因應(yīng)近年來新冠肺炎（COVID-19）疫情蔓延全球，促成遠(yuǎn)距工作型態(tài)興起，也相對提升智慧工廠裡的預(yù)兆診斷技術(shù)重要性。不僅已從傳統(tǒng)用來延續(xù)馬達(dá)與減速機(jī)等基礎(chǔ)迴轉(zhuǎn)機(jī)械、關(guān)鍵零組件、設(shè)備的壽命，避免發(fā)生意外停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)之外，但更重要的價(jià)值其實(shí)是在預(yù)測而非診斷，軟體價(jià)值更甚於硬體！
根據(jù)工研院機(jī)械與機(jī)電系統(tǒng)研究所剖析，隨著近年來工業(yè)4.0、智慧製造話題不斷發(fā)酵，即使是無人工廠的機(jī)器設(shè)備、基礎(chǔ)迴轉(zhuǎn)機(jī)械之間仍須溝通，才能得知其最新狀態(tài)、效能，經(jīng)過連網(wǎng)及大數(shù)據(jù)分析之後進(jìn)行預(yù)兆診斷。
| 圖1 : PdM被視為IIoT應(yīng)用面需求最大的項(xiàng)目之一，可預(yù)計(jì)迴轉(zhuǎn)機(jī)械何時(shí)故障，並即時(shí)更換、排修。（source：i.yting.com） |
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目前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)的主要價(jià)值在於藉此營造製造服務(wù)化的條件，以協(xié)助臺灣產(chǎn)業(yè)設(shè)備業(yè)者提升附加價(jià)值率，從買方市場的設(shè)備提供者（平價(jià)）反轉(zhuǎn)成為賣方市場的設(shè)備提供者（高值），創(chuàng)造高品質(zhì)營收，帶動(dòng)臺灣零組件廠切入國際大廠Tier1供應(yīng)鏈。
其中PdM（Predictive Maintenance；PdM）被視為IIoT應(yīng)用面需求最大的項(xiàng)目之一，可預(yù)計(jì)迴轉(zhuǎn)機(jī)械何時(shí)故障，並即時(shí)更換、排修。根據(jù)德國IOT ANALYTICS評估，截至2022年P(guān)dM市場產(chǎn)值可望超過百億美元。另依美國FROST&SULLIVAN公司評估，PdM系統(tǒng)較大的應(yīng)用市場在於製造業(yè)、石化業(yè)、電廠，導(dǎo)入智慧感測器（MEMS based sensors）、特徵分析技術(shù)（Pattern recognition analysis）、PMS無線裝置系統(tǒng)（Wi-Fi enabled hardware systems for PMS）也被認(rèn)為成功機(jī)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(fā)的PdM關(guān)鍵技術(shù)與其他單位最大的不同，在於具備資料擷取系統(tǒng)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(zhì)對訊號分析的影響降至最低。
同時(shí)具有軟體形式，可整合納入專家經(jīng)驗(yàn)法則，有別於其他單位多數(shù)僅以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（data-driven）方式分析，乃基於學(xué)理（model-based）+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（data-driven）結(jié)果，功能明確且多數(shù)可自動(dòng)執(zhí)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(chǔ)迴轉(zhuǎn)機(jī)械的導(dǎo)入門檻及時(shí)間均低。即使面對不同產(chǎn)業(yè)、未曾接觸的機(jī)臺，也有一定準(zhǔn)確度，不必隨著客戶要求改變開發(fā)目標(biāo)，便須重新蒐集大量數(shù)據(jù)分析。
目前工研院發(fā)表的PMS預(yù)兆診斷系統(tǒng)軟體又陸續(xù)衍生出：性能評價(jià)（Performance）、壽命預(yù)測（Prediction）、故障診斷（Prognosis）3大功能模組。
其中最早開發(fā)出來的「故障診斷模組」，係因應(yīng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)使用的大型馬達(dá)通常不會一次很快就全部損壞，但當(dāng)時(shí)老師傅雖然只要看到訊號波形，就能判斷故障主因或何時(shí)將發(fā)生，卻無法100%傳承經(jīng)驗(yàn)，或一次監(jiān)控?cái)?shù)百部馬達(dá)與減速機(jī)，所以業(yè)者只想藉此瞭解部份核心機(jī)臺狀態(tài)，並預(yù)測何時(shí)會故障。
| 圖2 : 工研院開發(fā)的PdM關(guān)鍵技術(shù)具備資料擷取系統(tǒng)建置能力及軟體形式，不必隨著客戶要求改變開發(fā)目標(biāo)，必須重新蒐集大量數(shù)據(jù)分析。（source：工研院） |
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所以工研院結(jié)合設(shè)備零組件資訊及專家經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用時(shí)頻分析技術(shù)及模糊類神經(jīng)網(wǎng)路演算法，針對主軸、軸承、齒輪箱、馬達(dá)等關(guān)鍵零組件逾20種故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確判讀，避免人為誤判而浪費(fèi)維修保養(yǎng)時(shí)間，可加速維護(hù)及零組件之更換。
接著推出機(jī)器「性能評價(jià)模組」，同時(shí)考量了設(shè)備特性及相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)，運(yùn)用振動(dòng)訊號特徵萃取技術(shù)及迴歸演算法，為客戶制定評價(jià)模型，針對當(dāng)下運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)評分；亦可由客戶自訂時(shí)間軸、監(jiān)控項(xiàng)目及範(fàn)圍，如振動(dòng)速度、位移量、特定頻譜分量等，即時(shí)掌握機(jī)臺性能及健康指標(biāo)，當(dāng)評分低於指標(biāo)再關(guān)注，以提升設(shè)備管理效率、產(chǎn)能與品質(zhì)，降低物料庫存的成本，也確保產(chǎn)線正常運(yùn)作，減輕管理者負(fù)擔(dān)。
「趨勢（壽命）預(yù)測模組」，則會依監(jiān)控項(xiàng)目執(zhí)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)平滑化，並採用多項(xiàng)式曲線擬合、自迴歸移動(dòng)平均模型等時(shí)間序列分析技術(shù)預(yù)測發(fā)展趨勢，可針對自定義之維護(hù)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的剩餘時(shí)間預(yù)測，延長設(shè)備操作時(shí)間，趨近於零停機(jī)時(shí)間。進(jìn)而關(guān)注振動(dòng)頻率等健康指標(biāo)，預(yù)估何時(shí)將會到達(dá)軸承或其他零組件壽命的更換標(biāo)準(zhǔn)及汰換週期，以進(jìn)行精確而有效率管理，不必?fù)Q新整部馬達(dá)。
西門子結(jié)合CMS模組 最佳化製程效率與節(jié)能
臺灣西門子公司驅(qū)動(dòng)暨馬達(dá)處產(chǎn)品經(jīng)理鄭志鴻也肯定工研院輔導(dǎo)業(yè)界，導(dǎo)入預(yù)兆診斷技術(shù)的用心，尤其像馬達(dá)與減速機(jī)等基礎(chǔ)迴轉(zhuǎn)機(jī)械雖位居工廠自動(dòng)化（FA）控制領(lǐng)域核心的角色，如電廠冷卻水泵、煉鋼廠高爐、風(fēng)力電機(jī)等核心設(shè)備的馬達(dá)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(jī)制。
即使近年來受到疫情影響，更添遠(yuǎn)距預(yù)兆診斷的重要性價(jià)值，但要求所有基礎(chǔ)迴轉(zhuǎn)機(jī)械皆應(yīng)建置遠(yuǎn)端通訊、控制介面與感測器的成本仍然過高；且在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的感應(yīng)式馬達(dá)雖多，通常發(fā)生異常振動(dòng)後一段時(shí)間，才會造成實(shí)質(zhì)影響，所以願(yuàn)意全面導(dǎo)入預(yù)兆診斷技術(shù)者不多，傳產(chǎn)OEM設(shè)備客戶也未必接受，頂多只投資較接近上游製程的核心設(shè)備。鄭志鴻認(rèn)為：「硬體設(shè)備、迴轉(zhuǎn)機(jī)械製造廠商在數(shù)位化轉(zhuǎn)型潮流裡，其實(shí)比較像是大數(shù)據(jù)資訊產(chǎn)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(yè)雲(yún)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(tài)監(jiān)控模組CMS，以監(jiān)測馬達(dá)振動(dòng)、溫度、電流、速度等sensor蒐集運(yùn)行狀態(tài)與時(shí)數(shù)，即使少了驅(qū)動(dòng)器或變頻器啟動(dòng)、控制電流，也能通過閘道器、無線傳輸、藍(lán)牙、Wi-Fi連網(wǎng)，上傳到邊緣運(yùn)算裝置或開放式雲(yún)平臺，分析電流變化以瞭解馬達(dá)是否異常。
待累積足夠相同規(guī)格的設(shè)備維修記錄，還能進(jìn)行全數(shù)位化預(yù)診、快速修復(fù)，不必完全仰賴?yán)蠋煾到?jīng)驗(yàn)；或是經(jīng)智慧手機(jī)App顯示、應(yīng)用，安排適當(dāng)保養(yǎng)週期。由於直接針對使用者情境應(yīng)用，可不限設(shè)備品牌，依傳產(chǎn)或科技產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的運(yùn)轉(zhuǎn)條件、環(huán)境、負(fù)載等標(biāo)準(zhǔn)有別，所得的預(yù)診壽命數(shù)據(jù)甚至比原廠更精準(zhǔn)！西門子在臺灣銷售的馬達(dá)具有最高防護(hù)等級，生命週期比同業(yè)更久，可適用於碼頭等極端環(huán)境，在臺灣沿岸碼頭的天車上具有60%~80%的市占率。
此外，現(xiàn)在預(yù)兆診斷還能用來改良製程參數(shù)，以防因?yàn)轳R達(dá)、齒輪箱異常而衝擊機(jī)械壽命，影響產(chǎn)品良率。例如西門子也會將振動(dòng)感測器安裝於齒輪箱、軸承等，針對整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)蒐集振動(dòng)、溫度等數(shù)據(jù)並分析，上傳PLC/PC控制系統(tǒng)，以達(dá)到最佳化製程速度、節(jié)能，提高產(chǎn)品良率；或上傳MindSphare提供系統(tǒng)整合商、終端客戶分級索取資料後，用來規(guī)劃、製程分析等服務(wù)、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(diào)機(jī)軟體、編程都可整合於單一平臺TIA portcal完成虛實(shí)整合，讓選型軟體更容易使用，可快速取得所需產(chǎn)品加以整合。若像極重視資安的半導(dǎo)體大廠，或是數(shù)位化程度有限的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如押出成形製程的電流曲線等，便能交由其信任的雲(yún)平臺或SI公司針對特定產(chǎn)業(yè)開發(fā)；未來還可能將相關(guān)參數(shù)輸入AI資料庫，倘若軸承運(yùn)轉(zhuǎn)超過一定時(shí)數(shù)，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(dá)資訊，進(jìn)行遠(yuǎn)端診斷、維修、叫貨備品。因應(yīng)最近疫情加速客戶導(dǎo)入數(shù)位化，西門子也持續(xù)推廣預(yù)知保養(yǎng)概念，以防意外停機(jī)，造成現(xiàn)場人員壓力過大或維修時(shí)急著調(diào)貨。鄭志鴻表示，畢竟所有馬達(dá)都不會突然升溫，而可在出現(xiàn)一段溫度上揚(yáng)曲線階段即可提前按排程維修、叫貨，避免整批貨報(bào)銷。
| 圖3 : 因應(yīng)疫情加速客戶導(dǎo)入數(shù)位化，Siemen現(xiàn)也持續(xù)推廣預(yù)知保養(yǎng)概念，以防意外停機(jī)，造成現(xiàn)場人員壓力過大或維修時(shí)急著調(diào)貨。（source：hannovermesse.de） |
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值得一提的是，由於判斷高效率馬達(dá)的指標(biāo)之一還包括節(jié)能，依現(xiàn)今國際針對市占率最高的AC鼠籠式感應(yīng)馬達(dá)的最低能源效率標(biāo)準(zhǔn)MEPS（minimum energy performance standard），又分為歐盟IEC、北美NEMA兩類，帶來的節(jié)能效益最為立竿見影。西門子不僅擁有業(yè)界最完整的低壓系列馬達(dá)，早在臺灣尚在推行IE2政策階段，就已率先推出IE3等級馬達(dá)，至今已順利量產(chǎn)供貨臺灣電子大廠；並逐步邁向IE4等級，供應(yīng)其他更重視能效的企業(yè)投資新廠。
另隨著感應(yīng)式馬達(dá)發(fā)展達(dá)到一定瓶頸後，會開始跳脫到永磁或同步磁組機(jī)種。目前Siemens系列馬達(dá)產(chǎn)品不僅涵括感應(yīng)式/永磁式機(jī)種，也在約3~5年前發(fā)表同步磁組機(jī)種，以替代既有永磁式馬達(dá)，也避免受到國際貿(mào)易戰(zhàn)火下的稀土限制。
東元提供最佳化配置策略 完善迴轉(zhuǎn)機(jī)械節(jié)能產(chǎn)品
臺灣馬達(dá)製造大廠東元集團(tuán)則除了面對國際數(shù)位化浪潮，主要推廣完整數(shù)位智慧解決方案之外，也陸續(xù)推陳出新一系列永磁／感應(yīng)式馬達(dá)、AC/DC伺服馬達(dá)等高效節(jié)能的馬達(dá)單體，以針對不同製造應(yīng)用場域，同時(shí)配合國際IE2~IE3規(guī)範(fàn)演進(jìn)，甚至已推出150HP以下的全系列IE4永磁式馬達(dá)。
尤其若考量藉馬達(dá)單體可提高約1~2%的效率有限，還不如加上變頻器可達(dá)到約30~35%的節(jié)能效果為佳，所以東元集團(tuán)在選擇IE4高效率馬達(dá)策略上也納入永磁馬達(dá)，可在總體轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)維持較高效率，不像傳統(tǒng)感應(yīng)馬達(dá)加上變頻器配置的缺點(diǎn)，在於低轉(zhuǎn)速區(qū)間的效率會下滑。永磁式馬達(dá)加上變頻器配置，則比較適用於轉(zhuǎn)速區(qū)間、操作範(fàn)圍變化較大，或長期處於偏低轉(zhuǎn)速應(yīng)用領(lǐng)域者。
| 圖4 : 東元集團(tuán)透過最近併購的義大利Motorvero減速機(jī)品牌，完善迴轉(zhuǎn)機(jī)械節(jié)能產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)最佳化配置策略。（攝影／陳念舜） |
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至於傳統(tǒng)感應(yīng)馬達(dá)加上減速（機(jī)）齒輪箱系統(tǒng)更適用於固定轉(zhuǎn)速、操作範(fàn)圍者，東元現(xiàn)也透過最近併購的義大利Motorvero減速機(jī)品牌，先行發(fā)展10HP以下系列同步磁組馬達(dá)。若能以減速機(jī)搭配定速馬達(dá)使用，既少了調(diào)速的困擾，可降低成本又提升效率，還能採取自啟動(dòng)模式。加裝籠條在轉(zhuǎn)子內(nèi)直接起動(dòng)，便不必仰賴變頻器驅(qū)動(dòng)；甚至可利用磁石輔助型機(jī)種來取代容易受稀土限制的永磁馬達(dá)，達(dá)到同等效率、成本又低。
但製程成本仍高，若無法自啟動(dòng)時(shí)，還須加入變頻器的成本。且感應(yīng)馬達(dá)可依負(fù)荷改變而提高滑差（slip），耐受性高而不致?lián)p壞馬達(dá)，有別於同步磁阻馬達(dá)的缺點(diǎn)是一旦負(fù)載、轉(zhuǎn)矩生變，超過可同步範(fàn)圍就會脫速，造成意外災(zāi)害。所以東元預(yù)估不會很快推出同步磁組馬達(dá)單體，而是先考慮在特殊應(yīng)用情境的節(jié)能需求，逐步取代感應(yīng)馬達(dá)，仍會依參數(shù)要求加裝變頻器驅(qū)動(dòng)油泵等，達(dá)成馬達(dá)加上變頻器的雙重節(jié)能效果。
**刊頭照：（source：flender.com）
