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数位转型要求简便快捷 流体控制续向电控整合
[作者 陳念舜]   2021年01月06日 星期三 浏览人次: [3090]

面对现今数位转型浪潮一波接着一波,尤其在COVID-19疫情肆虐期间已非企业选项之一,而是关??生死存亡之际,来不及跟上的企业可能很快就会被後浪淘汰。过去常被视为传统产业的液/气压流体控制系统大厂也持续与上层电控、驱动系统深入整合应用,或不断推陈出新产品。


其中制造业无论是在迈向工业4.0或5G时代,为了要求增效节能,更进一步「拧毛巾」;或跨足新兴领域发展,新一代智慧工厂/产线更应具备分散式智慧控制能力,以实现多样少量化或大批量客制化生产等目标。但攸关厂内基础设施运行的管线、阀门即使性能、品质再好,仍有赖於上层液/气压系统精准控制、出力传动。


所以除了行之有年的阀岛装置,已可借助总线系统整合多种电气、气动和机械功能,安装於控制柜内节省空间并降低成本,只需要一个中央气动压缩空气供应装置,即可控制大量的阀门功能;与PLC相连之後,还能用来处理信号及控制特定数量的阀门,甚至加入通讯连网功能,使得安装软体和编程变得更容易,不必单独设定叁数


为了设备运行最隹化,还应具有更全面的诊断功能,在工业4.0架构下,阀岛通常被作为结合多项诊断功能的电子气动自动化系统,可根据目标应用选择合适的功能,并将阀门电路和感测器内建在一个设备内,与上游控制系统连接,得以在故障发生时快速识别并排除,以甚至最隹时间排程维护,防止意外停机。如今该观念也已逐步引进液(油)压系统,与上层电控、驱动装置整合,成为完善动力单元。


宝帝联手Siemens流体电控整合 迈向工业4.0里程碑

身为德国老牌BURKERT分公司的台湾宝帝公司认为,未来肯定不会只有一家厂商能独力完成数位转型,还须要广邀其他跨领域夥伴携手前进,否则将会被淘汰。所以该公司近年来除了发表多年来引进符合工业4.0架构下的现场层先进流体控制、量测系统等相关产品之外,也积极透过与同为欧系大厂西门子公司(Siemens)合作,推出一系列依应用导向为主,为客户量身打造OT+IT的现场解决方案。


图1 : 台湾宝帝透过与同为欧系大厂西门子公司(Siemens)合作,推出一系列依应用导向为主,为客户量身打造OT+IT的现场解决方案。(摄影/陈念舜)
图1 : 台湾宝帝透过与同为欧系大厂西门子公司(Siemens)合作,推出一系列依应用导向为主,为客户量身打造OT+IT的现场解决方案。(摄影/陈念舜)

台湾宝帝指出,随着传统金字塔型的自动化架构(I/O←PLC←SCADA←MES←ERP)即将被淘汰,工业4.0「网实整合系统(Cyber-physical system ,CPS)」才是未来主流,促成现场操作层OT(Operational Technology)、资讯层IT(Information Technology)融合速度越来越快。


然而,无论上层资讯科技如何演进,仍须搜集现场基础元件、设备资讯回??,以免沦为事倍功半。该公司也为此推出在OT层将基础资讯上传的可行解决方案,强调系依应用导向为主,足以符合各行各业要求,例如从水处理领域出发,同时扩及半导体、食品等产业。


另随着持续迈向工业4.0进程,让全球工业乙太网路的速度与日俱增,制造业使用者也面临新的挑战,必须能兼顾企业竞合,连结现今市面上所有通讯协定,无论身处产业链上下游的任何环节,皆应承担环保等社会责任。目前台湾宝帝提出的通讯架构之一「Remote IO」,即可整合现场层I/O模组,或部分未有通讯介面的基础元件/设备资讯,再通过PROFINET连网上传。


还能与Siemens合作开发的气电合一阀岛系统ET 200SP相容,供气驱动现场所有阀类、驱动装置及其所有资讯上传;另有监控并显示自我诊断功能,以迎合工业4.0趋势,只要得知现场其中一颗电磁阀故障、运转时数,就能预知整条产线是否该投入生产,避免浪费原料、延迟交期。


其中「Switch」架构比照一般居家网路,只要通过Hub、设备通讯介面等,就能将资料上传,另可搭载共有6组通道的复合式控制器,接收来自现场不同讯号来源分析,可省下大量I/O接点。「Proxy」架构则透过总线、阀岛+子线(IO-Link)混合方式,搜集所有现场设备讯号,既能节省配电盘内安装闸道器、电源模组I/O点数空间20%,甚至可取消控制盘配置,符合工业4.0架构的无缝传输需求,方便资产管理及降低安装成本。


目前台湾宝帝除了在IT领域能确保网路架构无缝接轨,透过边缘控制器从远端监控,或上传所有周期/非周期资讯到云端。并建议客户从最基础元件/设备开始,厘清想搜集资料的方式、种类、数量等,再接着引进相关通讯解决方案,也应考虑制程和场地因素,兼顾省配线及自我诊断功能。


博世力士乐Cytro Family推陈出新 强调高效增能特性

另一家德商博世力士乐公司(Bosch Rexroth)则持续推陈出新智能油压系列(Cytro Family)产品,前一代变频液压站CytroPac虽然足以满足现代液压所需的解决方案,集液压元件、变频器、马达、泵、感测器於一体,属於不必安装柜的动力单元,可提供即??即用型解决方案;且因分散式变频液压站能感应所有操作状态,通过状态监测设备,而符合工业4.0趋势。新款系列产品还能按所需速度控制设备,功率范围可达4kW、流量5L/min,简化了调试作业,约减少能源消耗80%。


博世力士乐公司进一步指出,该公司2019年推出的最新一代CytroBox高效动力单元,系透过精准能源管理而提高生产力,改用可变速同步伺服马达与轴向柱塞泵整合後,使之功率效能约可维持於7.5kW~30kW的中阶范围内,比起传统设备更高。从而实现「按需供能」目标,利用变速泵驱动器中的预设控制器,按照机器的能量需求来调整自身叁数匹配,得以在无载或轻载时减速而节能、满载时快速响应增速,比起传统定速驱动方案节能80%。



图2 : 博世力士乐公司推出的最新一代CytroBox高效动力单元,系透过精准能源管理而提高生产力。(source:博世力士乐)
图2 : 博世力士乐公司推出的最新一代CytroBox高效动力单元,系透过精准能源管理而提高生产力。(source:博世力士乐)

同时改善了过往以伺服马达驱动线性螺杆,无力传动过远距离的缺点。由於CytroBox改用液压传动的最大压力达315Bar、最大流量160L/min,即使远距仍可抵达预定位置;且维持原有电控指令(0~10V)操控比例阀,只须透过内部Cytro connect功能连网Wi-Fi,下载手机App输入叁数,来监控温度、马力,在需要时才起动伺服马达及泵,让使用者不必重新学习,或仰赖机械、液压专家个别教导及调校作业。


除了动力单元本身具备高效节能的生产特性外,机器制造厂商还为了考量减少工序和降低噪音等需求,采用3D 列印制造砂芯工法的液压阀块,不必重新翻模、浇铸成型,使得阀块紧凑度高达40%、流量通道设计最隹化而更为平滑,有效提高流量、减轻压力损失;因此减少使用螺钉,抑制泄漏量,更有助於CytroBox高效操作。


由於将所有零组件紧凑集中於单体外壳里,节省占用空间,方便搬运、安装或改机,仅须占地面积约0.5m2,就能灵活地整合到现有生产线中;通过CFD模拟、设计弯道阻绝空气,将油箱体积缩减了75%,从600L降为150L;同步技术应用也能有效节省空间,如同步马达体积便比异步马达紧缩90%,使得所有冷却液管路都不再是必要。


以及锁固电机泵组於聚合物混凝土的底座基础上,还能降低因结构造成的噪音;内建隔音垫的配置,可完全吸收在空气里传递的噪音,即使满载时也小於75dB,因此降低了额外建置减噪措施的需求和降噪的成本,即使在液压动力单元附近,也能舒适工作。


目前除了被用於轮胎厂加硫机,例如德国马牌公司就既有空间改机;义大利验证机构用於模拟机器,可供记录在不同测试压力、温度下的数据。甚至还能利用CytroBox来实现公司内部的能源管理,经过水冷式冷却液压、马达和驱动控制器温度,将该装置内的废热全数用於温度控制,例如热水、吸收式冰箱或办公大楼暖气等,藉此不断提高的能效,而持续降低总体拥有成本,缩减占地面积和空调成本。


CytroBox还配备了感测器和开放式接囗,可透过IoT-Ready让液压动力单元整合多种有线感测器,定期通知机器制造厂商目前有关过滤器,液压油和驱动器状态等资讯报告,再经过驱动控制器处理搜集的数据;进而连接Wi-Fi或5G数据,输入更高层级的云端分析,如其线上诊断网路(ODiN)的系统便能利用感测器、云技术和机器学习方法撷取资料,由博世力士乐的液压专家基於模型监控所有运行状态,并执行数据评估、预测性维护作业来缩短停机时间。


被监测的健康指数不仅显示实际监测的动力单元最新动态,还包含上下游的机械或液压系统的逐渐变化趋势,倘若在多个感测器的数据限定范围内恶化,系统便会发出警告讯号,提醒进行维护工作;还能直接通过CytroBox上的触控式萤幕向操作员呈现,当平板电脑通过Wi-Fi连结云、驱动/控制器,就可以移动监看所有重要数据。如今维护人员已经可以App来检查、分析液压动力单元运作实况,为流程改善和预测性维护提供有效指标,一旦发现问题时,能在预先计划好的停机时间内,有效且经济地执行维护工作。


CytroForce方便检修安装 减省总体成本

另一款CytroForce装置系属於液压驱动的大出力电动缸,利用可靠的力士乐零组件预配置,伺服马达按需要时才起动,驱动机构到位时才施压,同样具有变速泵驱动的高效节能特性,出力达40~1,200kN、最大行程1.0m、最大速度0.8m/s,可用於全电射出/压铸/冲孔成型机,取代传统锁模力不足或寿命较短的螺杆。



图3 : 由於CytroForce可省下额外的管路,只连结电线再通过标准化的即??即用接囗,简化了调试过程,可被视为电力驱动装置,让使用者不必有任何液压专业知识就能操作。(source:博世力士乐)
图3 : 由於CytroForce可省下额外的管路,只连结电线再通过标准化的即??即用接囗,简化了调试过程,可被视为电力驱动装置,让使用者不必有任何液压专业知识就能操作。(source:博世力士乐)

由於采用极为紧凑、完整的液压系统,可省下额外的管路,只连结电线再通过标准化的即??即用接囗,简化了调试过程;预配置的伺服轴在控制层级可被视为电力驱动装置,所以仅须连接电气和更高级别的控制系统即可,让使用者不必有任何液压专业知识,即可利用伺服液压轴的优势操作。所需空间比起非整合式线性轴减少50%,整体封闭系统对於维护要求和成本极低也有助於提高可用性,不像传统液压轴为了防止灰尘进入系统,而频繁更换过滤器。


博世力士乐指出,相较於传统液压解决方案,CytroForce还可根据不同的应用情况变速驱动,在整个生命周期内将能源成本降低80%;比起传统开放系统中,含油箱和动力装置的标准液压轴用油量约100~250L,而CytroForce轴仅需3~15L,最多可锐减97%,将大幅减缩设备制造商的工程负担等总体持有成本(Total cost)、循环时间,提高经济效益和生产力。


现在该公司销售人员只要透过面对面或虚拟会议,即可指导客户完成配置,再经过特定的产品设计工具,输入力、速度和路径等叁数,定义循环并检查安装空间;在进行配置期间,定制的伺服轴便随时准备就绪生产,得以在客户下单後的12周内出厂。


被授权的实体还能通过IoT-Ready整合感测器、驱动/控制器和开放数据接囗连网,读取和分析对液压动力装置故障和失灵等状态监测至关重要的内部数据,来缩短停机时间并提高可用性。甚至通过定期付费(订阅制)ODiN进行预测性分析,由力士乐专家担任顾问,从云端取得经客户同意开放的整体液压轴,和每个与故障相关的单一组件运行状态指数。



图4 : 随着进入5G时代後的客户与机器互动、传输效率增加,博世力士乐未来可提供的线上监控项目和工具更多,包含下载手机App进行网路连线测试,进行远距调校、视讯教学等(source:博世力士乐)
图4 : 随着进入5G时代後的客户与机器互动、传输效率增加,博世力士乐未来可提供的线上监控项目和工具更多,包含下载手机App进行网路连线测试,进行远距调校、视讯教学等(source:博世力士乐)

值得一提的是,因为目前在COVID-19疫情蔓延全球之际,数位转型也不能忽略线上展售活动,博世力士乐除了可藉该公司平台,展现该公司最新液压元件运行实况与论坛。随着进入5G时代後的客户与机器互动、传输效率增加,未来可提供的线上监控项目和工具更多,包含下载手机App进行网路连线测试,进行远距调校、视讯教学等;无人搬运车(AGV)在智慧工厂的特殊区域内无轨运行,并通过无线方式沟通、运筹,形成分散式智慧系统。


**刊头图(source:chemengonline.com)


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