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馬達與減速機預兆診斷技術先行
產研聚焦預測價值大於診斷

【作者: 陳念舜】   2020年09月09日 星期三

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因應近年來新冠肺炎(COVID-19)疫情蔓延全球,促成遠距工作型態興起,也相對提升智慧工廠裡的預兆診斷技術重要性。不僅已從傳統用來延續馬達與減速機等基礎迴轉機械、關鍵零組件、設備的壽命,避免發生意外停機風險之外,但更重要的價值其實是在預測而非診斷,軟體價值更甚於硬體!


根據工研院機械與機電系統研究所剖析,隨著近年來工業4.0、智慧製造話題不斷發酵,即使是無人工廠的機器設備、基礎迴轉機械之間仍須溝通,才能得知其最新狀態、效能,經過連網及大數據分析之後進行預兆診斷。



圖1 : PdM被視為IIoT應用面需求最大的項目之一,可預計迴轉機械何時故障,並即時更換、排修。(source:i.yting.com)
圖1 : PdM被視為IIoT應用面需求最大的項目之一,可預計迴轉機械何時故障,並即時更換、排修。(source:i.yting.com)

目前工業物聯網(IIoT)技術的主要價值在於藉此營造製造服務化的條件,以協助台灣產業設備業者提升附加價值率,從買方市場的設備提供者(平價)反轉成為賣方市場的設備提供者(高值),創造高品質營收,帶動台灣零組件廠切入國際大廠Tier1供應鏈。


其中PdM(Predictive Maintenance;PdM)被視為IIoT應用面需求最大的項目之一,可預計迴轉機械何時故障,並即時更換、排修。根據德國IOT ANALYTICS評估,截至2022年PdM市場產值可望超過百億美元。另依美國FROST&SULLIVAN公司評估,PdM系統較大的應用市場在於製造業、石化業、電廠,導入智慧感測器(MEMS based sensors)、特徵分析技術(Pattern recognition analysis)、PMS無線裝置系統(Wi-Fi enabled hardware systems for PMS)也被認為成功機會較大。


工研院聚焦PMS軟體 衍生3功能模組

相較於民間傾向硬體製造,工研院開發的PdM關鍵技術與其他單位最大的不同,在於具備資料擷取系統建置能力,包含選用感測器/DAQ及感測位置等,以確保資料有效,其品質對訊號分析的影響降至最低。


同時具有軟體形式,可整合納入專家經驗法則,有別於其他單位多數僅以實驗驗證(data-driven)方式分析,乃基於學理(model-based)+實驗驗證(data-driven)結果,功能明確且多數可自動執行,並以交付分析手法/工具為主;軟體也具有複製性,針對基礎迴轉機械的導入門檻及時間均低。即使面對不同產業、未曾接觸的機台,也有一定準確度,不必隨著客戶要求改變開發目標,便須重新蒐集大量數據分析。


目前工研院發表的PMS預兆診斷系統軟體又陸續衍生出:性能評價(Performance)、壽命預測(Prediction)、故障診斷(Prognosis)3大功能模組。


其中最早開發出來的「故障診斷模組」,係因應傳統產業使用的大型馬達通常不會一次很快就全部損壞,但當時老師傅雖然只要看到訊號波形,就能判斷故障主因或何時將發生,卻無法100%傳承經驗,或一次監控數百部馬達與減速機,所以業者只想藉此瞭解部份核心機台狀態,並預測何時會故障。



圖2 : 工研院開發的PdM關鍵技術具備資料擷取系統建置能力及軟體形式,不必隨著客戶要求改變開發目標,必須重新蒐集大量數據分析。(source:工研院)
圖2 : 工研院開發的PdM關鍵技術具備資料擷取系統建置能力及軟體形式,不必隨著客戶要求改變開發目標,必須重新蒐集大量數據分析。(source:工研院)

所以工研院結合設備零組件資訊及專家經驗,運用時頻分析技術及模糊類神經網路演算法,針對主軸、軸承、齒輪箱、馬達等關鍵零組件逾20種故障類型進行準確判讀,避免人為誤判而浪費維修保養時間,可加速維護及零組件之更換。


接著推出機器「性能評價模組」,同時考量了設備特性及相應國際標準規範,運用振動訊號特徵萃取技術及迴歸演算法,為客戶制定評價模型,針對當下運轉狀態評分;亦可由客戶自訂時間軸、監控項目及範圍,如振動速度、位移量、特定頻譜分量等,即時掌握機台性能及健康指標,當評分低於指標再關注,以提升設備管理效率、產能與品質,降低物料庫存的成本,也確保產線正常運作,減輕管理者負擔。


「趨勢(壽命)預測模組」,則會依監控項目執行適當的數據平滑化,並採用多項式曲線擬合、自迴歸移動平均模型等時間序列分析技術預測發展趨勢,可針對自定義之維護點進行準確的剩餘時間預測,延長設備操作時間,趨近於零停機時間。進而關注振動頻率等健康指標,預估何時將會到達軸承或其他零組件壽命的更換標準及汰換週期,以進行精確而有效率管理,不必換新整部馬達。


西門子結合CMS模組 最佳化製程效率與節能

台灣西門子公司驅動暨馬達處產品經理鄭志鴻也肯定工研院輔導業界,導入預兆診斷技術的用心,尤其像馬達與減速機等基礎迴轉機械雖位居工廠自動化(FA)控制領域核心的角色,如電廠冷卻水泵、煉鋼廠高爐、風力電機等核心設備的馬達只要一失效就停擺,且不易備料,卻最容易被忽略,不比上層PLC控制器還會要求具備雙重迴路備援的安全機制。


即使近年來受到疫情影響,更添遠距預兆診斷的重要性價值,但要求所有基礎迴轉機械皆應建置遠端通訊、控制介面與感測器的成本仍然過高;且在傳統產業的感應式馬達雖多,通常發生異常振動後一段時間,才會造成實質影響,所以願意全面導入預兆診斷技術者不多,傳產OEM設備客戶也未必接受,頂多只投資較接近上游製程的核心設備。鄭志鴻認為:「硬體設備、迴轉機械製造廠商在數位化轉型潮流裡,其實比較像是大數據資訊產生者,也要搭配末端感測器和通訊介面,才能上傳蒐集的資料到工業雲分析、診斷。」


如今包含東元、西門子都已推出可加裝於PLC的無線智慧狀態監控模組CMS,以監測馬達振動、溫度、電流、速度等sensor蒐集運行狀態與時數,即使少了驅動器或變頻器啟動、控制電流,也能通過閘道器、無線傳輸、藍牙、Wi-Fi連網,上傳到邊緣運算裝置或開放式雲平台,分析電流變化以瞭解馬達是否異常。


待累積足夠相同規格的設備維修記錄,還能進行全數位化預診、快速修復,不必完全仰賴老師傅經驗;或是經智慧手機App顯示、應用,安排適當保養週期。由於直接針對使用者情境應用,可不限設備品牌,依傳產或科技產業應用的運轉條件、環境、負載等標準有別,所得的預診壽命數據甚至比原廠更精準!西門子在台灣銷售的馬達具有最高防護等級,生命週期比同業更久,可適用於碼頭等極端環境,在台灣沿岸碼頭的天車上具有60%~80%的市占率。


此外,現在預兆診斷還能用來改良製程參數,以防因為馬達、齒輪箱異常而衝擊機械壽命,影響產品良率。例如西門子也會將振動感測器安裝於齒輪箱、軸承等,針對整體驅動系統蒐集振動、溫度等數據並分析,上傳PLC/PC控制系統,以達到最佳化製程速度、節能,提高產品良率;或上傳MindSphare提供系統整合商、終端客戶分級索取資料後,用來規劃、製程分析等服務、建立App會更有彈性。


西門子也將所有部門的PLC控制器/變頻器的調機軟體、編程都可整合於單一平台TIA portcal完成虛實整合,讓選型軟體更容易使用,可快速取得所需產品加以整合。若像極重視資安的半導體大廠,或是數位化程度有限的傳統產業,如押出成形製程的電流曲線等,便能交由其信任的雲平台或SI公司針對特定產業開發;未來還可能將相關參數輸入AI資料庫,倘若軸承運轉超過一定時數,也會通知添加潤滑油。


甚至有App可讓使用者透過AR眼鏡顯示馬達資訊,進行遠端診斷、維修、叫貨備品。因應最近疫情加速客戶導入數位化,西門子也持續推廣預知保養概念,以防意外停機,造成現場人員壓力過大或維修時急著調貨。鄭志鴻表示,畢竟所有馬達都不會突然升溫,而可在出現一段溫度上揚曲線階段即可提前按排程維修、叫貨,避免整批貨報銷。



圖3 : 因應疫情加速客戶導入數位化,Siemen現也持續推廣預知保養概念,以防意外停機,造成現場人員壓力過大或維修時急著調貨。(source:hannovermesse.de)
圖3 : 因應疫情加速客戶導入數位化,Siemen現也持續推廣預知保養概念,以防意外停機,造成現場人員壓力過大或維修時急著調貨。(source:hannovermesse.de)

值得一提的是,由於判斷高效率馬達的指標之一還包括節能,依現今國際針對市占率最高的AC鼠籠式感應馬達的最低能源效率標準MEPS(minimum energy performance standard),又分為歐盟IEC、北美NEMA兩類,帶來的節能效益最為立竿見影。西門子不僅擁有業界最完整的低壓系列馬達,早在台灣尚在推行IE2政策階段,就已率先推出IE3等級馬達,至今已順利量產供貨台灣電子大廠;並逐步邁向IE4等級,供應其他更重視能效的企業投資新廠。


另隨著感應式馬達發展達到一定瓶頸後,會開始跳脫到永磁或同步磁組機種。目前Siemens系列馬達產品不僅涵括感應式/永磁式機種,也在約3~5年前發表同步磁組機種,以替代既有永磁式馬達,也避免受到國際貿易戰火下的稀土限制。


東元提供最佳化配置策略 完善迴轉機械節能產品

台灣馬達製造大廠東元集團則除了面對國際數位化浪潮,主要推廣完整數位智慧解決方案之外,也陸續推陳出新一系列永磁/感應式馬達、AC/DC伺服馬達等高效節能的馬達單體,以針對不同製造應用場域,同時配合國際IE2~IE3規範演進,甚至已推出150HP以下的全系列IE4永磁式馬達。


尤其若考量藉馬達單體可提高約1~2%的效率有限,還不如加上變頻器可達到約30~35%的節能效果為佳,所以東元集團在選擇IE4高效率馬達策略上也納入永磁馬達,可在總體轉速區間內維持較高效率,不像傳統感應馬達加上變頻器配置的缺點,在於低轉速區間的效率會下滑。永磁式馬達加上變頻器配置,則比較適用於轉速區間、操作範圍變化較大,或長期處於偏低轉速應用領域者。



圖4 : 東元集團透過最近併購的義大利Motorvero減速機品牌,完善迴轉機械節能產品,實現最佳化配置策略。(攝影/陳念舜)
圖4 : 東元集團透過最近併購的義大利Motorvero減速機品牌,完善迴轉機械節能產品,實現最佳化配置策略。(攝影/陳念舜)

至於傳統感應馬達加上減速(機)齒輪箱系統更適用於固定轉速、操作範圍者,東元現也透過最近併購的義大利Motorvero減速機品牌,先行發展10HP以下系列同步磁組馬達。若能以減速機搭配定速馬達使用,既少了調速的困擾,可降低成本又提升效率,還能採取自啟動模式。加裝籠條在轉子內直接起動,便不必仰賴變頻器驅動;甚至可利用磁石輔助型機種來取代容易受稀土限制的永磁馬達,達到同等效率、成本又低。


但製程成本仍高,若無法自啟動時,還須加入變頻器的成本。且感應馬達可依負荷改變而提高滑差(slip),耐受性高而不致損壞馬達,有別於同步磁阻馬達的缺點是一旦負載、轉矩生變,超過可同步範圍就會脫速,造成意外災害。所以東元預估不會很快推出同步磁組馬達單體,而是先考慮在特殊應用情境的節能需求,逐步取代感應馬達,仍會依參數要求加裝變頻器驅動油泵等,達成馬達加上變頻器的雙重節能效果。


**刊頭照:(source:flender.com)


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