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新世代變頻器-數位化、強固性、高整合能力
[作者 詹川宏]   2019年11月13日 星期三 瀏覽人次: [1341]

變頻器在公共工程的應用雖然普及,市面上也有多個非專用或專用的品牌及系列,但以過去十餘年來尚未見到跨世代突破的產品或功能。一如既往,西門子秉持著為使用者創造價值的理念,在今年推出全新空調、水處理專用的新世代變頻器SINAMICS G120X系列。



圖一
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什麼是「新世代」?相較於過去的傳統使用,新世代必須具備的是「數位化」及不可或缺的高「整合性」及「強固性」,以此三大特色完美符合公共工程之專門需求,例如給水和污水處理、暖通空調 (HVAC)、樓宇建築、地鐵隧道通風等基礎設施領域,以及水泥、化工、食品飲料等工業環境。


數位化-智慧操作及未來性

現在我們正面臨人數有史以來最大的數位化浪潮,西門子在數位化企業方面專注於人工智慧 (AI)、邊緣運算等技術整合。而在工業方面,西門子更是早已著手於工業中從頭到尾的整段價值鍵打造數位化,西門子的思維是:「把自己假設成客戶,我會想要買品質可靠、簡單好用、節能增效的產品,希望新買的設備能夠幫助生產儘快回本,甚至是帶來額外的價值。而一個好的變頻器能帶來價值,一定是準備好了邁向數位化。」



圖二
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那西門子如何逐步建構數位化?可總結為三個維度:驅動產品數據接口、連接設備、工業雲平台。以G120X系列為例,已經不再依賴PLC,而僅需通過一無線模組就可以直接與公司內網或是西門子工業雲開放式物聯網作業系統MindSphere相連,並做數據監視、收集、分析。MindSphere上已有現成的App對從變頻器、驅動系統及機器設備中採集的運行數據進行評估,實現狀態資訊可視化和分析,讓工程師可隨時隨地以手機、平板、電腦即時取得有價值的數據,進而實現流程和維護過程的優化。



圖三
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另外,為無線操作及調機而生的智慧無線模組也是市場的新趨勢,如智慧無線模組示意圖,西門子不僅推出此一數位化配件,讓工程師或操作者可在最長距離50米的範圍內,以手機、平板、電腦直接操控、調機、試?,其超簡單人性化之操作介面讓操作者可立即上手,無需看操作手冊或花時間熟悉。



圖四
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西門子積極打造數位化,讓流程管理及製造業都可以為此極為動態的市場達到更好的掌控,進而創造出更大的彈性及更高的生產力。


強固性-高防護及專用功能

以強固性來說,變頻器要能為公共工程的空調、水處理提供高防護及專用的功能。


在高防護方面,要能在硬體、抗EMC、抗環境都能達到高標準。其中一次側的DC電抗器是應用端常需要的配件;而可支援馬達線的長度在一些應用,例如大樓空調是額外的重要,在符合IEC 61800-3 的二類環境下,在不加裝額外配件應該要能支援到至少150米的屏敝馬達線長或至少200米的非屏敝線;為了能夠有效提高變頻器耐朝溼、油氣、化學腐蝕氣體,以?少故障或整個設備停機,延長變頻器的壽命,3C3等級的電路板塗層也是建議的選項。


至於安全性早已受歐美市場的高度重視,並在多項應用為必要條件,也是近年國際及台灣業界的趨勢,安全完整性等級(Safety Integrity Level,簡稱SIL)等級越高的設備表示其安全可靠越高,硬體故障裕度也會提高,以確保在部份設備故障時不會有安全性問題,以G120X符合的的SIL 3等級來說就只有SIL 2的要求失效概率(PFD)的10%,更只有SIL 1等級的1%。


既然說到強固,那在運行時的環境溫度當然要能耐受高溫,一般來說,要能耐受到攝氏50度,而G120X依型號不同最高可在攝氏55至 60度下運轉;最後體積要能做到越小越好,還能支援密集並排安裝在控制盤內,才能縮小控制盤的體積及達到更簡易的配置。



圖五
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在專用功能方面,除了更優異的風機、水泵控制,有許多功能已可直接由變頻器來做簡易控制而不需再另外加裝PLC。而G120X內建多達約18項專用以及節能功能,例如偵測出經常發生的氣穴水泵葉片穿孔的氣穴偵測功能,減少水搥對水管傷害的緩注水功能,可持續沖洗水管內淤積的清淤功能,故障自動重啟、直接接通旋轉中馬達、高階多泵控制、自動PID控制、清堵、防共振、雙加速、冷凝保護、偵測堵轉、障礙物、空轉、實時時鐘、火災模式。並帶有節能功能如節能模式、Bypass、睡眠、電源接觸器模式、節能計算、流量計等。其馬力範圍含蓋0.75kW至630kW,可說已涵蓋所有低壓市場風機和泵的功率需求。


高度整合能力-通訊及自動化軟體

從更簡易的工程規劃、更短的時程,到後續變頻器完整的自我診斷及建議解決方式,甚至到結合資產管理的完整資料庫建立的趨勢,業界一直不斷在尋找下一世代的解決方案,而G120X的強大整合能力就提供了更智慧的解決方案,可支援西門子的DCS做多項整合,以降低工程規劃人力、成本並減短時程;當產品出現異常時,使用者不需到現場,在中控室就可看到變頻器完整的自我診斷及建議解決方式;其整合資產管理功能更可建立廠房所有變頻器的完整使用歷史記錄。


PCS7是西門子的DCS系?,基於過程自動化,從感測器、執行器到控制器,再到上位機,自下而上形成完整的全集成自動化架構,可以應用於所有工業領域包括過程工業、製造工業、混合工業以及工業所涉及的所有製造和過程自動化。


G120X的高整合能力可直接與PCS7整合,從變頻器到控制器到圖控可實現遠端參數指派與調試,且有免費的圖庫與程式庫可使用,不需特別編程,如此可在較低的工程規劃人力、成本及較短時程,就能從中控室或人機監控資料視覺化圖控並記錄長期的運轉數據,完整的變頻器運轉與警報歷史資料庫也可同時建立,包含每台變頻器獨立的操作記錄、警報記錄、過去幾年由哪一位人員更換過什麼零件等完整的維護記錄,最後還可透過網路遠端連線監視並操控變頻器。


另一項整合是工業通訊,在現今數位代的工業時代,工業通訊已是裝置、設備間不可或缺的一環,工業應用的主流通訊Profinet、Profibus及大樓應用的主流通訊BACnet都是市場所需。


其中以Profinet來說,通訊速率較傳統Modbus快上近10倍並有靈活的網絡拓撲,且可在線掃描連接的設備與斷點診斷、自動分配IP地址和設備名稱,及其他多項優勢如抗EMC、一網到底、數據通道、數據優先、支援256節點、IT 應用等,使其成為最適合建構數位化的通訊,而西門子新時代變頻器G120X對以上通訊及EtherNet IP、Modbus都可內建或支援。


加值的新世代變頻器


圖六
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總結來說,一個新世代的變頻器應具有上述所提的三點,數位化-智慧操作及未來性;強固性-高防護及專用功能;強大的整合能力-通訊及自動化軟體,「價值」不僅是西門子對自家產品的理念,也是西門子空調、水處理專用變頻器SINAMICS G120X能為使用者的設備及系統帶來的最大加值。


(本文作者詹川宏為台灣西門子數位工業驅動暨馬達處產品副理)


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