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全面掌握厂房状态 精准打造智慧厂务系统
[作者 王明德]   2019年08月13日 星期二 浏览人次: [1412]

根据经济部能源局统计资料,工业部门的能源消耗量占整体消耗量的50%,可说是最主要的能源消耗单位,也是最具节能潜力的产业,厂区耗电设备种类繁多,其中以空调系统所占比重最高,约为整体耗电量50%~60%,因此,工厂节能应从用电量最大的设备、也就是空调系统开始,成效才会最显着。


嵌入式电脑 强化精准度与整合力


图1 : 厂务系统会是智慧化系统效益浮现最快之处,在智慧建筑与工业物联网的架构下,工厂的节能、环境监测都可有立即且显着的提升。
图1 : 厂务系统会是智慧化系统效益浮现最快之处,在智慧建筑与工业物联网的架构下,工厂的节能、环境监测都可有立即且显着的提升。

一般来说,厂区空调系统大多根据最高使用量来设计,也就是夏天外气温度最高、厂内工作人员最多、生产线产能最大的时候,但根据过往资料显示,一年365天里,很少有机会遇到这种最高标准的情况,甚至根本不会发生。


换句话说,大多数冰水主机都是在低负载的状态下运转,这种运转模式不只会降低机器寿命,更会造成无谓的电力浪费;再加上每部主机的性能不一,运转时间愈久,性能差异愈大,电能浪费也就更多,尤其电子厂这种大型空调用户,其空调负荷冷冻吨大都破万,主机数量多、容量又大,无谓的电力消耗也就更多。如果能做好节能控制,让冰水主机维持最隹运转效率,自然也就减少电力支出成本。


传统工厂透过PLC进行空调控制,整合感测器及变频器进行控制。通常会使用的感测器共有外气温度、外气含值、流量等三项,感测器将感测数值上传至PLC进行运算,再驱动变频器运作,由变频器控制马达运转效率。由於PLC只单纯具备控制功能,必须整合人机介面,才能提供管理者浏览各项资讯。



图2 : 在智慧建筑与工业物联网的架构下,工厂的节能、环境监测都可有立即且显着的提升。( source: Lanner Group)
图2 : 在智慧建筑与工业物联网的架构下,工厂的节能、环境监测都可有立即且显着的提升。( source: Lanner Group)

为了提升空调控制系统的扩充与整合能力,现在厂商多将PLC与HMI整合,不仅节省系统空间,也降低建置成本。另外,就系统整合面来看,早期控制器、变频器、及马达三者间走硬线整合的模式,透过实体拉线让三者可以互相传递资料,如今随着网路技术成熟,三者倘若改走通讯整合模式,就能省去拉线作业,惟前提条件是必须支援开放式通讯协定,使之具备支援乙太网路通讯协定,可以有效简化系统整合作业,相较於传统PLC具备更高的扩充弹性。


目前空调控制器的种类有很多,在楼宇自动化领域里,最常见的就是DDC(Digital Logic Controller;数位逻辑控制器),不过DDC的控制精准度与整合能力不比嵌入式电脑或PLC。



图3 : 工业部门的能源消耗量占整体消耗量的50%,可说是最主要的能源消耗单位,也是最具节能潜力的产业。(source: Nestle Waters)
图3 : 工业部门的能源消耗量占整体消耗量的50%,可说是最主要的能源消耗单位,也是最具节能潜力的产业。(source: Nestle Waters)

先就控制精准度来看,楼宇空调系统当机并不会产生太严重的影响,最多只是造成大楼内工作者的抱怨及不舒服感受,但工厂空调系统当机就会影响生产进度,损失可能以新台币百万元或千万元为单位,所以工厂对於控制器的稳定性及精准度要求相当高,这是工厂采用PLC控制空调系统的第一个原因。


至於第二个原因则是考量到控制器的整合能力,工厂的驱动设备与控制系统未必是同一个厂牌,这意味着其所采用的通讯协定也都不同,而DDC通常都走封闭式通讯协定,若要整合不同厂牌的驱动设备其实并不容易,但嵌入式电脑整合能力较高,即便与驱动设备使用不同协定,也可以透过序列通讯技术整合,达到空调节能控制目的。


应用ESCO服务模式 降低企业导入成本

一般来说,工厂在导入空调节能控制系统後,可享有三点效益。首先是降低用电量,平均而言,冰水系统用电量可以节省9.5%~28%,这得视各工厂情况而定,有些工厂原本就已经有节能措施,例如:定期保养冰水系统、加装变频器等,使用节能控制系统的效益就会比较不明显。其次是节省电费支出,用电度数下滑,最直接的影响就是节省电费支出,当然这个数字也是因工厂而异,并没有绝对标准。最後是调整契约容量,以往企业总认为超约罚款是件不好的事情,所以跟台电签订契约容量时,通常设定在最高用量,但真正做法应该是设定在年度用电平均值。


虽然,节能对企业、对社会都有帮助,但昂贵建置成本常会令企业里足不前,尤其经历金融风暴冲击後,企业对於投资的态度转趋於保守,连带让系统整合商在推动节能控制系统上变得较为辛苦。


对於厂房节能,厂商建议可采用ESCO营运模式,由系统整合商提供硬体设备,企业不必负担建置成本,待节能控制系统发挥效益後再来付款。


产品效能愈高 成本回收速度愈快

ESCO的具体做法是系统整合厂商必须每月验证节能效益,首先比较空调系统处於一般模式及节能模式的耗电量,透过用电量差异来计算电费,此即为企业导入空调控制系统的节能成效,之後再根据节能效益收取一定的比例做为收入,当总收入达到原先设定的金额时,客户就不必再付款。


举例来说,在一般模式下,工厂空调系统的电费支出为100万元,节能模式下为80万元,两者相减得出节能效益为20万元,倘若最初设定的收款比例为节能效益的10% ,总金额为100万元,那麽某甲工厂要支付的金额就是20万元×10%=2万元,当付出总额达到100万元後,某甲工厂就可以不必再付款,也同时取得空调节能控制系统的所有权。


对系统整合商而言,ESCO模式虽然可以吸引客户,但自身却得背负庞大的资金压力,惟有加快成本回收速度、才能减轻资金压力,因此,在选择控制器时最好以高效能产品为主,控制器效能愈好、节能效益愈显着、成本回收速度就愈快。


厘清自身需求 顺利导入智慧厂务系统

除了营运模式的选择,在实际导入时,业者与系统厂商也需注意几个重点,泓格科技行销业务处??总经理郑树发指出,目前制造业者在导入智慧厂务系统时,最常见的问题是不知从何而做起,对此他与多数业界人士的意见一样,都建议从电力监控做起,郑树发表示,电力系统的侦测可以看出整个工厂的运作状态是否正常,例如从用电量就可掌握产线设备的开关机时间,或以用电量推算每月产能,一旦出现异常,即可回溯找出原因。



图4 : 泓格科技行销业务处??总经理郑树发指出,建置智慧厂务系统时,必须尽量缩短工厂设备的停机时间。(摄影/王明德)
图4 : 泓格科技行销业务处??总经理郑树发指出,建置智慧厂务系统时,必须尽量缩短工厂设备的停机时间。(摄影/王明德)

电力监控之外,温湿度感测、安全监控也是厂房监控的重要部份。郑树发表示,制鞋或食品业等必须严格掌控原料品质的制造业,环境状态是极重要的资讯,一但出错极有可能造成大量损失,因此这类型制造业的库房环境侦测非常重要,此外安全监控也是制造业必要的IT建置,现在已有安全监控厂商在前端摄影机中导入边缘运算机制,可立即侦测到监控范围中的异常状况,并即时通知厂务人员处理。


电力、温湿度、安全监控等智慧厂务设备,都分属於不同系统,资讯也分别显示在各自的人机介面上,其纷杂的界面不利於管理,工业物联网成型後,已有厂商推出单一平台,纳入厂务系统的不同设备资讯,厂务人员可在同一介面上管理不同系统,提升管理效率。


此外在建置系统时,郑树发特别指出必须尽量缩短工厂设备的停机时间,对此泓格科技则推出iWSN系列无线无源数据采集方案,以外挂方式缩短设备建置时间,不必拉电源线与通讯线,施工需求归零,直接省掉原来成本吃重的系统整合工序。透过此系列产品,有助於让问题单纯化、满足制造端的需求。


对於厂务系统的导入,郑树发指出,工厂的运作比一般建筑更为复杂,不过功能需求也非常明显,包括各种能源的掌控、废气废水的排出侦测、温湿度感测与安全监控等,这些侦测目前都已有成熟技术,制造商要注意的是必须厘清本身需求,才能与系统整合商合作,设计出最适化智慧厂务系统。


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