打造綠色工廠—— 能源效率在工業4.0發揮關鍵作用
作者 : Stefano Lovati，Power Electronics News技術撰稿
能源效率在工業世界中扮演著重要的角色。能源成本的上升及其對環境的影響使得能源效率成為工業4.0的主要目標之一…
工業物聯網(industrial internet of things；IIoT)和工業4.0 (Industry 4.0)為改善生產流程以及降低能耗提供了多種機會。藉由連接機器和工具，IIoT讓製造公司能夠即時提高生產的可視性。
IIoT裝置收集的大量資料讓我們能夠最佳化生產、提高產品和服務的品質、應用預測性維護，以及使供應鏈自動化等等。
著眼於IIoT基礎設施讓工業現實變得完全數位化和智慧化，IIoT與工業4.0之間的聯繫非常密切。儘管過去兩年的經濟環境艱難，但對IIoT的投資卻呈現出積極的趨勢，預計未來幾年，這種趨勢將進一步成長。
能源效率在工業世界中扮演著重要的角色。目前，「綠色工廠」(Green Factory)的目標不僅是為了滿足環境和可持續性的需要，而且也為了提高產業的盈利能力。能源成本的上升及其對環境的影響使能源效率成為工業4.0的主要目標之一。
電源管理和能源效率
電源管理系統的任務是即時監控進行工業活動所需的能源，提供與配電參數相關的有用資訊並確定模式和趨勢。電源管理的主要目標是確保能源的供應，特別是能源的可用性、可靠性和品質。
另一方面，能源效率更側重於公司能因為降低能源損耗和減少環境影響而達到降低成本等方面。工業4.0現在已進入所有主要的工業領域，所以就不能忽視能源效率。這種聯繫如此密切，以至於今天，我們還能更恰當地談論能源4.0 (Energy 4.0)，在此背景下，借助智慧電網就可管理不同的能源(包括再生能源)及其分配。另一方面，在日益分散的市場中整合不同的能源，就需要能夠保證能源消費的品質、可持續性和效率之管理技術，而數位化同樣有助於實現這些目標。
IIoT對智慧工廠的好處
IIoT極大地促進了產業向智慧工廠現實的轉變，它可以帶來以下好處：
- 更高的效率：感測器持續監測系統並收集有用的資料，以確定機械的正確運行、過程進度和能源消耗。這樣就可以更好地瞭解資源是如何使用的，以及是否可以找到更有效的使用方法。
- 提高安全性：某些生產活動，例如裝配、零件成型、檢查和機械控制，可能對操作人員的健康造成嚴重威脅。能夠遠端系統管理資料擷取並將最危險的活動委託給機器人和智慧機械，就能使公司更妥善地保護工人和維護人員的安全。
- 減少停機時間：預測性維護有助於估計故障發生前的剩餘時間。透過提前規劃適當的干預措施，就可能降低計畫外停機的風險和相關成本，從而確保企業具有更大的恢復能力。
- 能源供需平衡：符合ISO 50001標準的各個產業，可以為自己裝備能源管理系統以持續提高能源效率。透過ISO 50001認證，企業就能瞭解內部能源消耗，並能夠監控和減少其能源需求。
能源效率趨勢
我們已經看到能源效率是如何成為IIoT應用的主要目標，以及這如何有助於充份實現工業4.0所設想的計畫。接著研究能源效率的主要趨勢，重點在於能源效率的技術內容及其所提供的效益。
感測器
由於感測器是任何IIoT應用的基本元件，因而本身必須非常節能。在單個IIoT應用中可能使用數百或數千個感測器，因此幾個百分點的效率提升具有相當大的意義。此外，由於這些感測器中的大多數都是由電池供電的，因此必須盡可能地擴展其自主性。如圖1取自NXP參考設計的電表方塊圖。在選擇所有必需的元件(MCU、通訊收發器和顯示器等)時，必須優先考慮能夠支援低功耗運作模式和極低靜態電流的低功耗元件。因此，可以透過適當、準確的物聯網裝置設計來提高感測器的能效。
圖1：電表方塊圖。(圖片來源：NXP)
邊緣運算
任何IIoT應用的主要難題之一是在雲端處理和本地處理之間找到合適的折衷方案。第一種方法的優點是運算能力要求低，但需要更高的頻寬和更長的傳輸時間，從而增加了電流消耗。然而，隨著高性能MCU的推出，以及能在其上即時運行人工智慧演算法(如深度學習)，從而推動了許多應用向邊緣運算過渡。
智慧電網整合
智慧電網無需人為干預，即可監控電力需求的局部變化並自動做出反應。這需要電網與消費者之間進行即時雙向通訊，讓消費者根據個人偏好(如定價和/或環境問題)調整其能源消耗。智慧電網透過與蜂巢式基地台或其他類似基礎設施進行通訊，就能發送重要的統計資料，如即時用電量、累積電能消耗以及最大需求等。
數位雙生
「數位雙生」(Digital Twins)一詞是指實體資源的虛擬副本，它由物件、進程、系統或裝置來表示。數位雙生可用於各種目的，特別是最佳化生產和預測性維護。因此，相較於工業4.0典範，這種方法是最先進的。
混合實境(Mixed Reality；MR)裝置有助於創建工業機械的虛擬副本，進行查看並將其準確地放置在目標位置，以評估正確的尺寸並預測安裝階段的任何問題。透過數位雙生，還可以在無需停止生產的情況下進行模擬和壓力測試。
能量採集
連接到IIoT的裝置數量一直在成長。將雲端中的機器學習、能量採集技術和超低功耗無線電傳輸結合在一起，就能為不需要硬接線電源或通訊連接的工業廠房、裝置和建築物創建一個靈活的監控基礎設施。
小型且簡單的感測器可以利用能量採集，從環境中提取能量並將其轉換為隨時可用的電源。這些感測器的運作不需要電池，因為它們可由環境的熱量、光或運動提供電力。如今，溫度、濕度和動作感測器以及致動器幾乎可以安裝在任何地方。感測器可以相互通訊，也能與連接到雲端的控制器或閘道進行通訊，從而實現智慧工廠的概念。
功率轉換效率
在工業廠房中，有許多裝置要使用電源或電源轉換系統。多年來，主要的趨勢一直是幾乎完全使用開關電源，這類電源雖然能夠提供高效率值，但也必須付出不可輕忽的射頻(RF)發射代價。在某些應用中，線性轉換器(效率較低但幾乎是零電磁輻射)仍然是首選。在AC/DC轉換器中，必須導入功率因數校正(PFC)級來提高訊號品質，從而提高轉換效率。
隨著碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬能隙半導體出現，現在可以進一步提高效率。SiC和GaN元件由於具有優越的實現性能，能以更高的能效、更高的工作電壓、更高的最大溫度和更好的散熱性能以及更低的重量和尺寸等優勢，取代傳統的矽基元件(MOSFET和IGBT)。
智慧型機器人
在工業中，機器人被用來執行以往由人類執行的重複性工作。在這個領域，最新、最吸引人的創新之一是電腦視覺，特別是立體視覺。立體攝影機能模擬人類典型的視覺能力，讓機器人不僅能感知周圍的環境，而且還能感知影像各點的深度或距離(圖2)。這樣一來，在抓取和釋放各種類型的物體時，就可實現更高的運動精度。
圖2：Intel RealSense D435i深度相機可在工業機器人領域創建具挑戰的應用。(圖片來源：Intel)
總結
工業領域在全世界消耗的能源中佔有很大比例，因此也是溫室氣體排放的最大因素之一。對環境的更大責任正刺激著人們尋找能夠降低能源消耗、提高生產效率和友善環境的新解決方案。IIoT和工業4.0為支持這些努力提供了幾個機會。綜合利用技術，以及透過智慧高效的方法和應用最佳化生產過程，可以幫助改善生產過程和降低能源消耗。
(參考原文：Energy efficiency takes on a fundamental role in Industry 4.0，by Stefano Lovati)
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