雲端智慧空壓能源管理系統開發研究

摘要：本文以節能為目標，針對工廠運轉中動力機械設備，例如空氣壓縮機組，發展空壓的能源管理系統，來提高能源使用效率。該雲端系統的主要功能是接收即時線上的監測空壓系統的參數值，並透過雲端平台進行相關參數的運算和分析。這些分析結果可以為管理和節能診斷提供決策依據。

Abstract：This article focused on energy conservation of power mechanical equipment, such as air compressor units and developed an energy management system (EMS) for energy usage efficiency enhancement. The EMS primary function of the cloud-based system is to receive real-time online monitoring parameters of the compressed air system and perform computation and analysis of relevant parameters through the cloud platform. These analytical results can serve as decision-making criteria for management and energy-saving diagnostics.

關鍵詞：空壓能源管理系統、流體機械、能效診斷

Keywords：Air compression energy management system, Fluid machinery, Energy efficiency diagnosis

前言

    隨著能源供應費用逐年提升，針對工廠藉由有效的能源管理策略協助製造成本的控制，精算出排程的工業能源用量即時分析，以消耗能源最低的情況下，去落實精實生產的原則。因此，將傳統雲端分析平台的基礎上加入物聯網、大數據與專家系統等技術，建構更高效的數據收集體系，延伸發展成工業智慧的智慧能源管理系統，並針對製造業的數據化、網路化與智慧化之需求，以建置含有量測、儲存、分析與管理功能的工業雲端平台系統。同時將知識具體化，以工業應用程式來形成資源集成、協同演進及整合互享的製造業環境。透過監測性質及顯示目的，將重要指標運行情形及相關資訊統整顯示，降低生產能源的使用成本，本研究持續協助國內工廠針對運轉中的動力機械設備之空氣壓縮機組為目標，進行長期運轉效率即時量測，量測資料經過分析處理，可以為機組管理和節能診斷提供即時決策評估的量化依據，並且採用空壓能耗監測IIOT節能診斷模組，結合雲端ITRI伺服器單元，藉由雲端運算、儲存及網路連線的雲端服務與工業物聯網技術，進行整合設備與系統監測[1]，針對空壓系統建立雲端智慧能源管理系統，本系統運作如圖1所示。

圖1 本系統運作

分析及實現

1.模組端硬體功能設計與實現

    本系統採用先前ITRI空壓能耗監測IIOT模組的研究成果於網路傳輸層進行數據收集[2]，持續將此模組導入場域應用測試，並結合商品化整合設計同步工程。目前建置之電路設計為多層板PCB Layout的設計方案，其模組PCB設計圖，如圖2所示，完成空壓能耗監測IIOT節能診斷模組之硬體V3.0，如圖3所示，主要針對PCB的電源佈線改善，包含縮短電源走線距離及加大電源走線寬度，在模組殼體實現上，材質採用鋁合金屬配合陽極的處理上色，藉由金屬的機構強度與易於散熱、導熱的特性來製作，殼體字體標注以噴墨印刷設計建置，同時整合模組PCB、外罩殼體與人機介面模組，達成商品化的開發目標與實際應用需求。而模組周邊輸出輸入埠包含8組類比輸入通道、1組RS485串列通訊、1組RS232串列通訊、1組RJ45電錶通訊、2組RJ45網路通訊、1組MicroUSB、1組MicroSD、1組WIFI天線、1組4G天線，模組規格與功能如表1所示。

(a)

(b)

圖2 模組PCB設計(a)電路圖(b)PCB實體

                                                     (a)                                                         (b)

圖3 模組端實體(a)正面(b)反面

表1 模組端規格

2.模組端軟體功能設計與建置

    本系統模組端軟體的介面優化設計共六個頁面，主要是以空壓系統運行為主畫面，能快速將系統資訊量化呈現給使用者，其顯示單元部分包含電力值、露點值、流量值及壓力值的即時數值顯示和各個頁面的切換，耗能分析則是以當日為主要統計有空重車耗能比、風量值、運轉時間、系統效率、單位耗能及成本耗能為各項空壓狀態指摽數值統計展現，曲線圖顯示設計是將電流、壓力、流量與露點數值以勾選方式，去顯示各個數值趨勢紀錄，觸碰顯示單元則是選用4.3吋增強型HMI進行設計建置，其人機介面展示，如圖4所示。

圖4 模組端人機介面(系統運行)