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马达自动化系统加速节能
软硬体整合链结生态系
[作者 陳念舜]   2024年03月25日 星期一 浏览人次: [1330]

根据能源局统计,目前在台湾工业部门约占总用电量一半以上(56%),马达驱动系统又占其中64%;若再加入厂区既有的厂务设备,涵括:空压机、废水及排气处理的泵浦、空调系统的冰水机等驱动马达,恐将达到70%;甫於2023年落幕的《联合国气候变化框架公约》第28次缔约方大会(COP28),更要求实现2030年能效倍增目标,显见透过马达增效、节能减碳已刻不容缓!


经济部次长曾文生近日也表示,自从欧盟CBAM去年底试行以来,厂商须申报进囗产品的碳含量,台湾申报家数在全球名列前5名,显示台湾企业对碳定价非常敏感。估计台湾全年碳排约2.7亿吨,其中将近一半的碳排来自电力;若企业能少用1度电,平均碳排就会下降,提高能源效率非常重要,包含厂商设备能效提升、产业与民生使用行为的调整与改变。


加上早在2023年台湾大选前,台电便宣称累积的巨额亏损已达到3,826亿元,选後再经电价费率审议会提出今年上半年(4~9月)的最新电价费率,自4月1日起调涨平均电价约11%,民生用电采较低调幅;产业用电调幅较高,但会依经营状况及用电量采取不同调幅方式,针对各类用户分群电价调整。


对於2023下半年用电量正成长产业调幅为14%,用电量持平或衰退未达10%产业调幅为12%、衰退10%以上产业调幅为7%,以减缓对用电衰退产业冲击及照顾产业弱势。至於用电量0.5亿度以上的网路资料中心(Internet Data Center;IDC)、用电量5亿度以上且2年用电平均正成长的产业用电大户,则会依用电量规模调高15%~25%涨幅。包括台铁、高铁、北捷等公共运输系统用电大户已开始酝酿调涨票价,央行也为此率先宣布预防升息;若再加入即将公布的2025年碳费,更可能加剧绿色通膨。



图一 : 用电量0.5亿度以上的网路资料中心、用电量5亿度以上且2年用电平均正成长的产业用电大户,则会依用电量规模调高15%~25%涨幅。
图一 : 用电量0.5亿度以上的网路资料中心、用电量5亿度以上且2年用电平均正成长的产业用电大户,则会依用电量规模调高15%~25%涨幅。

系统整合高能效马达 为制造业深度节能关键

其实目前各家用电大户依企业规模大小,对於提高使用能源效率都已有不同解决方案。基於各国已开始针对马达及驱动/变频器等变速系统开始立法制定马达最低能效标准(MEPS),除了影响智慧城市、工厂等终端产业应用;更促使国内外马达等传产机电OEM设备大厂陆续投入研发高能效马达应用,并减少使用稀土来确保产业永续发展。


包括欧盟自2023年起,要求100kW以上功率马达皆须达到IE4等级之後,中国大陆也宣示将於2024年跟进,台湾与新加坡则订於2025年实行。除了现已广泛使用的超高效率感应马达(≥IE5),还有永磁马达(PM)及同步磁阻马达等选项将成主流,并引进创新材料、变频技术,再经过後段系统搜集设备即时或长期运转状态的资讯,於边缘或云端运算分析,打造马达智慧化联网系统,带来更多商机。


然而,由於目前大多数工厂及其生产设备,都是针对产能满载或扩充而选用、设定较高安全系数(裕量),却忽略了中小型马达未必都要全负载运行,而必须采用变速(1200rpm~1800rpm)控制来调整节能,一旦自动化系统改变需求,就会促使马达开始降低转速,以达到IE2/IE3/IE4不同等级的功率输出范围。


进而搭配後段联轴器和减速齿轮箱时,仍有约10%以上机械损失待排除,目前10kW以下马达要达到IE5等级,还有许多待提升能效的空间。倘若能改由马达直驱达到低转速、高扭矩目的,还能利用驱动器直接控制马达、耦合到扇叶,达到最隹速度控制和整体效能,以实现变速运转节能、降低保养成本。



图二 : 目前大多数工厂及其生产设备,都是针对产能满载或扩充而选用、设定较高安全系数(裕量)。一旦自动化系统改变需求,就会促使马达开始降低转速,进而搭配後段联轴器和减速齿轮箱,将造成约10%以上机械损失。(source:rockwell automation)
图二 : 目前大多数工厂及其生产设备,都是针对产能满载或扩充而选用、设定较高安全系数(裕量)。一旦自动化系统改变需求,就会促使马达开始降低转速,进而搭配後段联轴器和减速齿轮箱,将造成约10%以上机械损失。(source:rockwell automation)

洛克威尔布局制造业服务 演产业链主导企业

美商洛克威尔自动化公司(Rockwell Automation)也顺应全球增效节能的趋势,强调在台湾将扮演「制造业服务型产业链主企业」的角色,满足如今在台湾推动工业4.0和节能减碳产业都须具备的本土化特色,专注投入别人不愿或不想投入的领域,??注资源於既有系统整合商(SI)或代理/经销通路。


尤其是因为洛克威尔产品以泛用型居多,较不适合搭配一般专用OEM产业机械开发特殊功能,强项反而是在协助客户整合软、硬体及服务,目前占业务比重已从20:80逐步提升至50:50,提供不同产业的「端到端智慧维运Rockii解决方案」。更须要链结国内外多方资源,甚至是同业合作,共享高难度或指标大案;同时透过定期举行自动化大学赋能,持续更新技术资讯,也吸收来自市场反??资讯。


例如在过去IE3马达时代,洛克威尔就曾使用永磁马达取代鼠笼式感应马达,解决了後者当定子感应转子造成的一次性转换损失,且效率更隹。近年来在IE4等级产品,则非所有鼠笼式感应马达皆可直接起动,而必须透过变频器/驱动器完成;洛克威尔变频器现也搭配东元、ABB、工研院等不同品牌的IE3~IE5高能效马达测试,还协助开发带有弱磁性的IE5同步磁阻马达,减少了对於稀土磁铁的依赖。


「在进入节能减碳领域之後,将更能利用所掌握的OEM设备和End user客户需求横向整合,加快找出其中影响的关键。」有别於传统国内外同业的装置构造简单、故障率低,却仅具备单机资讯,需要连网时容易受阻,或须桥接Gateway、加价解锁才能共享数据。洛克威尔的变频器很早就具备连网功能,可透过开放式通讯协定EtherCAT及相同软体、介面,与不同品牌装置或上层PLC显示互通资讯,一目了然用电及排碳最多环节,支援更完善的碳盘查。


接下来深度节能还须与更多系统讯息整合,控制将更为复杂。例如传统水泵从单纯全开/关(ON/OFF),到更精准管控阀门及通过的流量,甚至是串联多泵来增加压力,但流量不变;以及并联多泵後压力不变,却须提高流量,从而透过多重考量来达到最隹化。


洛克威尔指出,现今「准确、效率、稳定」三者在自动化系统中其实相辅相成,例如增加变频器、滤波器等电力系统的污染源,将更为复杂而不利稳定性,恐影响其效率、准确率及耗能,须妥善考量加入时机。


对於许多马达、变频器单体厂商而言,可能就不会过度顾虑後段系统如何匹配。洛克威尔则主张纳入各家品牌马达、变频器、泵,也比较会有议价空间;清楚客户开出特殊规格的目的,甚至会有更好的建议,而从终端需求、系统整合等更广泛面向考量。


符合未来节能减碳将进入深水区,更要求复杂系统也须兼顾精准控制、稳定性及效率,才能弹性应变。例如与马达、SI合作,推出共同实现系统节能的运算工具,且符合於2023年推出IEC61800-9-2定义的驱动系统,实现依IE4马达+变频器MOTOR+VFD等现场条件的系统效益。


现在使用者只要先得知所需完整制程和加工条件、应用情境後,即可根据後段减速齿轮箱(Gear Box)的惯量来选配合适的马达、变频器/驱动器等,准确决定最终马达的最大瞬间输出功率。让客户不必再像过去,为了增加系统裕量,仅凭经验就选取最大规格、全功率输出的产品,造成不必要浪费。只要选择较小输出功率的马达,就能达到相同流量。


结合自动化 构建AI数位分身模型

值得一提的是,洛克威尔现还利用数位分身(Digital twins)模拟分析,在选型时分别提供Motion Analyzer(单机构)、Emulate3D(系统)等最隹化设计软体,可让使用者除了输入一般所需变频器/驱动器规格、电压/电流等叁数之外,还能依搭配的驱动机构、变频器/驱动器再进化,并纳入後段系统共同考量,达到目前更难达到的精准调控要求。


但在让客户导入Motion Analyzer的最大障碍,便在於初期建模最为困难,必须先提供机械结构足够的真实数据,之後再依各种应用方式改变叁数调整即可,深水区节能的红利也可能更大,不只是变频器减速节能,还可能省下燃烧的油、气(瓦斯)、水(空调系统水塔)。目前Motion Analyzer也已从单机进化为线上版本,持续更新资料,会让此预诊保养软体变得越来越聪明,未来加入AI发展也指日可待。


目前洛克威尔透过Emulate3D应用数位分身,不再只是模拟单一机构、系统和动力源,而是纳入多个动力源,使之产线模拟更为繁复,已可直接导入来突破多站瓶颈,串联上层PLC、MES,改善生产效率最隹化,以达到最准确的效能评估。



图三 : 洛克威尔利用Emulate3D等最隹化设计软体,可让使用者纳入後段系统共同考量,达到目前更难达到的精准调控需求。(source:Rockwell Automation)
图三 : 洛克威尔利用Emulate3D等最隹化设计软体,可让使用者纳入後段系统共同考量,达到目前更难达到的精准调控需求。(source:Rockwell Automation)

洛克威尔所提供的健康预诊服务又分为单机,记录马达、变频器运转时间以定期排修、保养,并在预测马达电流异常时切断。现已建立异常状态资料库、将3D模型内建在变频器晶片,未来只要不断加入外在变数,即可由本机产出预知寿命结果。


另因为目前进行「分散式健康预诊(Predictive analytics for maintenance)」的每次取样时间较短,比起说明书或系统预测时间更为精准。洛克威尔还会针对重要关键元件提供预诊维运服务,善用累积超过10年的数据,可在系统面将资料上传,延长使用寿命。再透过集中式监测运行状态GuardianAI分析,整合系统面的制程与数学专家的不同意见;同时利用现有变频器充当感测器,来监控马达电压/电流、温度变化是否正确及调整,一次性输出结果。


近期还将发表2023年新并购的OTTO公司,主要提供自主移动机器人AMR等产品主要价值,与上层MES连结各机台、关键元件,让现今工厂与OEM设备分开更有助节能。另由CUBIC提供依IEC 61439规范设计的「ODI(Overseas Direct Investment)」,标准框架、箱体符合欧美规范;且方便与既有配电盘厂商合作,只要是采取1600A以下设计,就不必再额外认证,方便台湾制造业全球设厂布局。


大同公司扮演电力与智慧能源先驱

在今年智慧减碳城市展期间,大同也以电力整合专家之姿,强调从更新高耗能设备着手往往节电效果显着,已有多项已实际应用到客户端的高效节能设备。其中在马达本体方面,大同既利用电磁模拟分析、转子动态、散热(冷却)流场分析、结构应用3D分析等软体,达成最少材料、最低成本的开发设计,最新生产销售的永磁、非稀土铁氧体及无磁铁磁阻马达,已可达到IE5、IE6等级的实绩。



图四 : 在今年智慧减碳城市展期间,大同以电力整合专家之姿,强调从更新高耗能设备着手往往节电效果显着,已有多项已实际应用到客户端的高效节能设备。(摄影:陈念舜)
图四 : 在今年智慧减碳城市展期间,大同以电力整合专家之姿,强调从更新高耗能设备着手往往节电效果显着,已有多项已实际应用到客户端的高效节能设备。(摄影:陈念舜)

大同公司电力事业群马达事业部厂长蓝启华表示,早在2010年大同便与中钢合作开发全台首具碳足迹验证马达,宣示正式跨入节能产业,目前则正进行EMS(Energy Management System),透过大同能源智慧管理系统确实掌握各耗能设备状态,并经由数据分析加以改善达节能目的。由大同自行开发的TiMS是专为马达产品研发的IoT智慧感测器,采远端监控方式并记录马达温度、震动来协助客户维运保养。


加上大同长期代理销售日本东芝与技术合作的变频器/驱动器,挟累积数十年优化客户系统节能经验,於近期自行开发销售;并结合EV动力及变频马达系统,协助客户发展绿色节能的永续设计产业扩展商机。


目前大同马达IE4 1HP~200HP全系列已开发上市,可供工厂或设备厂商提高能效、降低排碳,正式进军欧美、台湾、日本及东南亚市场。现正积极开发IE5、IE6永磁马达及磁铁辅助型磁组马达,更积极与各种产业合作开发高效率专用马达。因为该系列产品符合国际IEC 60034-1 IE4效率标准,已取得半导体等电子业、石化钢铁业、风机水泵业等厂商使用。


在系统面节能减碳方面,大同也积极与国内外大型冷冻空调系统厂商合作,开发生产高效率驱动马达,搭配变频节能,发展高效率绿能产业。例如大同直流变频箱型机年度运转可节省33.7%的耗电量,即相当於减少1,755kg/年的碳排放量。变频高显热箱型机由交流导入直流的新技术,与传统的交流机组相比耗电量将减少24.5%,年排碳量更是减少12.2%以上,完全满足伺服器机房、交换机房等空调所需。食品、医药、电子业以高温热泵机替代锅炉加热耗能,节能效益比传统锅炉节能38%,且维护成本低,易於保养。


且由於大同早期承包台电清流、水帘、高屏、社寮等地水力发电系统,2023年再与日本工营(NK)技术合作生产,外销日本最大额定5450KVA、近亿台币的中大型水力发电机陆续出货;另加入台湾小水力联盟发展,配合各家业者的场域需求,开发生产专用的高效直驱永磁马达。


**刊头图(source:rockwell automation)


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