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马达与减速机预兆诊断技术先行
产研聚焦预测价值大於诊断
[作者 陳念舜]   2020年09月09日 星期三 浏览人次: [2620]

因应近年来新冠肺炎(COVID-19)疫情蔓延全球,促成远距工作型态兴起,也相对提升智慧工厂里的预兆诊断技术重要性。不仅已从传统用来延续马达与减速机等基础??转机械、关键零组件、设备的寿命,避免发生意外停机风险之外,但更重要的价值其实是在预测而非诊断,软体价值更甚於硬体!


根据工研院机械与机电系统研究所剖析,随着近年来工业4.0、智慧制造话题不断发酵,即使是无人工厂的机器设备、基础??转机械之间仍须沟通,才能得知其最新状态、效能,经过连网及大数据分析之後进行预兆诊断。



图1 : PdM被视为IIoT应用面需求最大的项目之一,可预计??转机械何时故障,并即时更换、排修。(source:i.yting.com)
图1 : PdM被视为IIoT应用面需求最大的项目之一,可预计??转机械何时故障,并即时更换、排修。(source:i.yting.com)

目前工业物联网(IIoT)技术的主要价值在於藉此营造制造服务化的条件,以协助台湾产业设备业者提升附加价值率,从买方市场的设备提供者(平价)反转成为卖方市场的设备提供者(高值),创造高品质营收,带动台湾零组件厂切入国际大厂Tier1供应链。


其中PdM(Predictive Maintenance;PdM)被视为IIoT应用面需求最大的项目之一,可预计??转机械何时故障,并即时更换、排修。根据德国IOT ANALYTICS评估,截至2022年PdM市场产值可??超过百亿美元。另依美国FROST&SULLIVAN公司评估,PdM系统较大的应用市场在於制造业、石化业、电厂,导入智慧感测器(MEMS based sensors)、特徵分析技术(Pattern recognition analysis)、PMS无线装置系统(Wi-Fi enabled hardware systems for PMS)也被认为成功机会较大。


工研院聚焦PMS软体 衍生3功能模组

相较於民间倾向硬体制造,工研院开发的PdM关键技术与其他单位最大的不同,在於具备资料撷取系统建置能力,包含选用感测器/DAQ及感测位置等,以确保资料有效,其品质对讯号分析的影响降至最低。


同时具有软体形式,可整合纳入专家经验法则,有别於其他单位多数仅以实验验证(data-driven)方式分析,乃基於学理(model-based)+实验验证(data-driven)结果,功能明确且多数可自动执行,并以交付分析手法/工具为主;软体也具有复制性,针对基础??转机械的导入门槛及时间均低。即使面对不同产业、未曾接触的机台,也有一定准确度,不必随着客户要求改变开发目标,便须重新搜集大量数据分析。


目前工研院发表的PMS预兆诊断系统软体又陆续衍生出:性能评价(Performance)、寿命预测(Prediction)、故障诊断(Prognosis)3大功能模组。


其中最早开发出来的「故障诊断模组」,系因应传统产业使用的大型马达通常不会一次很快就全部损坏,但当时老师傅虽然只要看到讯号波形,就能判断故障主因或何时将发生,却无法100%传承经验,或一次监控数百部马达与减速机,所以业者只想藉此了解部份核心机台状态,并预测何时会故障。



图2 : 工研院开发的PdM关键技术具备资料撷取系统建置能力及软体形式,不必随着客户要求改变开发目标,必须重新搜集大量数据分析。(source:工研院)
图2 : 工研院开发的PdM关键技术具备资料撷取系统建置能力及软体形式,不必随着客户要求改变开发目标,必须重新搜集大量数据分析。(source:工研院)

所以工研院结合设备零组件资讯及专家经验,运用时频分析技术及模糊类神经网路演算法,针对主轴、轴承、齿轮箱、马达等关键零组件逾20种故障类型进行准确判读,避免人为误判而浪费维修保养时间,可加速维护及零组件之更换。


接着推出机器「性能评价模组」,同时考量了设备特性及相应国际标准规范,运用振动讯号特徵萃取技术及??归演算法,为客户制定评价模型,针对当下运转状态评分;亦可由客户自订时间轴、监控项目及范围,如振动速度、位移量、特定频谱分量等,即时掌握机台性能及健康指标,当评分低於指标再关注,以提升设备管理效率、产能与品质,降低物料库存的成本,也确保产线正常运作,减轻管理者负担。


「趋势(寿命)预测模组」,则会依监控项目执行适当的数据平滑化,并采用多项式曲线拟合、自??归移动平均模型等时间序列分析技术预测发展趋势,可针对自定义之维护点进行准确的剩馀时间预测,延长设备操作时间,趋近於零停机时间。进而关注振动频率等健康指标,预估何时将会到达轴承或其他零组件寿命的更换标准及汰换周期,以进行精确而有效率管理,不必换新整部马达。


西门子结合CMS模组 最隹化制程效率与节能

台湾西门子公司驱动暨马达处产品经理郑志鸿也肯定工研院辅导业界,导入预兆诊断技术的用心,尤其像马达与减速机等基础??转机械虽位居工厂自动化(FA)控制领域核心的角色,如电厂冷却水泵、炼钢厂高炉、风力电机等核心设备的马达只要一失效就停摆,且不易备料,却最容易被忽略,不比上层PLC控制器还会要求具备双重??路备援的安全机制。


即使近年来受到疫情影响,更添远距预兆诊断的重要性价值,但要求所有基础??转机械皆应建置远端通讯、控制介面与感测器的成本仍然过高;且在传统产业的感应式马达虽多,通常发生异常振动後一段时间,才会造成实质影响,所以愿意全面导入预兆诊断技术者不多,传产OEM设备客户也未必接受,顶多只投资较接近上游制程的核心设备。郑志鸿认为:「硬体设备、??转机械制造厂商在数位化转型潮流里,其实比较像是大数据资讯产生者,也要搭配末端感测器和通讯介面,才能上传搜集的资料到工业云分析、诊断。」


如今包含东元、西门子都已推出可加装於PLC的无线智慧状态监控模组CMS,以监测马达振动、温度、电流、速度等sensor搜集运行状态与时数,即使少了驱动器或变频器启动、控制电流,也能通过闸道器、无线传输、蓝牙、Wi-Fi连网,上传到边缘运算装置或开放式云平台,分析电流变化以了解马达是否异常。


待累积足够相同规格的设备维修记录,还能进行全数位化预诊、快速修复,不必完全仰赖老师傅经验;或是经智慧手机App显示、应用,安排适当保养周期。由於直接针对使用者情境应用,可不限设备品牌,依传产或科技产业应用的运转条件、环境、负载等标准有别,所得的预诊寿命数据甚至比原厂更精准!西门子在台湾销售的马达具有最高防护等级,生命周期比同业更久,可适用於码头等极端环境,在台湾沿岸码头的天车上具有60%~80%的市占率。


此外,现在预兆诊断还能用来改良制程叁数,以防因为马达、齿轮箱异常而冲击机械寿命,影响产品良率。例如西门子也会将振动感测器安装於齿轮箱、轴承等,针对整体驱动系统搜集振动、温度等数据并分析,上传PLC/PC控制系统,以达到最隹化制程速度、节能,提高产品良率;或上传MindSphare提供系统整合商、终端客户分级索取资料後,用来规划、制程分析等服务、建立App会更有弹性。


西门子也将所有部门的PLC控制器/变频器的调机软体、编程都可整合於单一平台TIA portcal完成虚实整合,让选型软体更容易使用,可快速取得所需产品加以整合。若像极重视资安的半导体大厂,或是数位化程度有限的传统产业,如押出成形制程的电流曲线等,便能交由其信任的云平台或SI公司针对特定产业开发;未来还可能将相关叁数输入AI资料库,倘若轴承运转超过一定时数,也会通知添加润滑油。


甚至有App可让使用者透过AR眼镜显示马达资讯,进行远端诊断、维修、叫货备品。因应最近疫情加速客户导入数位化,西门子也持续推广预知保养概念,以防意外停机,造成现场人员压力过大或维修时急着调货。郑志鸿表示,毕竟所有马达都不会突然升温,而可在出现一段温度上扬曲线阶段即可提前按排程维修、叫货,避免整批货报销。



图3 : 因应疫情加速客户导入数位化,Siemen现也持续推广预知保养概念,以防意外停机,造成现场人员压力过大或维修时急着调货。(source:hannovermesse.de)
图3 : 因应疫情加速客户导入数位化,Siemen现也持续推广预知保养概念,以防意外停机,造成现场人员压力过大或维修时急着调货。(source:hannovermesse.de)

值得一提的是,由於判断高效率马达的指标之一还包括节能,依现今国际针对市占率最高的AC鼠笼式感应马达的最低能源效率标准MEPS(minimum energy performance standard),又分为欧盟IEC、北美NEMA两类,带来的节能效益最为立竿见影。西门子不仅拥有业界最完整的低压系列马达,早在台湾尚在推行IE2政策阶段,就已率先推出IE3等级马达,至今已顺利量产供货台湾电子大厂;并逐步迈向IE4等级,供应其他更重视能效的企业投资新厂。


另随着感应式马达发展达到一定瓶颈後,会开始跳脱到永磁或同步磁组机种。目前Siemens系列马达产品不仅涵括感应式/永磁式机种,也在约3~5年前发表同步磁组机种,以替代既有永磁式马达,也避免受到国际贸易战火下的稀土限制。


东元提供最隹化配置策略 完善??转机械节能产品

台湾马达制造大厂东元集团则除了面对国际数位化浪潮,主要推广完整数位智慧解决方案之外,也陆续推陈出新一系列永磁/感应式马达、AC/DC伺服马达等高效节能的马达单体,以针对不同制造应用场域,同时配合国际IE2~IE3规范演进,甚至已推出150HP以下的全系列IE4永磁式马达。


尤其若考量藉马达单体可提高约1~2%的效率有限,还不如加上变频器可达到约30~35%的节能效果为隹,所以东元集团在选择IE4高效率马达策略上也纳入永磁马达,可在总体转速区间内维持较高效率,不像传统感应马达加上变频器配置的缺点,在於低转速区间的效率会下滑。永磁式马达加上变频器配置,则比较适用於转速区间、操作范围变化较大,或长期处於偏低转速应用领域者。



图4 : 东元集团透过最近并购的义大利Motorvero减速机品牌,完善??转机械节能产品,实现最隹化配置策略。(摄影/陈念舜)
图4 : 东元集团透过最近并购的义大利Motorvero减速机品牌,完善??转机械节能产品,实现最隹化配置策略。(摄影/陈念舜)

至於传统感应马达加上减速(机)齿轮箱系统更适用於固定转速、操作范围者,东元现也透过最近并购的义大利Motorvero减速机品牌,先行发展10HP以下系列同步磁组马达。若能以减速机搭配定速马达使用,既少了调速的困扰,可降低成本又提升效率,还能采取自启动模式。加装笼条在转子内直接起动,便不必仰赖变频器驱动;甚至可利用磁石辅助型机种来取代容易受稀土限制的永磁马达,达到同等效率、成本又低。


但制程成本仍高,若无法自启动时,还须加入变频器的成本。且感应马达可依负荷改变而提高滑差(slip),耐受性高而不致损坏马达,有别於同步磁阻马达的缺点是一旦负载、转矩生变,超过可同步范围就会脱速,造成意外灾害。所以东元预估不会很快推出同步磁组马达单体,而是先考虑在特殊应用情境的节能需求,逐步取代感应马达,仍会依叁数要求加装变频器驱动油泵等,达成马达加上变频器的双重节能效果。


**刊头照:(source:flender.com)


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