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馬達自動化系統加速節能
軟硬體整合鏈結生態系
[作者 陳念舜]   2024年03月25日 星期一 瀏覽人次: [1331]

根據能源局統計,目前在台灣工業部門約占總用電量一半以上(56%),馬達驅動系統又占其中64%;若再加入廠區既有的廠務設備,涵括:空壓機、廢水及排氣處理的泵浦、空調系統的冰水機等驅動馬達,恐將達到70%;甫於2023年落幕的《聯合國氣候變化框架公約》第28次締約方大會(COP28),更要求實現2030年能效倍增目標,顯見透過馬達增效、節能減碳已刻不容緩!


經濟部次長曾文生近日也表示,自從歐盟CBAM去年底試行以來,廠商須申報進口產品的碳含量,台灣申報家數在全球名列前5名,顯示台灣企業對碳定價非常敏感。估計台灣全年碳排約2.7億噸,其中將近一半的碳排來自電力;若企業能少用1度電,平均碳排就會下降,提高能源效率非常重要,包含廠商設備能效提升、產業與民生使用行為的調整與改變。


加上早在2023年台灣大選前,台電便宣稱累積的巨額虧損已達到3,826億元,選後再經電價費率審議會提出今年上半年(4~9月)的最新電價費率,自4月1日起調漲平均電價約11%,民生用電採較低調幅;產業用電調幅較高,但會依經營狀況及用電量採取不同調幅方式,針對各類用戶分群電價調整。


對於2023下半年用電量正成長產業調幅為14%,用電量持平或衰退未達10%產業調幅為12%、衰退10%以上產業調幅為7%,以減緩對用電衰退產業衝擊及照顧產業弱勢。至於用電量0.5億度以上的網路資料中心(Internet Data Center;IDC)、用電量5億度以上且2年用電平均正成長的產業用電大戶,則會依用電量規模調高15%~25%漲幅。包括台鐵、高鐵、北捷等公共運輸系統用電大戶已開始醞釀調漲票價,央行也為此率先宣布預防升息;若再加入即將公布的2025年碳費,更可能加劇綠色通膨。



圖一 : 用電量0.5億度以上的網路資料中心、用電量5億度以上且2年用電平均正成長的產業用電大戶,則會依用電量規模調高15%~25%漲幅。
圖一 : 用電量0.5億度以上的網路資料中心、用電量5億度以上且2年用電平均正成長的產業用電大戶,則會依用電量規模調高15%~25%漲幅。

系統整合高能效馬達 為製造業深度節能關鍵

其實目前各家用電大戶依企業規模大小,對於提高使用能源效率都已有不同解決方案。基於各國已開始針對馬達及驅動/變頻器等變速系統開始立法制定馬達最低能效標準(MEPS),除了影響智慧城市、工廠等終端產業應用;更促使國內外馬達等傳產機電OEM設備大廠陸續投入研發高能效馬達應用,並減少使用稀土來確保產業永續發展。


包括歐盟自2023年起,要求100kW以上功率馬達皆須達到IE4等級之後,中國大陸也宣示將於2024年跟進,台灣與新加坡則訂於2025年實行。除了現已廣泛使用的超高效率感應馬達(≧IE5),還有永磁馬達(PM)及同步磁阻馬達等選項將成主流,並引進創新材料、變頻技術,再經過後段系統蒐集設備即時或長期運轉狀態的資訊,於邊緣或雲端運算分析,打造馬達智慧化聯網系統,帶來更多商機。


然而,由於目前大多數工廠及其生產設備,都是針對產能滿載或擴充而選用、設定較高安全係數(裕量),卻忽略了中小型馬達未必都要全負載運行,而必須採用變速(1200rpm~1800rpm)控制來調整節能,一旦自動化系統改變需求,就會促使馬達開始降低轉速,以達到IE2/IE3/IE4不同等級的功率輸出範圍。


進而搭配後段聯軸器和減速齒輪箱時,仍有約10%以上機械損失待排除,目前10kW以下馬達要達到IE5等級,還有許多待提升能效的空間。倘若能改由馬達直驅達到低轉速、高扭矩目的,還能利用驅動器直接控制馬達、耦合到扇葉,達到最佳速度控制和整體效能,以實現變速運轉節能、降低保養成本。



圖二 : 目前大多數工廠及其生產設備,都是針對產能滿載或擴充而選用、設定較高安全係數(裕量)。一旦自動化系統改變需求,就會促使馬達開始降低轉速,進而搭配後段聯軸器和減速齒輪箱,將造成約10%以上機械損失。(source:rockwell automation)
圖二 : 目前大多數工廠及其生產設備,都是針對產能滿載或擴充而選用、設定較高安全係數(裕量)。一旦自動化系統改變需求,就會促使馬達開始降低轉速,進而搭配後段聯軸器和減速齒輪箱,將造成約10%以上機械損失。(source:rockwell automation)

洛克威爾布局製造業服務 演產業鏈主導企業

美商洛克威爾自動化公司(Rockwell Automation)也順應全球增效節能的趨勢,強調在台灣將扮演「製造業服務型產業鏈主企業」的角色,滿足如今在台灣推動工業4.0和節能減碳產業都須具備的本土化特色,專注投入別人不願或不想投入的領域,挹注資源於既有系統整合商(SI)或代理/經銷通路。


尤其是因為洛克威爾產品以泛用型居多,較不適合搭配一般專用OEM產業機械開發特殊功能,強項反而是在協助客戶整合軟、硬體及服務,目前占業務比重已從20:80逐步提升至50:50,提供不同產業的「端到端智慧維運Rockii解決方案」。更須要鏈結國內外多方資源,甚至是同業合作,共享高難度或指標大案;同時透過定期舉行自動化大學賦能,持續更新技術資訊,也吸收來自市場反饋資訊。


例如在過去IE3馬達時代,洛克威爾就曾使用永磁馬達取代鼠籠式感應馬達,解決了後者當定子感應轉子造成的一次性轉換損失,且效率更佳。近年來在IE4等級產品,則非所有鼠籠式感應馬達皆可直接起動,而必須透過變頻器/驅動器完成;洛克威爾變頻器現也搭配東元、ABB、工研院等不同品牌的IE3~IE5高能效馬達測試,還協助開發帶有弱磁性的IE5同步磁阻馬達,減少了對於稀土磁鐵的依賴。


「在進入節能減碳領域之後,將更能利用所掌握的OEM設備和End user客戶需求橫向整合,加快找出其中影響的關鍵。」有別於傳統國內外同業的裝置構造簡單、故障率低,卻僅具備單機資訊,需要連網時容易受阻,或須橋接Gateway、加價解鎖才能共享數據。洛克威爾的變頻器很早就具備連網功能,可透過開放式通訊協定EtherCAT及相同軟體、介面,與不同品牌裝置或上層PLC顯示互通資訊,一目瞭然用電及排碳最多環節,支援更完善的碳盤查。


接下來深度節能還須與更多系統訊息整合,控制將更為複雜。例如傳統水泵從單純全開/關(ON/OFF),到更精準管控閥門及通過的流量,甚至是串聯多泵來增加壓力,但流量不變;以及並聯多泵後壓力不變,卻須提高流量,從而透過多重考量來達到最佳化。


洛克威爾指出,現今「準確、效率、穩定」三者在自動化系統中其實相輔相成,例如增加變頻器、濾波器等電力系統的污染源,將更為複雜而不利穩定性,恐影響其效率、準確率及耗能,須妥善考量加入時機。


對於許多馬達、變頻器單體廠商而言,可能就不會過度顧慮後段系統如何匹配。洛克威爾則主張納入各家品牌馬達、變頻器、泵,也比較會有議價空間;清楚客戶開出特殊規格的目的,甚至會有更好的建議,而從終端需求、系統整合等更廣泛面向考量。


符合未來節能減碳將進入深水區,更要求複雜系統也須兼顧精準控制、穩定性及效率,才能彈性應變。例如與馬達、SI合作,推出共同實現系統節能的運算工具,且符合於2023年推出IEC61800-9-2定義的驅動系統,實現依IE4馬達+變頻器MOTOR+VFD等現場條件的系統效益。


現在使用者只要先得知所需完整製程和加工條件、應用情境後,即可根據後段減速齒輪箱(Gear Box)的慣量來選配合適的馬達、變頻器/驅動器等,準確決定最終馬達的最大瞬間輸出功率。讓客戶不必再像過去,為了增加系統裕量,僅憑經驗就選取最大規格、全功率輸出的產品,造成不必要浪費。只要選擇較小輸出功率的馬達,就能達到相同流量。


結合自動化 構建AI數位分身模型

值得一提的是,洛克威爾現還利用數位分身(Digital twins)模擬分析,在選型時分別提供Motion Analyzer(單機構)、Emulate3D(系統)等最佳化設計軟體,可讓使用者除了輸入一般所需變頻器/驅動器規格、電壓/電流等參數之外,還能依搭配的驅動機構、變頻器/驅動器再進化,並納入後段系統共同考量,達到目前更難達到的精準調控要求。


但在讓客戶導入Motion Analyzer的最大障礙,便在於初期建模最為困難,必須先提供機械結構足夠的真實數據,之後再依各種應用方式改變參數調整即可,深水區節能的紅利也可能更大,不只是變頻器減速節能,還可能省下燃燒的油、氣(瓦斯)、水(空調系統水塔)。目前Motion Analyzer也已從單機進化為線上版本,持續更新資料,會讓此預診保養軟體變得越來越聰明,未來加入AI發展也指日可待。


目前洛克威爾透過Emulate3D應用數位分身,不再只是模擬單一機構、系統和動力源,而是納入多個動力源,使之產線模擬更為繁複,已可直接導入來突破多站瓶頸,串聯上層PLC、MES,改善生產效率最佳化,以達到最準確的效能評估。



圖三 : 洛克威爾利用Emulate3D等最佳化設計軟體,可讓使用者納入後段系統共同考量,達到目前更難達到的精準調控需求。(source:Rockwell Automation)
圖三 : 洛克威爾利用Emulate3D等最佳化設計軟體,可讓使用者納入後段系統共同考量,達到目前更難達到的精準調控需求。(source:Rockwell Automation)

洛克威爾所提供的健康預診服務又分為單機,記錄馬達、變頻器運轉時間以定期排修、保養,並在預測馬達電流異常時切斷。現已建立異常狀態資料庫、將3D模型內建在變頻器晶片,未來只要不斷加入外在變數,即可由本機產出預知壽命結果。


另因為目前進行「分散式健康預診(Predictive analytics for maintenance)」的每次取樣時間較短,比起說明書或系統預測時間更為精準。洛克威爾還會針對重要關鍵元件提供預診維運服務,善用累積超過10年的數據,可在系統面將資料上傳,延長使用壽命。再透過集中式監測運行狀態GuardianAI分析,整合系統面的製程與數學專家的不同意見;同時利用現有變頻器充當感測器,來監控馬達電壓/電流、溫度變化是否正確及調整,一次性輸出結果。


近期還將發表2023年新併購的OTTO公司,主要提供自主移動機器人AMR等產品主要價值,與上層MES連結各機台、關鍵元件,讓現今工廠與OEM設備分開更有助節能。另由CUBIC提供依IEC 61439規範設計的「ODI(Overseas Direct Investment)」,標準框架、箱體符合歐美規範;且方便與既有配電盤廠商合作,只要是採取1600A以下設計,就不必再額外認證,方便台灣製造業全球設廠布局。


大同公司扮演電力與智慧能源先驅

在今年智慧減碳城市展期間,大同也以電力整合專家之姿,強調從更新高耗能設備著手往往節電效果顯著,已有多項已實際應用到客戶端的高效節能設備。其中在馬達本體方面,大同既利用電磁模擬分析、轉子動態、散熱(冷卻)流場分析、結構應用3D分析等軟體,達成最少材料、最低成本的開發設計,最新生產銷售的永磁、非稀土鐵氧體及無磁鐵磁阻馬達,已可達到IE5、IE6等級的實績。



圖四 : 在今年智慧減碳城市展期間,大同以電力整合專家之姿,強調從更新高耗能設備著手往往節電效果顯著,已有多項已實際應用到客戶端的高效節能設備。(攝影:陳念舜)
圖四 : 在今年智慧減碳城市展期間,大同以電力整合專家之姿,強調從更新高耗能設備著手往往節電效果顯著,已有多項已實際應用到客戶端的高效節能設備。(攝影:陳念舜)

大同公司電力事業群馬達事業部廠長藍啟華表示,早在2010年大同便與中鋼合作開發全台首具碳足跡驗證馬達,宣示正式跨入節能產業,目前則正進行EMS(Energy Management System),透過大同能源智慧管理系統確實掌握各耗能設備狀態,並經由數據分析加以改善達節能目的。由大同自行開發的TiMS是專為馬達產品研發的IoT智慧感測器,採遠端監控方式並記錄馬達溫度、震動來協助客戶維運保養。


加上大同長期代理銷售日本東芝與技術合作的變頻器/驅動器,挾累積數十年優化客戶系統節能經驗,於近期自行開發銷售;並結合EV動力及變頻馬達系統,協助客戶發展綠色節能的永續設計產業擴展商機。


目前大同馬達IE4 1HP~200HP全系列已開發上市,可供工廠或設備廠商提高能效、降低排碳,正式進軍歐美、台灣、日本及東南亞市場。現正積極開發IE5、IE6永磁馬達及磁鐵輔助型磁組馬達,更積極與各種產業合作開發高效率專用馬達。因為該系列產品符合國際IEC 60034-1 IE4效率標準,已取得半導體等電子業、石化鋼鐵業、風機水泵業等廠商使用。


在系統面節能減碳方面,大同也積極與國內外大型冷凍空調系統廠商合作,開發生產高效率驅動馬達,搭配變頻節能,發展高效率綠能產業。例如大同直流變頻箱型機年度運轉可節省33.7%的耗電量,即相當於減少1,755kg/年的碳排放量。變頻高顯熱箱型機由交流導入直流的新技術,與傳統的交流機組相比耗電量將減少24.5%,年排碳量更是減少12.2%以上,完全滿足伺服器機房、交換機房等空調所需。食品、醫藥、電子業以高溫熱泵機替代鍋爐加熱耗能,節能效益比傳統鍋爐節能38%,且維護成本低,易於保養。


且由於大同早期承包台電清流、水簾、高屏、社寮等地水力發電系統,2023年再與日本工營(NK)技術合作生產,外銷日本最大額定5450KVA、近億台幣的中大型水力發電機陸續出貨;另加入台灣小水力聯盟發展,配合各家業者的場域需求,開發生產專用的高效直驅永磁馬達。


**刊頭圖(source:rockwell automation)


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