تحسين استهلاك الطاقة في التصنيع: كيف يحقق الذكاء الاصطناعي وفورات بنسبة 15%

كان مصنع لقولبة البلاستيك بالحقن في تكساس يدفع 1.4 مليون دولار سنوياً مقابل الكهرباء. بعد نشر نظام إدارة الطاقة بالذكاء الاصطناعي، انخفضت فاتورته إلى 1.19 مليون دولار، أي بتخفيض قدره 15%. جاءت الوفورات من ثلاثة مواضع لم يكونوا ينظرون إليها: تسريبات الهواء المضغوط التي تعمل خارج ساعات العمل (62,000 دولار)، وتحسين نقاط ضبط نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في المستودع (48,000 دولار)، وإعادة جدولة القوالب الأكثر استهلاكاً للطاقة لتعمل خلال فترات الأسعار المنخفضة (101,000 دولار). لم يؤثر أي من هذه التغييرات على حجم الإنتاج أو جودة المنتج.

أين تختبئ الطاقة في التصنيع

يتوزع استهلاك الطاقة في التصنيع عبر أنظمة متعددة، وهذا ما يجعل تحسينه يدوياً أمراً صعباً. يبدو التوزيع التقريبي للطاقة في مصنع تصنيع منفصل نموذجي كالتالي: معدات الإنتاج من 40% إلى 55%، والهواء المضغوط من 15% إلى 25%، والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء من 10% إلى 20%، والإضاءة من 5% إلى 10%، وأنظمة الدعم الأخرى من 5% إلى 15%. داخل كل فئة، يوجد هدر يتراكم تدريجياً ويصبح غير مرئي لأنه مدمج في أنماط التشغيل العادية.

الهواء المضغوط هو المثال الكلاسيكي. قد يحتوي نظام الهواء المضغوط في مصنع على عشرات التسريبات، كل منها صغير بما يكفي بحيث لا يلاحظ أحد صوت الهسيس فوق الضوضاء المحيطة. لكن مجتمعة، يمكن أن تهدر التسريبات من 20% إلى 30% من إنتاج الضاغط. بتكلفة 0.25 دولار لكل 1,000 قدم مكعب من الهواء المضغوط، فإن مصنعاً يستخدم 500 قدم مكعب في الدقيقة بشكل مستمر ينفق حوالي 190,000 دولار سنوياً على الهواء المضغوط. معدل تسريب بنسبة 25% يمثل 47,000 دولار من الكهرباء المهدرة.

غالباً ما يتم التحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في المنشآت الصناعية بجداول نقاط ضبط بسيطة لا تأخذ في الاعتبار الإشغال أو أحمال الحرارة الإنتاجية أو توقعات الطقس أو الكتلة الحرارية للمبنى. مستودع يُحافظ على درجة حرارة 68 فهرنهايت خلال نوبة عطلة نهاية الأسبوع غير المأهولة لأن لا أحد حدّث الجدول يهدر طاقة يمكن التخلص منها بضوابط أذكى.

يتفاوت استهلاك معدات الإنتاج للطاقة مع ظروف التشغيل، وغالباً ما تختلف معايير التشغيل المثلى لكفاءة الطاقة عن الإعدادات الافتراضية. آلة قولبة بالحقن تعمل بدرجات حرارة أسطوانة أعلى بـ 10 درجات مما هو ضروري تستهلك من 3% إلى 5% طاقة إضافية لكل دورة. اضرب ذلك في 20 آلة تعمل 16 ساعة يومياً، وسيتراكم الهدر.

كيف يعمل تحسين الطاقة بالذكاء الاصطناعي

يبدأ نظام الذكاء الاصطناعي بنموذج طاقة مفصل للمنشأة. تقيس العدادات الذكية والعدادات الفرعية استهلاك الطاقة على مستوى الدائرة أو الآلة، عادةً بفواصل زمنية من ثانية واحدة إلى دقيقة واحدة. هذه البيانات الدقيقة، مع جداول الإنتاج وبيانات الطقس وهياكل أسعار المرافق، تغذي نماذج التعلم الآلي التي تتعلم سلوك الطاقة في المنشأة.

تخدم النماذج عدة وظائف. يحدد كشف الشذوذ الاستهلاك غير المتوقع للطاقة: محرك يسحب تياراً أعلى بنسبة 15% من خط الأساس التاريخي قد يعاني من مشكلة في المحمل أو عدم محاذاة. يتنبأ التنبؤ بالحمل بالطلب على الطاقة في المنشأة للساعات والأيام القادمة، مما يتيح استراتيجيات الاستجابة للطلب وتقليل الذروة. تحدد خوارزميات التحسين تعديلات المعايير وتغييرات الجدولة التي تقلل تكلفة الطاقة دون التأثير على الإنتاج.

بالنسبة لـمنشأة تصنيع، يستهدف التحسين عادةً ثلاث مجالات: نقل الأحمال المرنة إلى فترات الأسعار المنخفضة، والقضاء على الهدر من الأنظمة التي تعمل دون داعٍ، وضبط معايير التشغيل لتحقيق كفاءة الطاقة.

إدارة ذروة الطلب

يدفع العديد من المصنعين ليس فقط مقابل الطاقة المستهلكة (رسوم الكيلوواط ساعة) ولكن أيضاً مقابل ذروة الطلب (رسوم الكيلوواط بناءً على أعلى طلب خلال 15 دقيقة في فترة الفوترة). يمكن أن تمثل رسوم ذروة الطلب من 30% إلى 50% من إجمالي فاتورة الكهرباء. فترة واحدة مدتها 15 دقيقة تعمل فيها جميع الآلات والضواغط وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في وقت واحد يمكن أن تحدد علامة مائية عالية تستمر طوال فترة الفوترة بأكملها.

تنسق إدارة الطلب القائمة على الذكاء الاصطناعي تسلسلات بدء تشغيل الأحمال الكبيرة لمنع الذروات المتزامنة. بدلاً من تشغيل جميع الآلات في بداية النوبة في وقت واحد (مما يخلق ارتفاعاً هائلاً في الطلب)، يوزع النظام عمليات التشغيل على مدى 15 إلى 30 دقيقة، مع الحفاظ على ذروة الطلب تحت عتبة مستهدفة. كما يراقب الطلب في الوقت الفعلي ويمكنه تقليل الأحمال غير الحرجة مؤقتاً (تخفيض إضاءة المستودع، تدوير ضاغط، تقليل سرعة مروحة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء) أثناء ذروات الطلب.

يمكن أن تكون الوفورات من إدارة ذروة الطلب وحدها كبيرة. مصنع بذروة طلب شهرية تبلغ 2,000 كيلوواط يدفع 15 دولاراً لكل كيلوواط في رسوم الطلب يدفع 30,000 دولار شهرياً في رسوم الطلب. تقليل ذروة الطلب بنسبة 15% من خلال تنسيق الأحمال المُدار بالذكاء الاصطناعي يوفر 54,000 دولار سنوياً.

تحسين نظام الهواء المضغوط

يحقق الذكاء الاصطناعي وفورات في الهواء المضغوط من خلال عدة آليات. يقلل تحسين الضغط ضغط تشغيل النظام من المعتاد 100-110 رطل لكل بوصة مربعة إلى الحد الأدنى المطلوب من التطبيق الأكثر تطلباً مع هامش صغير، عادةً 85-95 رطل لكل بوصة مربعة. بما أن استهلاك طاقة الضاغط يزداد بنسبة 1% تقريباً لكل 2 رطل لكل بوصة مربعة من الضغط، فإن تخفيض 10 رطل لكل بوصة مربعة يوفر حوالي 5% من طاقة الضاغط.

يستخدم كشف التسريب أجهزة استشعار فوق صوتية أو تصويراً صوتياً لتحديد وتوطين التسريبات بشكل مستمر. يرتب الذكاء الاصطناعي التسريبات حسب معدل الفقد المقدر، مولداً أوامر عمل صيانة مرتبة حسب التأثير على الطاقة. تقوم أدوات التحكم المدركة لجدول الإنتاج بإيقاف تشغيل الضواغط أو تقليل الضغط أثناء الاستراحات وتغييرات النوبات والفترات غير المأهولة عندما ينخفض الطلب.

توقعات الوفورات الواقعية

إن الوفورات الإجمالية في الطاقة بنسبة 15% في مثال مصنع البلاستيك قابلة للتحقيق لكنها تمثل الحد الأعلى لمنشأة لم تقم سابقاً بإدارة منهجية للطاقة. المصانع التي نفذت بالفعل إجراءات أساسية (إضاءة LED، محركات تردد متغير على المراوح والمضخات، برامج كشف التسريب) ستشهد تحسينات أكثر تواضعاً مدفوعة بالذكاء الاصطناعي تتراوح بين 8% و12%. المصانع ذات المعدات القديمة وبدون تحسين سابق يمكنها أحياناً تحقيق من 18% إلى 22%.

تتراوح تكاليف التنفيذ لمنشأة تصنيع متوسطة الحجم (من 50,000 إلى 200,000 قدم مربع) بين 50,000 و150,000 دولار للأجهزة (عدادات فرعية، بوابات إنترنت الأشياء، وحدات تحكم) ومن 25,000 إلى 60,000 دولار سنوياً لمنصة البرمجيات. مع تكاليف طاقة سنوية تبلغ 500,000 دولار أو أكثر، تكون فترة الاسترداد عادةً من 12 إلى 24 شهراً. بالنسبة للمنشآت ذات رسوم الطلب المرتفعة أو هياكل أسعار وقت الاستخدام، يمكن أن تكون فترة الاسترداد أقل من 12 شهراً.

تتجاوز القيمة المستمرة للذكاء الاصطناعي في مجال الطاقة الوفورات المباشرة. تصبح بيانات الطاقة الدقيقة أداة إدارية تربط استهلاك الطاقة بقرارات الإنتاج. عندما يستطيع مدير المصنع أن يرى أن تشغيل القالب 7 يكلف 0.42 دولار لكل دورة أكثر من القالب 12 لنفس القطعة، فإن هذه المعلومات تغذي قرارات تكلفة العمل والتسعير والجدولة بطرق لم تكن ممكنة سابقاً.