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全面掌握廠房狀態 精準打造智慧廠務系統
 

【作者: 王明德】   2019年08月13日 星期二

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根據經濟部能源局統計資料,工業部門的能源消耗量占整體消耗量的50%,可說是最主要的能源消耗單位,也是最具節能潛力的產業,廠區耗電設備種類繁多,其中以空調系統所占比重最高,約為整體耗電量50%~60%,因此,工廠節能應從用電量最大的設備、也就是空調系統開始,成效才會最顯著。


嵌入式電腦 強化精準度與整合力


圖1 : 廠務系統會是智慧化系統效益浮現最快之處,在智慧建築與工業物聯網的架構下,工廠的節能、環境監測都可有立即且顯著的提升。
圖1 : 廠務系統會是智慧化系統效益浮現最快之處,在智慧建築與工業物聯網的架構下,工廠的節能、環境監測都可有立即且顯著的提升。

一般來說,廠區空調系統大多根據最高使用量來設計,也就是夏天外氣溫度最高、廠內工作人員最多、生產線產能最大的時候,但根據過往資料顯示,一年365天裡,很少有機會遇到這種最高標準的情況,甚至根本不會發生。


換句話說,大多數冰水主機都是在低負載的狀態下運轉,這種運轉模式不只會降低機器壽命,更會造成無謂的電力浪費;再加上每部主機的性能不一,運轉時間愈久,性能差異愈大,電能浪費也就更多,尤其電子廠這種大型空調用戶,其空調負荷冷凍噸大都破萬,主機數量多、容量又大,無謂的電力消耗也就更多。如果能做好節能控制,讓冰水主機維持最佳運轉效率,自然也就減少電力支出成本。


傳統工廠透過PLC進行空調控制,整合感測器及變頻器進行控制。通常會使用的感測器共有外氣溫度、外氣含值、流量等三項,感測器將感測數值上傳至PLC進行運算,再驅動變頻器運作,由變頻器控制馬達運轉效率。由於PLC只單純具備控制功能,必須整合人機介面,才能提供管理者瀏覽各項資訊。



圖2 : 在智慧建築與工業物聯網的架構下,工廠的節能、環境監測都可有立即且顯著的提升。( source: Lanner Group)
圖2 : 在智慧建築與工業物聯網的架構下,工廠的節能、環境監測都可有立即且顯著的提升。( source: Lanner Group)

為了提升空調控制系統的擴充與整合能力,現在廠商多將PLC與HMI整合,不僅節省系統空間,也降低建置成本。另外,就系統整合面來看,早期控制器、變頻器、及馬達三者間走硬線整合的模式,透過實體拉線讓三者可以互相傳遞資料,如今隨著網路技術成熟,三者倘若改走通訊整合模式,就能省去拉線作業,惟前提條件是必須支援開放式通訊協定,使之具備支援乙太網路通訊協定,可以有效簡化系統整合作業,相較於傳統PLC具備更高的擴充彈性。


目前空調控制器的種類有很多,在樓宇自動化領域裡,最常見的就是DDC(Digital Logic Controller;數位邏輯控制器),不過DDC的控制精準度與整合能力不比嵌入式電腦或PLC。



圖3 : 工業部門的能源消耗量占整體消耗量的50%,可說是最主要的能源消耗單位,也是最具節能潛力的產業。(source: Nestle Waters)
圖3 : 工業部門的能源消耗量占整體消耗量的50%,可說是最主要的能源消耗單位,也是最具節能潛力的產業。(source: Nestle Waters)

先就控制精準度來看,樓宇空調系統當機並不會產生太嚴重的影響,最多只是造成大樓內工作者的抱怨及不舒服感受,但工廠空調系統當機就會影響生產進度,損失可能以新台幣百萬元或千萬元為單位,所以工廠對於控制器的穩定性及精準度要求相當高,這是工廠採用PLC控制空調系統的第一個原因。


至於第二個原因則是考量到控制器的整合能力,工廠的驅動設備與控制系統未必是同一個廠牌,這意味著其所採用的通訊協定也都不同,而DDC通常都走封閉式通訊協定,若要整合不同廠牌的驅動設備其實並不容易,但嵌入式電腦整合能力較高,即便與驅動設備使用不同協定,也可以透過序列通訊技術整合,達到空調節能控制目的。


應用ESCO服務模式 降低企業導入成本

一般來說,工廠在導入空調節能控制系統後,可享有三點效益。首先是降低用電量,平均而言,冰水系統用電量可以節省9.5%~28%,這得視各工廠情況而定,有些工廠原本就已經有節能措施,例如:定期保養冰水系統、加裝變頻器等,使用節能控制系統的效益就會比較不明顯。其次是節省電費支出,用電度數下滑,最直接的影響就是節省電費支出,當然這個數字也是因工廠而異,並沒有絕對標準。最後是調整契約容量,以往企業總認為超約罰款是件不好的事情,所以跟台電簽訂契約容量時,通常設定在最高用量,但真正做法應該是設定在年度用電平均值。


雖然,節能對企業、對社會都有幫助,但昂貴建置成本常會令企業裡足不前,尤其經歷金融風暴衝擊後,企業對於投資的態度轉趨於保守,連帶讓系統整合商在推動節能控制系統上變得較為辛苦。


對於廠房節能,廠商建議可採用ESCO營運模式,由系統整合商提供硬體設備,企業不必負擔建置成本,待節能控制系統發揮效益後再來付款。


產品效能愈高 成本回收速度愈快

ESCO的具體做法是系統整合廠商必須每月驗證節能效益,首先比較空調系統處於一般模式及節能模式的耗電量,透過用電量差異來計算電費,此即為企業導入空調控制系統的節能成效,之後再根據節能效益收取一定的比例做為收入,當總收入達到原先設定的金額時,客戶就不必再付款。


舉例來說,在一般模式下,工廠空調系統的電費支出為100萬元,節能模式下為80萬元,兩者相減得出節能效益為20萬元,倘若最初設定的收款比例為節能效益的10% ,總金額為100萬元,那麼某甲工廠要支付的金額就是20萬元×10%=2萬元,當付出總額達到100萬元後,某甲工廠就可以不必再付款,也同時取得空調節能控制系統的所有權。


對系統整合商而言,ESCO模式雖然可以吸引客戶,但自身卻得揹負龐大的資金壓力,惟有加快成本回收速度、才能減輕資金壓力,因此,在選擇控制器時最好以高效能產品為主,控制器效能愈好、節能效益愈顯著、成本回收速度就愈快。


釐清自身需求 順利導入智慧廠務系統

除了營運模式的選擇,在實際導入時,業者與系統廠商也需注意幾個重點,泓格科技行銷業務處副總經理鄭樹發指出,目前製造業者在導入智慧廠務系統時,最常見的問題是不知從何而做起,對此他與多數業界人士的意見一樣,都建議從電力監控做起,鄭樹發表示,電力系統的偵測可以看出整個工廠的運作狀態是否正常,例如從用電量就可掌握產線設備的開關機時間,或以用電量推算每月產能,一旦出現異常,即可回溯找出原因。



圖4 : 泓格科技行銷業務處副總經理鄭樹發指出,建置智慧廠務系統時,必須盡量縮短工廠設備的停機時間。(攝影/王明德)
圖4 : 泓格科技行銷業務處副總經理鄭樹發指出,建置智慧廠務系統時,必須盡量縮短工廠設備的停機時間。(攝影/王明德)

電力監控之外,溫溼度感測、安全監控也是廠房監控的重要部份。鄭樹發表示,製鞋或食品業等必須嚴格掌控原料品質的製造業,環境狀態是極重要的資訊,一但出錯極有可能造成大量損失,因此這類型製造業的庫房環境偵測非常重要,此外安全監控也是製造業必要的IT建置,現在已有安全監控廠商在前端攝影機中導入邊緣運算機制,可立即偵測到監控範圍中的異常狀況,並即時通知廠務人員處理。


電力、溫溼度、安全監控等智慧廠務設備,都分屬於不同系統,資訊也分別顯示在各自的人機介面上,其紛雜的界面不利於管理,工業物聯網成型後,已有廠商推出單一平台,納入廠務系統的不同設備資訊,廠務人員可在同一介面上管理不同系統,提升管理效率。


此外在建置系統時,鄭樹發特別指出必須盡量縮短工廠設備的停機時間,對此泓格科技則推出iWSN系列無線無源數據採集方案,以外掛方式縮短設備建置時間,不必拉電源線與通訊線,施工需求歸零,直接省掉原來成本吃重的系統整合工序。透過此系列產品,有助於讓問題單純化、滿足製造端的需求。


對於廠務系統的導入,鄭樹發指出,工廠的運作比一般建築更為複雜,不過功能需求也非常明顯,包括各種能源的掌控、廢氣廢水的排出偵測、溫溼度感測與安全監控等,這些偵測目前都已有成熟技術,製造商要注意的是必須釐清本身需求,才能與系統整合商合作,設計出最適化智慧廠務系統。


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