符合OPC 標準之泵浦智慧化節能技術

摘要：泵浦是各產業中重要的基礎設備也是節能改善標的，本文針對泵浦節能與物聯網系統中的OPC UA統一架構進行介紹與導入策略說明，及採用變頻器節能技術配套規範做重點式的介紹，適用於流體泵浦揚程、流量與電力消耗動態實測分析系統，OPC UA泵浦系統涵蓋之範圍、資訊模型定義、生命週期、碳足跡系統配套規範未來發展等內容進行描述。
Abstract：Pumps play a crucial role in different industries and are often the target of energy efficiency efforts. This article presents a unified architecture of OPC UA for pump energy-saving and IOT Things systems. It explains the implementation strategy and provides specifications for energy-saving technology for frequency converters, which are used for dynamic measurement and analysis of fluid pump head, flow rate, and power consumption. In addition, the article describes the scope of OPC UA pump system, information model definition, life cycle, and future development of the carbon footprint system.

關鍵詞：泵浦、能源效率、統一標準架構
Keywords：Pump, Energy efficiency, OPC UA(OPC Unified Architecture)

前言
泵浦(Pump)在工業領域是個重要的組件。泵浦的定義是一種用來移動液體、氣體的裝置，即是對流體作功的機械。當有個裝置的功能是以馬達加壓將水由低處輸送至高處，常有人稱之為加壓馬達或抽水馬達，正式的名稱是「泵浦」。泵浦如圖1所示，包含了水機和馬達兩部分。

圖1 泵浦組成元素

泵浦產品生命週期平均為數年甚至數十年以上，而泵浦的生命週期成本項目，除了初始購置成本以外，運營的能源成本及維護成本約占總成本60%以上，表示泵浦運轉過程中，若能降低能源消耗及預防維運成本發生，適時地更換即可大幅度降低總成本花費，同時若泵浦透過物聯網技術搭配智慧系統，將有助於減少突發停機損失並達到預知保養維護功能，使泵浦運作更有效率，進而降低能源成本並達到節能減碳效益。預估2024年全球之智慧化技術應用於泵浦的市場市值將超過10億美元[1]，如圖2所示。

圖2 智慧化泵浦設備市場規模

因應上述，本文提出一泵浦智慧化節能技術方案，本方案泵浦基本訊息採用VDMA 24223規範，泵浦訊號使用新漢智能資料擷取通訊模組，經由 Modbus TCP 通訊協定，動態取得泵浦控制器中的感測器數值與相關數據; 整合OPC 40223(OPC UA for Pumps and Vacuum Pumps 1.0)[2]，建置泵浦基本資訊與運行時的相關數據之 OPC UA 資訊模型，讓使用者可以透過物聯網平台動態實測分析，掌握泵浦目前的健康狀況，達成資訊與控制系統整合；最終與ISO 14064與ISO 14067相關的資訊進行彙整，將數據寫入OPC 30270資產管理殼(Asset Administration Shell, AAS)[3]的碳足跡子模型內，並完善泵浦生命週期產品履歷數據，以達成I4.0資產管理互通性與協作管理的一致性，使之可以在不同廠商、不同用途及不同組合間進行，以達成各公司處理程序的互操作性(Interoperability)[4]。整體架構如圖3所示，上述提到各項標準簡述如下：

圖3 泵浦節能減碳之物聯網套裝方案技術架構

1. VDMA 24223：由德國機械工業協會 (Verein Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) 提出的技術標準，為液體和真空泵提供基本的信息管理技術，跨足所有液體和真空泵的類型和應用。它涵蓋泵的功能和它們的工業應用領域，並且不依賴於特定的通信技術。此標準的重點是通過提供自我監測、狀態信息生成和創新診斷等功能，以提高維護效率、與能源應用管理。
2. OPC 40223：由VDMA和OPC Foundation共同制定的規格，針對泵浦的資訊模型進行規範，旨在通過OPC UA協議將泵浦的資訊和控制功能與企業IT系統進行整合，提高泵浦管理效能，此規範使用之泵浦術語和術語規範基於VDMA 24223。
3. OPC 30270：Industry 4.0 Asset Administration Shell是一種面向工業4.0時代的資產管理技術，它將資產的資訊模型與生命週期整合進工業4.0系統中，以實現資產的有效管理和協同運作。