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泵浦利用智慧傳感延伸價值
流體機械拓展工商業應用

【作者: 陳念舜】   2021年12月28日 星期二

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因應當前國際淨零碳排趨勢,除了在工業上帶來龐大節能省水壓力,未來還有商業上智慧城市及建築等應用領域,亟待流體機械設備廠商支援。除了如國內外泵浦大廠發表最新產品及解決方案外,也有業者提供工業物聯網AIoT模組,以協助傳產業者延伸價值鏈。


目前不僅從半導體製造到食品飲料加工等領域的諸多製造業,在營運期間都難免會經常需要大量用水與用電,直接或間接造成了大量廢水及排碳。尤其台灣又是全球最大半導體製造國,平均每座半導體工廠每天用水約2萬公噸,相當於一個5.8萬人口城市的每日用水量,對於業界需要穩定且大量用水的生產製程,有賴流體機械業者提出最有效率的處理方式。


全球水處理解決方案領導廠商葛蘭富(GRUNDFOS)則在近期慶祝該公司全球首款立式多段離心線上型泵浦CR系列問世50週年,其主要用於供水、水處理及幾乎大多數工業解決方案,包括高壓、高溫、危險、易燃和腐蝕性液體等應用領域,迄今已在全球售出超過350萬台。同時發表目前最大尺寸等級的CR 255機種,可供應400N-m的最大水壓,以及高達每小時320m3流量,足以滿足約9,500人的用水所需;在加壓泵浦供應等工業製程上,類似大型葛蘭富CR泵浦的工作效率最多可提高30%,可望將立式多段線上型泵浦的節能與效能標準提升到新境界,為業界奠定世界級的節能效率里程碑。



圖1 : 葛蘭富近期發表最大尺寸等級的CR 255系列立式多段離心線上型泵浦,可供應高達每小時320m3流量,足以滿足約9,500人的用水所需,最多可提高工作效率30%(source:directsensors.grundfos.com)
圖1 : 葛蘭富近期發表最大尺寸等級的CR 255系列立式多段離心線上型泵浦,可供應高達每小時320m3流量,足以滿足約9,500人的用水所需,最多可提高工作效率30%(source:directsensors.grundfos.com)

新一代葛蘭富CR系列泵浦還強調更為節能,從葉輪、導葉到入口、出水口、套筒到擴散器的最佳化液壓設計,得以發揮世界級節能效益。因為耗電成本約占產品生命週期成本90%,能效更優異就代表可以節省更多成本;CR泵浦又具備體積小巧的優勢,安裝上比起其他泵浦設計更簡單,從而提升成本效益。


另受惠於葛蘭富在模擬設計、材料、測試與生產階段採用最先進技術,通過10,000多次成功模擬,以及在投入量產之前進行了嚴格的實際測試,比起舊款產品更加可靠耐用之外,還配備了預測監控功能,得以24小時全天候追蹤泵浦的運作狀況,並在第一時間提醒使用者可能出現的製程失效,減少代價高昂又不必要的停機維修時間。


進而善用在世界級泵浦系列產品中,模組化程度最高的優勢,增添了更多選配件,光是CR系列就提供了數百萬種相關選項,方便使用者按照個人設計的獨特規格與應用需求,建構客戶專屬的葛蘭富CR泵浦。


台灣沉水泵大廠跨域合作 佈局智慧城市商機

此外,基於現今智慧城市課題,未來將透過大量物聯網裝置和感測器,串接實體並交換資訊,若能讓抽水泵具備智慧監控功能,即可轉型智慧應用。台灣沉水泵浦大廠河見電機也順勢推出泵浦雲端智慧售服平台,除了在泵浦重要部位加裝馬達熱保護器、軸承溫度、進水感測器等,依序落實第一階段數位化,導入泵浦智慧監控盒;第二階段智慧化,執行泵浦異常偵測;以及第三階段雲端化,打造泵浦智慧雲端監控系統。


進而導入聯網功能,可使新設或既設泵浦快速升級為工業4.0設備,與智慧型手機等遠端智慧終端設備相連互動,進行遠距診斷、故障排除建議。藉此於遠端即時通報泵浦內部重要元件過熱或進水,包含溫度、電流、電壓開關等運轉狀況;當運轉值超過上限時,立即示警告知,在驟變值超過上限時緊急告示。


河見電機公司總經理方柏宜進一步指出傳統泵浦營運的現行作法,都是定期保養,常導致保養時間未必能與零件真實消耗情況相吻合,而希望能改為依照泵浦現況,動態調整保養時間。倘若人員巡檢過程未能完全掌握,也能讓巡檢過程更聚焦,不要等到故障發生才維修,恐造成更大損失。現在只要泵浦一旦發現異常時立即檢視,避免損失擴大;若無法長時間停機,或須另外添購備品,也能藉此實現有計畫性停機。


進而提高妥善率,投入研發智慧泵浦雲端架構,河見電機並為此申請傳產技術開發CITD輔導案,以協助傳產轉型。利用售服系統加以管理,記錄泵浦的運轉數值;運轉資訊透明化,降低售後服務人員的負荷;主動建議用戶更換零件,避免發生重大損壞,降低維修成本。



圖2 : 河見電機最終目的是透過泵浦智慧化結合雲端智慧售服平台,構成完整監視檢測診斷系統暨解決方案,將泵浦使用經驗升級,從「製造導向」逐步轉型為「服務導向」角色。(source:i0.wp.com)
圖2 : 河見電機最終目的是透過泵浦智慧化結合雲端智慧售服平台,構成完整監視檢測診斷系統暨解決方案,將泵浦使用經驗升級,從「製造導向」逐步轉型為「服務導向」角色。(source:i0.wp.com)

透過跨域合作結盟神通電腦等4家廠商,將智慧泵浦安裝在國立科學工藝博物館建立試驗場域,甚至將運轉狀態回傳河見電機監控管理,投入研發規劃。期望帶來的產業效益有跨域合作成功,以突破發展瓶頸,提升國際競爭優勢;強化產品價值,透過SI與資訊服務業者合作,建構售服平台,在產品面凸顯其優勢價值;讓業者瞭解數位轉型重要性,透過供應商逐步影響,引領產業升級。


最終目的是透過泵浦智慧化結合雲端智慧售服平台,藉由系統即時管理,當泵浦運轉狀態發生異常時,系統具備即時告警和預警功能,再結合告警記錄、維修履歷、操作手冊與聯絡人群組等,構成完整監視檢測診斷系統暨解決方案。讓用戶透過物聯網突破空間限制,達成最佳調度,大幅降低非預期停機造成的巨大損失,將泵浦使用經驗升級,從「製造導向」逐步轉型為「服務導向」角色。


網聯科技導入AIoT模組 開拓智慧建築及城市應用

近年來從工具機產業出身,積極推廣跨域AIoT模組化生態系平台TANGRAM的網聯科技(NETIGATE)公司執行長林鼎皓也因此積極思考設備、零組(配)件廠商在邁向工業4.0方向的加值因應之道,並為此成立無排他性、開放架構的TANGRAM物聯網聯盟。


既對應市面上各式各樣通訊協定,來協助不同產業的設備、零組(配)件廠商加速轉型升級。同時結合產官學研等相關資通訊人才組成團隊,來解決工業現場設備製造Maker、系統整合(SI)和使用者End user等跨領域不同階層應整合的問題,希望看到的資訊和權限有別,並快速融入客戶的產品,創造次世代價值。


尤其是順應現今業界對於特殊客製化生產線、彈性化速度要求越來越快,甚至希望以5G無線設計來取代傳統實體線路趨勢。TANGRAM也積極透過軟硬體模組化,讓更多廠商在最短時間內佈建物聯網產品,以克服目前自動化程度越來越高的產業生產狀態、非預期性停機風險和損失成本,以及須耗費大量人力與時間控管,卻無法取得現場資料優化管理,須備有物聯網規劃及研發人力等難以推動的重重門檻。


林鼎皓也在過程中發現,許多大廠雖然早在5~6年前即投入工業4.0、物聯網領域,卻發現不符投資報酬率。因此,仍有賴第三方介入提出共通標準與協定,以加速設備廠商或SI系統整合商整合技術,減少開發專用感測器、設備等成本,提高使用者導入意願。「若能由設備製造廠商來提出共通標準、定義規範顯得非常重要,才有機會打破Domain knowledge界限,越早加入者的話語權越大,更符合所關注的重點功能。」


尤其是自工業4.0落地應用近10年以來,設備稼動率成為王道。林鼎浩認為,當歐洲大廠已將諸多量產設備移至亞洲生產,再自行投入開發高階客製化產品,建立硬體模組;以及2011年再加入軟體模組後,便構成引領德國中小企業發展方向的工業4.0策略,使得收集模組化數據成為重點,現今工業物聯網對於軟硬體整合格外重視。


TANGRAM也順勢推出包括SPOT數位感測器、移動型智慧工業物聯網閘道器、Square One機邊系統、Gateway機聯網應用服務主程式庫等解決方案。強調讓客戶不必將所有原始資料(raw data)都上傳雲端,只要經嵌入邊緣運算(Edge computing)載具即可得知結果;同時融合機聯網OT+IT工具,才能真正協助提升客戶產線價值鏈,促使製造業開始積極投入開發App,整合智慧行動裝置隨時監控。


即使客戶不願連網曝露在資安風險下,所有設備廠商仍可整合邊緣運算等資通訊及App,並視客戶需要,隨時支援資料收集分析雲端服務平台,提供所需維修服務。甚至可將資訊回傳設備廠商,以因應次世代設備製造業要解決的不只是少量多樣,而是產能過剩問題,必須精準掌握客戶需求,以預估最佳產能。」


目前TANGRAM規劃的雲端平台架構包括:IoT+AR簡易排除故障;IoT+AI瞭解設備使用狀態,並導入Machine learning功能,接下來也會積極協助業界建立共通標準。主要目的係藉此整合IT+OT+CT+DT領域,透過TANGRAM對應感測器、物聯網收集(Collect)大量數據,再經WiFi/BLE/NB-IoT/5G等連結(Connect)通訊介面,將資料回傳伺服器主機;透過平台工具及各領域專業技術分析(Analyze)並記錄,以提供使用者具價值性功能。


特別是透過App結合IT功能模組,以快速建構控制器(Controller),進行簡易主動控制概念,讓設備製造廠商不再像過去只能被動接受客戶要求改善,將設備馬達功率越做越大。直到近幾年來開始佈建IoT,才發現是客戶使用習慣有誤,開始導入AI演算法及邏輯判讀分析結果,自動排除錯誤流程;輔以AI建模等工具,快速變更設計及生產製程,以符合目前更短的產品生命週期要求。


但林鼎皓強調,TANGRAM的IIoT產業架構核心並非PLC、SMB,而是在OT端零組(配)件結合感測器,再透過行動裝置App掌握設備運行狀態。倘若客戶允許,就能隨時利用CT連上雲端。他認為:「物聯網其實不難,重點在於建立生態系,串聯跨領域和不同階層Information model,還涉及權限問題,而影響客戶使用體驗。」現已導入眾多工商業設備零組件應用,包含商用濾水器、環控系統、智慧建築大樓水泵系統等,藉著TANGRAM建置IoT功能,使得模組化變得相當重要。


TANGRAM則包括13種物理量感測器、27種應用功能模組,可以串聯泛工業領域不同機台,成為設備優化最佳夥伴。再透過手機App及雲端平台作為串連客戶、產品使用TANGRAM的最重要載具及入口;提供加工現場慣用殺手級應用功能模組,建立設備運行狀態資料收集和分析平台、示警通知,優化現場加工製程;且所有智慧物聯網都可OTA,每當有新功能模組或演算閥值上架,即可快速部署到相關加工設施及零部件裝置上,更新韌體和參數。


尤其是儀表板(Dashboard)模組功能非常重要,讓客戶可以自行挑選設備、感測器並排版,進而指定要檢視的相關連設備資訊,一旦定義完成Information model,就能一次串連設定、出貨所有零組件資訊,而不必任何編程;再透過WIDGET快速整合成油壓單元,將所有資訊回傳,教導如何維修;未來還可望加入QR-code支援智慧物流,用來判讀對應的SOP資訊。


至於AR則是客戶直接從TANGRAM平台下載,不必透過App,只要隨時隨地執行更新流程,全世界客戶都能得到最新保修SOP。當IoT Cloud與AR、AI整合,就能從傳統週期性保養改為條件式+預測性設備維護,量化資訊及傳承經驗,創造製造現場無限可能。


總結


圖3 : TANGRAM的IIoT產業架構核心並非PLC、SMB,而是在OT端零組(配)件結合感測器,再透過行動裝置App掌握設備運行狀態,現也導入智慧建築大樓水泵系統。(攝影:陳念舜)
圖3 : TANGRAM的IIoT產業架構核心並非PLC、SMB,而是在OT端零組(配)件結合感測器,再透過行動裝置App掌握設備運行狀態,現也導入智慧建築大樓水泵系統。(攝影:陳念舜)

目前物聯網監測系統該解決的是傳統零組件出售後,往往就像斷線風箏的問題,若能透過TANGRAM技術蒐集並提出保養建議,利用零組件廠商更能掌握真實壽命及性能的優勢,進一步確認機台穩定性;並將相關數據傳送到雲端平台分析,讓設備廠商可進行跨領域、不同階層整合Information model、AR,對使用者也能避免自動化產線停機。


「重點並非加裝感測器,而是要真正瞭解客戶對於設備的痛點,從問題的現象逆推回去解決,可見raw data對於AI演算法的重要性。」如同汽車油表就是一種感測器,但客戶最關心的其實是剩餘公里數,過去工業設備及零組件通常以運轉時數來評估使用壽命,未來也應該比照現今汽車原廠保修的服務,提前預告何時該更換新品,而非等壞了才修!


*刊頭圖(source:smbsector.com)


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