的能效。”
費特說：“這些方法是技術磚，我們必須為未來的飛機部件和生產系統提供這些技術磚。”。“我們必須更好地規定未來可持續的生產過程，包括在每個過程鏈中——包括數字連接的機器——以及整個基礎設施中。要做到這一點，我們必須知道我們需要什么數據，哪些傳感器必須在過程鏈中，也必須在每臺機器中。因此，我們正在創造的結果是新產品規范的輸入，尤其是未來飛機的新生產系統的輸入。”
馬克·費特繼續說道：“我們相信便攜式能量記錄裝置（PERU）的可能應用及其所能進行的分析是巨大的。”。“在某個時間點，供應商用飛機的公司也必須提供這種類型的能源使用信息。因此，他們知道自己的生產過程中發生了什么很重要。但即使沒有原始設備制造商或監管機構的壓力，我們也將我們的技術視為對商業和地球有益的方法的一部分，他們并不反對。優化能源使用是一個很好的例子，可以將經濟和生態效益相結合來推進復合材料的發展。”
原文見，《Measuring energy use to enable sustainable composites production 》 2024.3.25
楊超凡 2024.3.26
