數位轉型要求簡便快捷 流體控制續向電控整合

圖1 : 台灣寶帝透過與同為歐系大廠西門子公司(Siemens)合作,推出一系列依應用導向為主,為客戶量身打造OT+IT的現場解決方案。(攝影/陳念舜)
圖1 : 台灣寶帝透過與同為歐系大廠西門子公司(Siemens)合作,推出一系列依應用導向為主,為客戶量身打造OT+IT的現場解決方案。(攝影/陳念舜)

[作者 陳念舜]

面對現今數位轉型浪潮一波接著一波,尤其在COVID-19疫情肆虐期間已非企業選項之一,而是關乎生死存亡之際,來不及跟上的企業可能很快就會被後浪淘汰。過去常被視為傳統產業的液/氣壓流體控制系統大廠也持續與上層電控、驅動系統深入整合應用,或不斷推陳出新產品。

其中製造業無論是在邁向工業4.0或5G時代,為了要求增效節能,更進一步「擰毛巾」;或跨足新興領域發展,新一代智慧工廠/產線更應具備分散式智慧控制能力,以實現多樣少量化或大批量客製化生產等目標。但攸關廠內基礎設施運行的管線、閥門即使性能、品質再好,仍有賴於上層液/氣壓系統精準控制、出力傳動。

所以除了行之有年的閥島裝置,已可借助總線系統整合多種電氣、氣動和機械功能,安裝於控制櫃內節省空間並降低成本,只需要一個中央氣動壓縮空氣供應裝置,即可控制大量的閥門功能;與PLC相連之後,還能用來處理信號及控制特定數量的閥門,甚至加入通訊連網功能,使得安裝軟體和編程變得更容易,不必單獨設定參數

為了設備運行最佳化,還應具有更全面的診斷功能,在工業4.0架構下,閥島通常被作為結合多項診斷功能的電子氣動自動化系統,可根據目標應用選擇合適的功能,並將閥門電路和感測器內建在一個設備內,與上游控制系統連接,得以在故障發生時快速識別並排除,以甚至最佳時間排程維護,防止意外停機。如今該觀念也已逐步引進液(油)壓系統,與上層電控、驅動裝置整合,成為完善動力單元。

寶帝聯手Siemens流體電控整合 邁向工業4.0里程碑

身為德國老牌BURKERT分公司的台灣寶帝公司認為,未來肯定不會只有一家廠商能獨力完成數位轉型,還須要廣邀其他跨領域夥伴攜手前進,否則將會被淘汰。所以該公司近年來除了發表多年來引進符合工業4.0架構下的現場層先進流體控制、量測系統等相關產品之外,也積極透過與同為歐系大廠西門子公司(Siemens)合作,推出一系列依應用導向為主,為客戶量身打造OT+IT的現場解決方案。

台灣寶帝指出,隨著傳統金字塔型的自動化架構(I/O→PLC→SCADA→MES→ERP)即將被淘汰,工業4.0「網實整合系統(Cyber-physical system ,CPS)」才是未來主流,促成現場操作層OT(Operational Technology)、資訊層IT(Information Technology)融合速度越來越快。

然而,無論上層資訊科技如何演進,仍須蒐集現場基礎元件、設備資訊回饋,以免淪為事倍功半。該公司也為此推出在OT層將基礎資訊上傳的可行解決方案,強調係依應用導向為主,足以符合各行各業要求,例如從水處理領域出發,同時擴及半導體、食品等產業。

另隨著持續邁向工業4.0進程,讓全球工業乙太網路的速度與日俱增,製造業使用者也面臨新的挑戰,必須能兼顧企業競合,連結現今市面上所有通訊協定,無論身處產業鏈上下游的任何環節,皆應承擔環保等社會責任。目前台灣寶帝提出的通訊架構之一「Remote IO」,即可整合現場層I/O模組,或部分未有通訊介面的基礎元件/設備資訊,再通過PROFINET連網上傳。

還能與Siemens合作開發的氣電合一閥島系統ET 200SP相容,供氣驅動現場所有閥類、驅動裝置及其所有資訊上傳;另有監控並顯示自我診斷功能,以迎合工業4.0趨勢,只要得知現場其中一顆電磁閥故障、運轉時數,就能預知整條產線是否該投入生產,避免浪費原料、延遲交期。

其中「Switch」架構比照一般居家網路,只要通過Hub、設備通訊介面等,就能將資料上傳,另可搭載共有6組通道的複合式控制器,接收來自現場不同訊號來源分析,可省下大量I/O接點。「Proxy」架構則透過總線、閥島+子線(IO-Link)混合方式,蒐集所有現場設備訊號,既能節省配電盤內安裝閘道器、電源模組I/O點數空間20%,甚至可取消控制盤配置,符合工業4.0架構的無縫傳輸需求,方便資產管理及降低安裝成本。

目前台灣寶帝除了在IT領域能確保網路架構無縫接軌,透過邊緣控制器從遠端監控,或上傳所有週期/非週期資訊到雲端。並建議客戶從最基礎元件/設備開始,釐清想蒐集資料的方式、種類、數量等,再接著引進相關通訊解決方案,也應考慮製程和場地因素,兼顧省配線及自我診斷功能。

博世力士樂Cytro Family推陳出新 強調高效增能特性

另一家德商博世力士樂公司(Bosch Rexroth)則持續推陳出新智能油壓系列(Cytro Family)產品,前一代變頻液壓站CytroPac雖然足以滿足現代液壓所需的解決方案,集液壓元件、變頻器、馬達、泵、感測器於一體,屬於不必安裝櫃的動力單元,可提供即插即用型解決方案;且因分散式變頻液壓站能感應所有操作狀態,通過狀態監測設備,而符合工業4.0趨勢。新款系列產品還能按所需速度控制設備,功率範圍可達4kW、流量5L/min,簡化了調試作業,約減少能源消耗80%。

博世力士樂公司進一步指出,該公司2019年推出的最新一代CytroBox高效動力單元,係透過精準能源管理而提高生產力,改用可變速同步伺服馬達與軸向柱塞泵整合後,使之功率效能約可維持於7.5kW~30kW的中階範圍內,比起傳統設備更高。從而實現「按需供能」目標,利用變速泵驅動器中的預設控制器,按照機器的能量需求來調整自身參數匹配,得以在無載或輕載時減速而節能、滿載時快速響應增速,比起傳統定速驅動方案節能80%。

圖2 : 博世力士樂公司推出的最新一代CytroBox高效動力單元,係透過精準能源管理而提高生產力。(source:博世力士樂)
圖2 : 博世力士樂公司推出的最新一代CytroBox高效動力單元,係透過精準能源管理而提高生產力。(source:博世力士樂)

同時改善了過往以伺服馬達驅動線性螺桿,無力傳動過遠距離的缺點。由於CytroBox改用液壓傳動的最大壓力達315Bar、最大流量160L/min,即使遠距仍可抵達預定位置;且維持原有電控指令(0~10V)操控比例閥,只須透過內部Cytro connect功能連網Wi-Fi,下載手機App輸入參數,來監控溫度、馬力,在需要時才起動伺服馬達及泵,讓使用者不必重新學習,或仰賴機械、液壓專家個別教導及調校作業。

除了動力單元本身具備高效節能的生產特性外,機器製造廠商還為了考量減少工序和降低噪音等需求,採用3D 列印製造砂芯工法的液壓閥塊,不必重新翻模、澆鑄成型,使得閥塊緊湊度高達40%、流量通道設計最佳化而更為平滑,有效提高流量、減輕壓力損失;因此減少使用螺釘,抑制洩漏量,更有助於CytroBox高效操作。

由於將所有零組件緊湊集中於單體外殼裡,節省占用空間,方便搬運、安裝或改機,僅須佔地面積約0.5m2,就能靈活地整合到現有生產線中;通過CFD模擬、設計彎道阻絕空氣,將油箱體積縮減了75%,從600L降為150L;同步技術應用也能有效節省空間,如同步馬達體積便比異步馬達緊縮90%,使得所有冷卻液管路都不再是必要。

以及鎖固電機泵組於聚合物混凝土的底座基礎上,還能降低因結構造成的噪音;內建隔音墊的配置,可完全吸收在空氣裡傳遞的噪音,即使滿載時也小於75dB,因此降低了額外建置減噪措施的需求和降噪的成本,即使在液壓動力單元附近,也能舒適工作。

目前除了被用於輪胎廠加硫機,例如德國馬牌公司就既有空間改機;義大利驗證機構用於模擬機器,可供記錄在不同測試壓力、溫度下的數據。甚至還能利用CytroBox來實現公司內部的能源管理,經過水冷式冷卻液壓、馬達和驅動控制器溫度,將該裝置內的廢熱全數用於溫度控制,例如熱水、吸收式冰箱或辦公大樓暖氣等,藉此不斷提高的能效,而持續降低總體擁有成本,縮減占地面積和空調成本。

CytroBox還配備了感測器和開放式接口,可透過IoT-Ready讓液壓動力單元整合多種有線感測器,定期通知機器製造廠商目前有關過濾器,液壓油和驅動器狀態等資訊報告,再經過驅動控制器處理蒐集的數據;進而連接Wi-Fi或5G數據,輸入更高層級的雲端分析,如其線上診斷網路(ODiN)的系統便能利用感測器、雲技術和機器學習方法擷取資料,由博世力士樂的液壓專家基於模型監控所有運行狀態,並執行數據評估、預測性維護作業來縮短停機時間。

被監測的健康指數不僅顯示實際監測的動力單元最新動態,還包含上下游的機械或液壓系統的逐漸變化趨勢,倘若在多個感測器的數據限定範圍內惡化,系統便會發出警告訊號,提醒進行維護工作;還能直接通過CytroBox上的觸控式螢幕向操作員呈現,當平板電腦通過Wi-Fi連結雲、驅動/控制器,就可以移動監看所有重要數據。如今維護人員已經可以App來檢查、分析液壓動力單元運作實況,為流程改善和預測性維護提供有效指標,一旦發現問題時,能在預先計劃好的停機時間內,有效且經濟地執行維護工作。

CytroForce方便檢修安裝 減省總體成本

另一款CytroForce裝置係屬於液壓驅動的大出力電動缸,利用可靠的力士樂零組件預配置,伺服馬達按需要時才起動,驅動機構到位時才施壓,同樣具有變速泵驅動的高效節能特性,出力達40~1,200kN、最大行程1.0m、最大速度0.8m/s,可用於全電射出/壓鑄/沖孔成型機,取代傳統鎖模力不足或壽命較短的螺桿。

圖3 : 由於CytroForce可省下額外的管路,只連結電線再通過標準化的即插即用接口,簡化了調試過程,可被視為電力驅動裝置,讓使用者不必有任何液壓專業知識就能操作。(source:博世力士樂)
圖3 : 由於CytroForce可省下額外的管路,只連結電線再通過標準化的即插即用接口,簡化了調試過程,可被視為電力驅動裝置,讓使用者不必有任何液壓專業知識就能操作。(source:博世力士樂)

由於採用極為緊湊、完整的液壓系統,可省下額外的管路,只連結電線再通過標準化的即插即用接口,簡化了調試過程;預配置的伺服軸在控制層級可被視為電力驅動裝置,所以僅須連接電氣和更高級別的控制系統即可,讓使用者不必有任何液壓專業知識,即可利用伺服液壓軸的優勢操作。所需空間比起非整合式線性軸減少50%,整體封閉系統對於維護要求和成本極低也有助於提高可用性,不像傳統液壓軸為了防止灰塵進入系統,而頻繁更換過濾器。

**刊頭圖(source:chemengonline.com)

【欲閱讀更豐富的內容,請參閱智動化SmartAuto雜誌2021年第66期1月號】

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