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泵浦利用智慧传感延伸价值
流体机械拓展工商业应用

【作者: 陳念舜】2021年12月28日 星期二

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因应当前国际净零碳排趋势,除了在工业上带来庞大节能省水压力,未来还有商业上智慧城市及建筑等应用领域,亟待流体机械设备厂商支援。除了如国内外泵浦大厂发表最新产品及解决方案外,也有业者提供工业物联网AIoT模组,以协助传产业者延伸价值链。


目前不仅从半导体制造到食品饮料加工等领域的诸多制造业,在营运期间都难免会经常需要大量用水与用电,直接或间接造成了大量废水及排碳。尤其台湾又是全球最大半导体制造国,平均每座半导体工厂每天用水约2万公吨,相当于一个5.8万人口城市的每日用水量,对于业界需要稳定且大量用水的生产制程,有赖流体机械业者提出最有效率的处理方式。


全球水处理解决方案领导厂商葛兰富(GRUNDFOS)则在近期庆祝该公司全球首款立式多段离心线上型泵浦CR系列问世50周年,其主要用于供水、水处理及几乎大多数工业解决方案,包括高压、高温、危险、易燃和腐蚀性液体等应用领域,迄今已在全球售出超过350万台。同时发表目前最大尺寸等级的CR 255机种,可供应400N-m的最大水压,以及高达每小时320m3流量,足以满足约9,500人的用水所需;在加压泵浦供应等工业制程上,类似大型葛兰富CR泵浦的工作效率最多可提高30%,可望将立式多段线上型泵浦的节能与效能标准提升到新境界,为业界奠定世界级的节能效率里程碑。



图1 : 葛兰富近期发表最大尺寸等级的CR 255系列立式多段离心线上型泵浦,可供应高达每小时320m3流量,足以满足约9,500人的用水所需,最多可提高工作效率30%(source:directsensors.grundfos.com)
图1 : 葛兰富近期发表最大尺寸等级的CR 255系列立式多段离心线上型泵浦,可供应高达每小时320m3流量,足以满足约9,500人的用水所需,最多可提高工作效率30%(source:directsensors.grundfos.com)

新一代葛兰富CR系列泵浦还强调更为节能,从叶轮、导叶到入口、出水口、套筒到扩散器的最佳化液压设计,得以发挥世界级节能效益。因为耗电成本约占产品生命周期成本90%,能效更优异就代表可以节省更多成本;CR泵浦又具备体积小巧的优势,安装上比起其他泵浦设计更简单,从而提升成本效益。


另受惠于葛兰富在模拟设计、材料、测试与生产阶段采用最先进技术,通过10,000多次成功模拟,以及在投入量产之前进行了严格的实际测试,比起旧款产品更加可靠耐用之外,还配备了预测监控功能,得以24小时全天候追踪泵浦的运作状况,并在第一时间提醒使用者可能出现的制程失效,减少代价高昂又不必要的停机维修时间。


进而善用在世界级泵浦系列产品中,模组化程度最高的优势,增添了更多选配件,光是CR系列就提供了数百万种相关选项,方便使用者按照个人设计的独特规格与应用需求,建构客户专属的葛兰富CR泵浦。


台湾沉水泵大厂跨域合作 布局智慧城市商机

此外,基于现今智慧城市课题,未来将透过大量物联网装置和感测器,串接实体并交换资讯,若能让抽水泵具备智慧监控功能,即可转型智慧应用。台湾沉水泵浦大厂河见电机也顺势推出泵浦云端智慧售服平台,除了在泵浦重要部位加装马达热保护器、轴承温度、进水感测器等,依序落实第一阶段数位化,导入泵浦智慧监控盒;第二阶段智慧化,执行泵浦异常侦测;以及第三阶段云端化,打造泵浦智慧云端监控系统。


进而导入联网功能,可使新设或既设泵浦快速升级为工业4.0设备,与智慧型手机等远端智慧终端设备相连互动,进行远距诊断、故障排除建议。借此于远端即时通报泵浦内部重要元件过热或进水,包含温度、电流、电压开关等运转状况;当运转值超过上限时,立即示警告知,在骤变值超过上限时紧急告示。


河见电机公司总经理方柏宜进一步指出传统泵浦营运的现行作法,都是定期保养,常导致保养时间未必能与零件真实消耗情况相吻合,而希望能改为依照泵浦现况,动态调整保养时间。倘若人员巡检过程未能完全掌握,也能让巡检过程更聚焦,不要等到故障发生才维修,恐造成更大损失。现在只要泵浦一旦发现异常时立即检视,避免损失扩大;若无法长时间停机,或须另外添购备品,也能借此实现有计画性停机。


进而提高妥善率,投入研发智慧泵浦云端架构,河见电机并为此申请传产技术开发CITD辅导案,以协助传产转型。利用售服系统加以管理,记录泵浦的运转数值;运转资讯透明化,降低售后服务人员的负荷;主动建议用户更换零件,避免发生重大损坏,降低维修成本。



图2 : 河见电机最终目的是透过泵浦智慧化结合云端智慧售服平台,构成完整监视检测诊断系统暨解决方案,将泵浦使用经验升级,从「制造导向」逐步转型为「服务导向」角色。(source:i0.wp.com)
图2 : 河见电机最终目的是透过泵浦智慧化结合云端智慧售服平台,构成完整监视检测诊断系统暨解决方案,将泵浦使用经验升级,从「制造导向」逐步转型为「服务导向」角色。(source:i0.wp.com)

透过跨域合作结盟神通电脑等4家厂商,将智慧泵浦安装在国立科学工艺博物馆建立试验场域,甚至将运转状态回传河见电机监控管理,投入研发规划。期望带来的产业效益有跨域合作成功,以突破发展瓶颈,提升国际竞争优势;强化产品价值,透过SI与资讯服务业者合作,建构售服平台,在产品面凸显其优势价值;让业者了解数位转型重要性,透过供应商逐步影响,引领产业升级。


最终目的是透过泵浦智慧化结合云端智慧售服平台,藉由系统即时管理,当泵浦运转状态发生异常时,系统具备即时告警和预警功能,再结合告警记录、维修履历、操作手册与联络人群组等,构成完整监视检测诊断系统暨解决方案。让用户透过物联网突破空间限制,达成最佳调度,大幅降低非预期停机造成的巨大损失,将泵浦使用经验升级,从「制造导向」逐步转型为「服务导向」角色。


网联科技导入AIoT模组 开拓智慧建筑及城市应用

近年来从工具机产业出身,积极推广跨域AIoT模组化生态系平台TANGRAM的网联科技(NETIGATE)公司执行长林鼎皓也因此积极思考设备、零组(配)件厂商在迈向工业4.0方向的加值因应之道,并为此成立无排他性、开放架构的TANGRAM物联网联盟。


既对应市面上各式各样通讯协定,来协助不同产业的设备、零组(配)件厂商加速转型升级。同时结合产官学研等相关资通讯人才组成团队,来解决工业现场设备制造Maker、系统整合(SI)和使用者End user等跨领域不同阶层应整合的问题,希望看到的资讯和权限有别,并快速融入客户的产品,创造次世代价值。


尤其是顺应现今业界对于特殊客制化生产线、弹性化速度要求越来越快,甚至希望以5G无线设计来取代传统实体线路趋势。 TANGRAM也积极透过软硬体模组化,让更多厂商在最短时间内布建物联网产品,以克服目前自动化程度越来越高的产业生产状态、非预期性停机风险和损失成本,以及须耗费大量人力与时间控管,却无法取得现场资料优化管理,须备有物联网规划及研发人力等难以推动的重重门槛。


林鼎皓也在过程中发现,许多大厂虽然早在5~6年前即投入工业4.0、物联网领域,却发现不符投资报酬率。因此,仍有赖第三方介入提出共通标准与协定,以加速设备厂商或SI系统整合商整合技术,减少开发专用感测器、设备等成本,提高使用者导入意愿。 「若能由设备制造厂商来提出共通标准、定义规范显得非常重要,才有机会打破Domain knowledge界限,越早加入者的话语权越大,更符合所关注的重点功能。」


尤其是自工业4.0落地应用近10年以来,设备稼动率成为王道。林鼎浩认为,当欧洲大厂已将诸多量产设备移至亚洲生产,再自行投入开发高阶客制化产品,建立硬体模组;以及2011年再加入软体模组后,便构成引领德国中小企业发展方向的工业4.0策略,使得收集模组化数据成为重点,现今工业物联网对于软硬体整合格外重视。


TANGRAM也顺势推出包括SPOT数位感测器、移动型智慧工业物联网闸道器、Square One机边系统、Gateway机联网应用服务主程式库等解决方案。强调让客户不必将所有原始资料(raw data)都上传云端,只要经嵌入边缘运算(Edge computing)载具即可得知结果;同时融合机联网OT+IT工具,才能真正协助提升客户产线价值链,促使制造业开始积极投入开发App,整合智慧行动装置随时监控。


即使客户不愿连网曝露在资安风险下,所有设备厂商仍可整合边缘运算等资通讯及App,并视客户需要,随时支援资料收集分析云端服务平台,提供所需维修服务。甚至可将资讯回传设备厂商,以因应次世代设备制造业要解决的不只是少量多样,而是产能过剩问题,必须精准掌握客户需求,以预估最佳产能。 」


目前TANGRAM规划的云端平台架构包括:IoT+AR简易排除故障;IoT+AI了解设备使用状态,并导入Machine learning功能,接下来也会积极协助业界建立共通标准。主要目的系借此整合IT+OT+CT+DT领域,透过TANGRAM对应感测器、物联网收集(Collect)大量数据,再经WiFi/BLE/NB-IoT/5G等连结(Connect)通讯介面,将资料回传伺服器主机;透过平台工具及各领域专业技术分析(Analyze)并记录,以提供使用者具价值性功能。


特别是透过App结合IT功能模组,以快速建构控制器(Controller),进行简易主动控制概念,让设备制造厂商不再像过去只能被动接受客户要求改善,将设备马达功率越做越大。直到近几年来开始布建IoT,才发现是客户使用习惯有误,开始导入AI演算法及逻辑判读分析结果,自动排除错误流程;辅以AI建模等工具,快速变更设计及生产制程,以符合目前更短的产品生命周期要求。


但林鼎皓强调,TANGRAM的IIoT产业架构核心并非PLC、SMB,而是在OT端零组(配)件结合感测器,再透过行动装置App掌握设备运行状态。倘若客户允许,就能随时利用CT连上云端。他认为:「物联网其实不难,重点在于建立生态系,串联跨领域和不同阶层Information model,还涉及权限问题,而影响客户使用体验。」现已导入众多工商业设备零组件应用,包含商用滤水器、环控系统、智慧建筑大楼水泵系统等,借着TANGRAM建置IoT功能,使得模组化变得相当重要。


TANGRAM则包括13种物理量感测器、27种应用功能模组,可以串联泛工业领域不同机台,成为设备优化最佳伙伴。再透过手机App及云端平台作为串连客户、产品使用TANGRAM的最重要载具及入口;提供加工现场惯用杀手级应用功能模组,建立设备运行状态资料收集和分析平台、示警通知,优化现场加工制程;且所有智慧物联网都可OTA,每当有新功能模组或演算阀值上架,即可快速部署到相关加工设施及零部件装置上,更新韧体和参数。


尤其是仪表板(Dashboard)模组功能非常重要,让客户可以自行挑选设备、感测器并排版,进而指定要检视的相关连设备资讯,一旦定义完成Information model,就能一次串连设定、出货所有零组件资讯,而不必任何编程;再透过WIDGET快速整合成油压单元,将所有资讯回传,教导如何维修;未来还可望加入QR-code支援智慧物流,用来判读对应的SOP资讯。


至于AR则是客户直接从TANGRAM平台下载,不必透过App,只要随时随地执行更新流程,全世界客户都能得到最新保修SOP。当IoT Cloud与AR、AI整合,就能从传统周期性保养改为条件式+预测性设备维护,量化资讯及传承经验,创造制造现场无限可能。


总结


图3 : TANGRAM的IIoT产业架构核心并非PLC、SMB,而是在OT端零组(配)件结合感测器,再透过行动装置App掌握设备运行状态,现也导入智慧建筑大楼水泵系统。 (摄影:陈念舜)
图3 : TANGRAM的IIoT产业架构核心并非PLC、SMB,而是在OT端零组(配)件结合感测器,再透过行动装置App掌握设备运行状态,现也导入智慧建筑大楼水泵系统。 (摄影:陈念舜)

目前物联网监测系统该解决的是传统零组件出售后,往往就像断线风筝的问题,若能透过TANGRAM技术搜集并提出保养建议,利用零组件厂商更能掌握真实寿命及性能的优势,进一步确认机台稳定性;并将相关数据传送到云端平台分析,让设备厂商可进行跨领域、不同阶层整合Information model、AR,对使用者也能避免自动化产线停机。


「重点并非加装感测器,而是要真正了解客户对于设备的痛点,从问题的现象逆推回去解决,可见raw data对于AI演算法的重要性。」如同汽车油表就是一种感测器,但客户最关心的其实是剩余公里数,过去工业设备及零组件通常以运转时数来评估使用寿命,未来也应该比照现今汽车原厂保修的服务,提前预告何时该更换新品,而非等坏了才修!


*刊头图(source:smbsector.com)


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