[協會技術文章] 工業4.0浪潮下 智慧能源監控系統新思維

                                                                                                                            許修齊 經理/泓格科技 計劃處

智慧能源監控系統

圖一 用電資訊是邁向能源管理的路程中，最重要的基礎數據。透過更有效率的運用電力資訊來管理用電，才能提昇企業競爭力。

圖片來源: https://www.flickr.com/photos/enixii/4258835530/in/photolist-7DuAxo-9zjwt-4TSBHW-nSxbGo-5GXvQD-7ukDqN-reXHoi/

由於地球暖化議題及能源成本不斷增高，世界各多開始正視能源不當使用所帶來的衝擊。因此，如何降低能源浪費乃至減少能源損秏，能源監控系統成為目前業界的新興課題。

能源監控可區分：能源可視化；能源效率改善；及能源管理等三個階段。透過可視化，可暸解企業的能源如何被消牦，更可透過數據分析來訂定節能目標及計畫。換句話說，首先需要暸解現況，從現況分析，找出痛點，配合自動化技術，如雲端控制系統，智慧電表，PAC/PLC，變頻器，高效率馬達或設備等，在流程上提供適當的方案，配合調控及整合，以達成能源管理目標。

要達成上述目標，必須透過即時及精確的能源管理系統來協助，在能源量測上要有相當的精度外，能持續量測設備能源使用狀況，在其停機，待機及不同負載等各種運作下詳細資訊。目前市面上的電錶只能計算設備的總用電量，無法將設備的用電狀況細部分析，區分時間，去向等，這讓企業難以暸解其用電去向，更遑論分析何種情境或運作狀況的秏能情形，並訂定合理用電規劃。

智慧電錶是取得用電資訊最佳的管道。電費的收取是依台電在企業內部安裝的電錶所量測到的度數。其實在企業內部，用電大宗多半為空調設備，照明設備及設備用電，所以建議在台電的總電錶之後，優先加裝智慧電錶來監測該類型迴路,若有進一步各迴路監測需求，可再增加電錶。過去的機械錶頭式電錶因無法提供通訊功能，只能採取定時人工抄錶方式，這種作法的即時性及正確性都相對較低。

近年來，數位式電錶的普及化，各企業可以在台電電錶迴路之後加裝，用電訊息可以即時掌握，也有部份廠商提供雲端電錶方案，提供免費電錶來收集企業用電資訊，將數據儲放在業者的雲端伺服器後，由業者提供用電資訊服務，如報表及告警服務，但用電隱私，資料安全及長期服務費用是採用此方案時需考量的議題。

傳統安裝電錶，必需在電盤上開孔，導至作業時間冗長及工安問題等，這對許多既有企業帶來困擾。因此為簡化企業安裝數位式電錶的流程，泓格科技提供軌道式智能電錶，配合開口式比流器，以極精簡的安裝空間的作業方式，達成用電量測的目的，量測包含電壓/電流/功率因素/度/功率/諧波/需量等。量測的精準度在台灣大電力中心的認證下，精度優於0.5%。支援 2 路繼電器輸出，它可以與警報器整合，於電力量測資訊出現異常狀況時發出警報訊，或者用於迴路控制。

圖二　泓格科技單迴路三相智能電錶PM-3133

圖三　八迴路三相智能電錶 PM-4324

圖四　泓格科技智能電錶及安裝圖

能源管理系統，最重要的核心系統是軟體。傳統方案包含大型電力專用軟體（架構完整），圖控軟體（可客製化）及智能電錶集中器（套裝軟體）。大型電力專用軟體，提供商如ABB等國際廠商，軟體硬體組件齊全，應用軟體功能完整強大，但是價格過於昂貴，且受限於單一廠商。圖控軟體部份，優點為彈性大，可客製化功能，價格較能調整，但需要依實際需求與系統整合商討論，若協調上產生認知落差，會造成軟體品質不佳。

由於上述二種方案成本較高，因此，市場上出現智能電表集中器，將能源管理必要軟體功能整合，系統架構簡單，容易安裝及使用，可分區分階段導入，對於預算掌控度最高，也能透過標準通訊介面與第三方軟體整合。

圖五　泓格電錶集中器功能圖

電錶集中器會自動依設定電錶數量及分區邏輯自動產出用電數據的日/月報表，並可由內建網頁伺服器下載或直接線上觀看數據，也能夠從內建FTP服務器取得原始數據或歷史數據，並透過服務軟體，將電力數據主動上傳至企業內部資料庫，如MS-SQL，由企業IT部門來執行報表服務。

電錶集中器同時提供本機備份及補遺功能，能在網路中斷恢復後，自動比動數據內容，將未回傳的數據繼續上傳至企業內部資料庫，這個機制降低了電力數據因網路不穩定而造成數據遺失的風險。

為避免電力監控系統成為系統孤島，電錶集中器除可連結資料庫，達成數據共享外，本身提供工業開放通訊協定Modbus TCP，讓第三方SCADA或PLC能夠存取數據，也提供SNMP協定。近期也加入了物聯網通訊協定MQTT，支援主流雲平台，讓各式雲端應用，成為可能。

電錶集中器，除了能夠將智能電錶加入監控外，只要支援Modbus 通訊也可能將其它感測器或模組加入監控。

圖六　電錶集中器架構圖

圖七　電錶集中器PMC-4201,自帶10吋觸控面板

除了掌握用電去向,在用電安全的應用也是非常重要，由於電線老化，若無適時檢修，會造成意外事件。因此，針對電流及溫度的監測是十分重要的預防作用。電流可用智能電錶來量測，溫度的量測，可以透過以下方式來實作：

1. 透過環境溫濕度計來量測，這個作法可以暸解配電盤的整體溫度變化。
2. 透過貼片式溫度計來量測，這個作法可針對較大電流的電線作單獨記錄。

透過電錶集中器的即時監控，當電流或溫度變化大於警戒設定值時，立即發出警報，諸如E-Mail，蜂鳴器等方式。如此，透過監測系統，適時預防，能減少長時間運作大電流的配電箱的燃燒風險。

圖七　起火燃燒後的配電箱。

圖片來源: http://enews.nfa.gov.tw/issue/1031204/images/case001.htm

因應冰水主機的遠端監控需求，電錶集中器除監控冰水主機本身外，出入水溫度及泵浦等其它週邊設備也能同時監控。透過網頁介面，可以遠端手動開啟或關閉裝置，或者透過設定好的條件來執行裝置啟停。另外，電錶集中器內建15分鐘的需量預測，可以適時發出告警及執行相關策略，避免超約受罸。

圖八　電錶集中器應用於冰水主機監控，可實現遠程控制。

圖九　冰水主機出入水溫度即時監控，並提供歷史圖報表。

圖十 電錶集中器內建網頁伺服器及邏輯控制功能

在所有工廠的生產過程，設備保養是否確實執行，是影響生產最大的風險項目，小則品質受損，大則產線停擺。因此如何能夠最有效率的保養是管理者所關心的重點，過與不及都是不利於企業經營。

利用電錶集中器監測馬達電流，除了記錄實際運作時數，也可以詳細區分空車，輕載，重載等電流變化狀況，作為不同的應用分析，或者建立各狀態運轉模型，作為異常告警及預防保養的有效手段。

圖十一　預防保養是智慧電錶的重要應用

當建置好電錶集中器的相關應用後，泓格科技也提供管理套件(IoTstar)協助客戶維護大量佈署的電錶集中器。IoTstar除可安裝於一般PC平台建立使用者專屬的私有雲系統，亦可安裝於公有雲平台，以進行對遠端監控維護，並可將前端物聯網控制器所收集的感測器及I/O 模組資料匯入遠端雲平台的資料庫系統，以提供監控系統雲端化的資訊查詢及檢視功能。

能源價格節節高漲，更有效率的使用能源更形重要。以往對於能源管理，大部份著重在高效率設備的替換，若要能進一步提升總體的能源使用效益，還需要加強能源應用及管理手段，從能源可視化；能源效率改善；及能源管理等三個階段來加強。透過自行安裝智慧能源監控系統，除了能保護用電隱私，且能夠自主控管及擴充系統。在安裝時可透過一般水電行來安裝數位電錶，而透過電錶集中器內建的網頁平台呈現即時數據並結合郵件告警來導入用電監測系統，掌握企業的用電去向及找出改善的空間，製定合適的能源管理政策，亦可自主建立小型用電資訊私有雲，累積大數據，同時透過電錶集中器的開放協議與第三方軟體或平台整合，達到資源共享的目的，並能成功建立企業自主的能源IOT平台應用。