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圖片來源：艾默生

制造企業正在努力實現可持續發展，數字化轉型是提高效率和減少碳足跡項目的基礎。

人們一度認為，如果一家公司有足夠的資本和資源長期經營下去，甚至發展壯大，那么它就是可持續的。現在，可持續性的含義已經發展到：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，并負責任地使用資源。當然，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排放物，這主要是對氣候變化的擔憂。其它問題也延伸到了更多領域，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，試圖了解利益相關者的需求。制造企業如何將“減少碳足跡”付諸實踐？如何衡量成功與否？

01 工業可持續發展的四個重點領域

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

1. 減少蒸汽疏水閥浪費的能源；
2. 監測和減少泄壓閥的排放；
3. 監測熱交換器的效率并減少能源使用；
4. 減少設施照明的能耗。

這些領域的改進降低了運營成本，同時通過以下方式促進可持續發展計劃：

■ 減少過程浪費；

■ 提高過程效率；

■ 減少能源消耗和由此產生的溫室氣體排放；

■ 減少水和空氣污染；

■ 提高維護效率和設備可用性。

與可持續發展并行的是數字化轉型，即整合數字化能力以提高績效的戰略。數字化轉型本身并不能提高可持續性，但它為制定相關KPI，以跟蹤可持續性計劃的有效性提供了關鍵工具。

實現可持續性的第一步是確定在哪些方面改進收益最大。不幸的是，發現這些方面所需要的信息通常不是過程控制或監控的變量。實施需要從部署新的傳感器開始，以監控與能耗、資產狀況和其它因素相關的變量。這可能會帶來問題，因為布線和系統集成的成本往往超過傳感器的成本。

數字化轉型技術徹底改變了局面。只需在物理設施上安裝傳感器，每個傳感器都可以通過WirelessHART與主機系統通信，因此無需安裝電纜，從而大大降低了安裝成本和時間。WirelessHART網絡與設施內更大的Wi-Fi和以太網無縫集成（圖1），因此向主機系統（如資產管理系統）發送數據更簡單、更高效。

圖1：部署WirelessHART設備的能力使監控系統更易于實施。

預配置的數據分析工具可以收集原始傳感器數據，對其進行處理，并通過交互式儀表板將其呈現給可靠性和維護團隊。這些運營技術（OT）信息還與IT系統、云和公司網絡集成。在大多數情況下，配置需求很小，不需要系統集成的幫助。這種方法是可持續發展計劃的基本組成部分，也是關鍵的技術要素。

消除布線基礎設施可以節省大量的銅、鋁、鋼、塑料，以及由于石油原料和金屬開采所產生的材料。再加上消除了設計、運輸、安裝和維護所需的勞動力，WirelessHART網絡與傳統技術相比，成本降低了70%甚至更多。

下文所述的可持續性項目類型，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備壽命，也會提高安全性，減少環境和其它事故。

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，但為了保護設備，它又是必須的。疏水閥是一種自動打開和關閉以釋放冷凝水的閥門。因此，所有設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。傳統上，每年對蒸汽疏水閥系統進行檢查，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：連續將蒸汽直接排放到排水管中，浪費蒸汽；

■ 低溫：卡在關閉位置，無法釋放冷凝水，導致冷凝水回流，降低蒸汽質量，并可能導致破壞性水錘事件；

■ 正常工作：有效去除冷凝水。

最近的一項研究表明，在大型化學制造設施中，每年會有18%的蒸汽疏水器發生故障，導致每個故障疏水器浪費的能源成本高達16000美元。鑒于對大多數工廠來說，蒸汽都是能源預算中的一個重要項目，減少這種浪費在實現可持續發展方面效果可能是立竿見影的。

大多數疏水閥不會連續釋放冷凝水。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。安裝在附近的聲學發射器（圖2），可以檢測到周期性的聲音，算法可以了解其特征活動。每個設備通過WirelessHART，將數據發送到中央分析平臺，運行人員在該平臺上監控所有配備有聲學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生的成本。維護人員了解哪些疏水閥需要注意，并據此進行規劃。

03 泄壓閥：減少排放和損失

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

監控泄壓閥借鑒了傳統的維護技術：聽。與蒸汽疏水閥相同的聲學監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出的、經由金屬傳輸的超聲波。

當泄壓閥打開，釋放液體、氣體或兩者的混合物時，聲學監測器會向自動化系統報告產生的任何噪音。一旦系統的壓力釋放，閥門應關閉并再次密封，噪音將停止。聲學監測器的數據通過圖形儀表板（圖3），報告釋放開始和結束的時間，同時根據噪聲幅度來表征釋放量的大小。

圖3：為泄壓閥設計的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閉，它還會向維護團隊發出警報。

如果沒有泄壓閥監測，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的流量增加。他們的第一個反應是根據過程知識和經驗，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。當泄壓閥被監測時，運行人員可以縮短響應時間，因為傳感器將運行人員引導到事件發生的位置。這有助于減少排放的持續時間、數量，這是可持續發展計劃的關鍵目標之一。

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閉，使其永久“沸騰”，將產品釋放到裝置的污染控制系統中，或者在最壞的情況下直接釋放到大氣中。當這種情況發生時，運行人員可能需要數小時或數天才能意識到存在的問題，然后才能確定復雜系統發生問題的位置。聲學監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：結垢。流體攜帶的顆粒物沉積在內表面上，導熱率與沉積物類型和厚度成比例下降。換熱器兩側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-液設計）;

■ 冷卻空氣溫度和流量（用于風冷設計）。

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。無論環境條件如何，這些傳感器都能通過管壁準確測量（圖4）并讀取內部流體溫度。

圖4：艾默生羅斯蒙特X-well技術可以在管道外部測量管道內部的溫度，并通過WirelessHART發送數據。

■ 利用傳統的溫度傳感器，單個發射器可以通過一個無線信號，發送來自多達四個傳感器的數據。

■ 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。

這些儀表生成的數據被傳遞給專門為熱交換器構建的分析應用，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測其與基線的偏差來尋找污染等工況，結果顯示在預先配置的儀表板上。系統識別異常工況，并在滿足某些條件時（如當污垢超過閾值），發出報發送數據。

05 照明：減少不必要的能耗

在許多過程制造設施中，無論一天中的活動或時間如何，在無人區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，在危險區域部署的老式的金屬鹵化物高強度放電（HID）燈從未關閉，這也會造成浪費。當這種情況發生在數百甚至數千個燈具上時，所消耗的電量是巨大的。

用新的智能LED燈具替換現有燈具，設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）、計時器和環境光檢測器控制，在有人的時候打開，無人的時候關閉，因此實際上可以節約更多的能源。這些裝置通過WirelessHART進行通信可以遠程激活，報告開啟時間，并向維護人員發送有關其狀態的診斷信息。

發電站、天然氣處理廠和煉油廠的運營商正受益于數字孿生技術的實施。由于這些行業具有較高的火災和爆炸風險，數字孿生技術可以預測何時進行維護，以便在出現問題之前主動解決問題。

新裝置可以像任何其它智能現場設備一樣，收集數據并進行分析，準確顯示照明消耗的電量，以及其對可持續性指標的影響。由于燈光會對周圍出現的人做出反應，因此這種方法還有一個副產品：提供設施內活動的大致情況，尤其是在夜間。

由于使用了WirelessHART、普世傳感和數據分析解決方案等技術，可以提供對所有公司利益相關者、周圍社區和全球環境產生積極影響的結果，因此上述項目可以為制造企業帶來收益。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。