尖端自動化技術促成永續發展之旅

連線感測器、機器人、自適應驅動器等先進的自動化概念是節能和資源效率生產的關鍵。對於系統整合商和工廠營運商而言，可提供強大的槓桿，讓基礎設施和流程達到最佳的永續性。

(圖片來源：AzmanJaka，Getty Images)

工業生產最關鍵的因素包含對能量的需求、原物料的使用以及所需的土地規模 (尤其是大都會地區)。這些因素一方面可決定工廠和廠房的經濟效益；另一方面，也是永續營運的重要因素。

世界上有許多地區正努力限制傳統石化燃料的使用，並運用可再生替代品。由於政府、工業、私部門履行承諾，迄今為止取得巨大的成功。例如，德國致力於在能源革命的框架內，將再生能源發展為主流能源。去年，德國的再生能源佔能源消耗總量的比例略高於 48%。德國聯邦網路局指出，製造業佔能源消耗的四分之一以上；其電力需求份額也相當。化學和金屬的生產和加工是主導產業。

這些產業以及許多其他製造業，包括馬達和機械工程以及食品生產，都由工廠和流程自動化的發展推動。除了將生產力和成本最佳化，也更專注於提高產品和流程永續性的參數：在數位化背景下，透過工業 4.0 的概念，更加注重能效，欲以最符合經濟的方式運用資源，以避免浪費並盡可能達到最低碳足跡。

最高永續性

機械和工廠工程的系統整合商和製造公司可運用自動化技術提供的一系列方法，使其基礎設施、廠房和流程達到最高永續性。感測器廣泛使用並整合至工業物聯網 (IIoT)，可持續監控能源消耗、環境參數或庫存，開啟了各種可能性。例如，製造公司採用連線感測器，即時追蹤貨物運輸、監控填充水平或記錄生產線中機器和工具的狀態資料 (圖 1)。

圖 1：擷取和分析機器的狀態資料，可提升流程的永續性。(圖片來源：Banner Engineering)

美國供應商 Banner Engineering 的 Snap Signal 產品組合，是全面支援 IIoT 生產方法感測器產品的絕佳範例之一。一般來說，使用者面臨的第一項挑戰是識別相關資料，然後從現有設備中進行擷取。如果確定需要整合其他感測器技術以量測更多變數 (如驅動器的振動和溫度)，則不需要變更現有控制架構。將通訊標準化，並將所有感測器和控制資料轉換為通用協定也很重要。為此，Snap Signal 產品線 (圖 2) 提供智慧感測器、訊號轉換器、控制器、訊號配接器和無線通訊模組，加上有線連接技術，自動化工程師便可隨插即用完成任務。

圖 2：支援 IIoT 方法進行生產：Snap Signal 系列的智慧感測器、轉換器、控制器。(圖片來源：Banner Engineering)

無論是在雲端集中處理和分析感測器資料還是直接在現場執行，都可以得到分析結果，如流程的錯誤或最佳化潛力，以及維護需求。如此可以減少能源損失並使用最少資源。另一方面，預測性維護可以提前計劃維修工作，進而減少停機時間，有助於避免額外的能源和材料支出。

節能驅動技術

以生產工廠的能源需求為例，驅動技術扮演重要角色。例如，配備先進變頻器 (VFD) 的高效率驅動系統能夠將馬達速度與系統的真實需求精確匹配，進而大幅降低功耗，特別是在可變負載應用中。再生驅動器可以捕獲制動能量並再運用，進一步減少消耗。這類驅動器能提升生產工廠的模組化和靈活性，被視為是工業 4.0 的核心元件之一。在模組化工廠的概念中，自動導引車 (AGV) 和移動輔助機器人負責支援搬運和組裝等功能。輕量和復位是其基本特點，不僅能確保能源妥善使用和較小的生態足跡，還可確保自動導引車和協作機器人能行駛長距離。

法國製造商 Schneider Electric 運用其緊湊型 VFD Ativar ATV320 滿足高效率驅動技術細分市場的需求。此元件適用於進行 0.18 至 15 kW 功率段的三相同步和非同步馬達的變速控制。供應商說明，此元件整合安全性與眾多即用型功能，可提高應用效率。這些功能包括低速扭矩和準確速度、無需感測器的磁通向量控制之高動態響應，以及高速馬達的延伸頻率範圍。ATV320 (圖 3) 尤其引人注目的是，對許多工業製程中常見的污染環境具有更高抵抗力，並且符合 IP20 和 IP6x 防護等級規範。VFD 的設計可完全整合到不同的系統架構中。搭載 RJ45 連接器，用於整合 Modbus 和 CANopen 連接性。其他通訊選項包括乙太網路 IP 和 Modbus TCP、Profinet、EtherCAT、DeviceNet 和 PowerLink。

圖 3：Ativar ATV 320 VFD可變速控制三相同步和非同步馬達。(圖片來源：Schneider Electric)

更智慧的控制

若要尋求以更高永續性運用能源和工業資源，將控制技術最佳化是必要的一環。如今，最先進的邊緣控制器在自動化工廠中負責收集、處理和分析生產資料，發揮關鍵作用。這些元件結構緊湊、可擴展，透過工業乙太網路連接，並且可實作雲端和本機解決方案。診斷和能源管理的專用功能，有助於自動化工程師分析製造流程、識別瓶頸並啟動基於工業控制器 (例如 Simatic S7-1200) 的最適當措施。其先進的控制演算法以及整合的通訊和安全功能，對過程的精確執行有決定性的影響。

圖4：使用 Siemens 的 Basic Controller 執行基於生產資料分析的高效率流程；雲端和本機解決方案皆可實作。(圖片來源：Siemens)

精準、高效率

機器人體積小、敏捷且用途廣泛，憑藉其緊湊、輕量化的設計和智慧控制技術，針對生產資源的永續運用有重大影響。德國製造商 KUKA 的 Agilus 系列耐用且適應性高，是傑出的一例 (圖 5)。配備整合式能源供應，並有多種款式：有些用於無塵室機器人，有些則用於衛生關鍵型應用或潛在爆炸性環境。這些機器人專為人機協作所設計，具有非常精準且可重複的精確動作控制，以達到高效率流程。舉例而言，非常適合用來將加工過程中的重工需求以及廢品程度降至最低。

圖 5：德國羅特林根大學的一個計畫採用 KR Agilus。此計畫中，學生與產業合作夥伴一同開發免洗塑膠餐具的永續性替代品。(圖片來源：KUKA Deutschland)

由製造商的各種成功案例記錄中發現，中小型公司也很適合使用這種小型且多用途的助手 [4]。這包括大學計畫：德國羅特林根大學的學生研究免洗塑膠餐具的可重複使用替代品。他們取得德國射出成型專家 Gindele 及 KUKA 和其系統合作夥伴 Robomotion 的支援。射出成型的相關作業均由高度靈活的機器人單元處理，其核心是搭載 3D 列印夾的 Agilus 緊湊型機器人。

KUKA 的 Agilus KR6 R900-2 六軸機器人的規格書中載明，其最大工作範圍為 901 mm，酬載為 6.7 kg，其 ±0.02 mm 的姿態重複性符合 ISO 9283。可能的用途包括與協助其他機器一同進行處理、測試和測量、塗佈黏合劑或密封劑、組裝、拾放、包裝和調試。該機器人的覆蓋區為 208 mm x 208 mm，重約 54 kg，具有 IP56/67 和 ESD 保護 (靜電放電)，適合地板、天花板、牆壁和角度安裝。

數位模型、材料等

除了這些方法，工程師還可以運用永續性材料、循環經濟技術和數位化領域的最新發展，進一步發揮最佳潛力。循環經濟的目標是避免浪費和殘留材料，並儘可能回收和再運用原物料、零件和包裝材料。其原理可為自動化工廠更高永續性的營運做出決定性貢獻。

數位孿生和數位影子的概念，是識別最佳潛力的可行方法，此方法無需真正在機器或廠房進行測試，能避免消耗較多資源。由於能全面針對真實產品、廠房或流程及其生命週期以數位方式呈現，因此可以套用維護措施，或在開發、生產和價值鏈的所有其他階段之間建立關聯。因此，工程師可以詳細模擬真實物體或過程的行為、功能和品質，並提高其永續性，例如消除對實體原型的需求。

結論

自動化在流程和生產工程，以及生產率和成本方面提供重大優勢，是一個非常重要的經濟因素。除此之外，先進的自動化概念和產品也是提高工業製程永續性的關鍵。從預測性維護到模組化工廠和人機協作，本文以及精選範例，介紹其主要發展。