凈零碳排之智能工業能源管理系統技術

2022/9/1 Ref.國發會，”我省2050凈零排放路徑及策略總說明”,2022-03-30

xx會2022-03發布-我省2050凈零碳排2凈零碳排-政府規劃策略?能源轉型(非限定能源來源)-開創綠色成長/去碳能源技術出口?

培育綠色新創產業:發展智慧能源產業商業模

式，整合AIoT、大數據分析、能源及服務(EaaS)等?制造部門-持續能源大用戶符合年均節電1%-

制程改善?

節能與其數字化：包含建置智慧化能源管理

系統、導入智慧化能源監控系統，以數位管

理技術減少CO2排放-

能源轉換?

RE100?

ESG某廠出版永續報告(ESG)與否vs(權益報酬率)ROE比較201820192020出版永續報告8.66%7.56%9.30%全體上市柜企業5.72%4.62%3.98%未出版永續報告4.50%3.28%1.23%某廠出版永續報告(ESG)與否vs

EPS比較(新某幣元)201820192020出版永續報告3.693.514.36全體上市柜企業2.492.362.79未出版永續報告2.141.851.98

注:能源即服務(EaaS)是一種商業模式，客戶無須購買或直接管理能源設備，即可享受產品的利益。Ref.

xx會，”我省2050凈零排放路徑及策略總說明”,2022-03-30Ref.資料來源：CSRone，DIGITIMES整理，2022/33凈零碳排-政府規劃策略?

制造部門-

三大措施

Ref.

xx會，”我省2050凈零排放路徑及策略總說明”,2022-03-304石化業1.

制程改善-

制程改善：短期以AI技術推動制程智能化提升能

源使用效率

，并引進制程減碳新技術；長期擴大

導入下世代制程創新技術開發，全面提升設備效

能

。2.

能源轉換-能源轉換：短期以擴大使用天然氣及生質能為主，長期導入零碳新能源。3.

循環經濟-循環經濟：在碳捕捉再利用部分，短期導入

新世代觸媒、建置示范

CO2回收利用技術；-長期持續去化

CO2，并引進負碳技術及更

多國際減碳創新技術。在低碳材料方面，

短期推動廢棄塑/橡膠材料循環再利用技術；-長期推動多元進料產制石化原料

(材料

)。

凈零碳排-政府規劃策略Ref.

xx會，”我省2050凈零排放路徑及策略總說明”,2022-03-305能源管理系統如何建置、應用及其技術，效益

6?

設備面-設備更換評估、改善制程、使用高效率設備效益明顯、成本高、

直接效益?行政面-人之觀念、教育與規定；執行不易、成本最低、間接效益?操作面-能源使用透明、提高設備/系統效率、永續節能、間接效益

管理與操作系統/設備(操作面)能源管理系統設備/系統運轉透明化節能推動概念說明節能策略最佳設備/系統操作建議置換高效率設備/系統(設備面)人為之主動節能措施(行政面)能源查核設備/系統缺失發掘如何降低能源之使用監控分析修正與預防內部審核管理者審核新策略目標最佳化能源政策能源審閱目標與行動計劃實施與實現溝通訓練重大能耗50001

主動式能源管理

監測定期報表系統Email/Line壓力ISO-50001架構下的能源管理系統制定能源范圍安裝能源量測項目

電表流量計溫度基線比對區段能源績效指標制訂制程統計管制SPC綜合設備效率OEE統計分析

大數據分析

Data

Mining硬件改善排程改善

控制邏輯ModbusServiceITRIIoTGateway

內部服務onfiBACnet

Service最佳化模型

最佳化控制能源基線Baseline分析OPC

UAService已應用之硬件平某電盤ModbusTCP電表基線比對區段冰水節能控制行為改善訂閱/操作超出管制、進行通知EMSEMSEMSEMS預測區段ITRIGeneral

Platform(ARMLinux)SiemensS7-15000

OPC

UA

PLCADLINKMXE-200(WIN

7)SiemensIOT2000(Yocto)8DellEdge3000(WIN

10LTSB)IoTApplication樓宇能管

BACnet電表Modbus

RTU瓦斯流量計*

MQTT

BrokerTRANE冰水機gc系統平某技術?

收集和儲存各類型資料?

具備可擴充和分散式運算能

力大數據分析技術?

具資料整合和前處理功能?

具敘述統計的分析功能?

基于模型的監控和預測功能(

含重要工程參數挑選)典型的領域改善技術?

控制系統設計與操作?

生產排程優化與需求預測系統平某技術

?

網頁和行動APP應用?

權限管控紙本記錄獨立、單一系統質量、維修信息不全生產系統能效信息不足不知生產系統何時異常

無設備運轉劣化信息產量和良率無法提升瓶頸站生產和WIP太多無有效信息呈現與分享少眾管理、經驗斷層感測、數字化整合MES、ERP數字化、大數據儲存能源使用和能效監控制程在線監控分析

設備異常監控診斷控制和操作改善產銷平衡、生產排程便攜式視覺化呈現經驗交流與合作

工廠常見問題與能源管理系統具備功能應用案例資料收集生產維運生產改善內部管理加熱制程#2制程#3廢水電力制程#1原料成品企業管理

大數據

平某網頁

行動APP能源管理設備管理

工研院開發之能源管理系統平某架構公用系統本地服務器/

云平某應用設備效率OEE設備狀態時序分析

LinuxServer/WindowsServer信息應用資料收集與儲存能源使用項制程管制SPC供應端信息客制化設定自動化報表使用端信息信息圖表異常警示多維單耗分析生產制程整資合料生管資料維修資料品管資料電力系統資料端功能端使用端SCADADCS設備健康診斷

案例?

應用目的：以能源使用透明與行政管理方式，達到年度節能目標?

建置模塊：能源管理(電力)?

模塊功能：

(1)

實時資料呈現;(2)歷史資料回溯;(3)用電進階分析?

節能效益：平均節能率7%(2012年設定為基準年進行比較)。

能源使用比較場域:

我省總廠、泰國廠案例:橡膠輪胎業網頁管理界面?

效益–全廠平均節能至少2%–空壓機并聯控制節能17%

?

策略–落實自主管理?使用平某工具與管理措施，讓節能減碳不是一句口號–

實時管理與反饋?將既有工業管理手法，導入于能源管理–取代與協助人工作業?導入物聯網，減少人工抄表與部分行政作業

案例:

汽車業?

落實自主管理–

部門角度：提升生產端能源使用效率?建立組織部門虛擬用電信息，有效管理部門能耗與成本預算，搭配基線預測功能，合

理預估下期與年度預算；?整合生產部門能耗與產量信息，提供每一時段單耗變化與報表信息，有效掌握單耗的(每日)單位能耗與成本信息(每月份)用電度數、電費、計劃金額等

案例:策略與效益#1-1變化。生產信息源部本預算與費用能源績效指標單耗與成本辦公建筑:

空調用電/樓地板面積生管現場SAP?

落實自主管理-

生產與廠務單位共同節能-

提升生產端能源使用效率?以汽車業烤漆應用為例：-

烤爐未滿爐，導致瓦斯浪費-

因為生產端排程不佳或生產異常，導致烤爐內車輛不足，但仍須需進行烘烤

案例:策略與效益#1-2初步先將未滿爐時間，進

行報表方式統計再與生產單位協調?落實自主管理-管理者管理與執行-監督與管理全廠能源使用?

全年度(近3年)統計信息視覺化、快速發掘差異性，定時提供予高階主管信息；?

以能源基線作為自我管理評估參考依據，針對能源使用異常記錄與追蹤管理(每2周例行檢討)。

案例:策略與效益#1-3(每月份)實際能源用量、產量某數、單耗、生產

天數、工作日均溫等預測區段基線比對區段工具1:

多年度統計信息工具2:

能源基線?

能源基線-

節能措施評估方式-自我管理評估參考依據?未來規劃?異常紀錄與追蹤?提供三種建立方式與管制功能-降低人員對基線建置(資料與回歸演算)的障礙

案例:策略與效益#1-3(能源基線)基線比對區段預測區段提供R2、

P-value信息建立畫面Y

、X

點位選擇?

實時管理與反饋–

將既有工業管理手法，導入能源管理?透過統計制程分析(SPC)于能源耗用，運轉行為模式與多時段的管制、實時性的警示通知，即時管理減少浪費

。?導入整體設備效率(OEE)于能源耗用，用以評估設備在使用期間的整體能力。

案例:策略與效益#2-1-空車運轉的時數-能效的管制-供給壓力的穩定超出管制、進行通知OEE:

空壓案例SPC:

瓦斯案例設備狀態判別案例:策略與效益#2-2?

管理應用#1–統計制程分析(SPC)?系統可自動計算管制值?

管理應用#2-

全年度(3年度)統計信息視覺化、快速發掘差異性，定時提供予高階主管信息-

多時段管制機制的建置》工作日、休息、平日下班與假日，分段管制，實時通知，避免巡檢時的缺漏

SPC

監控系統實時計算平均值、全距Shewhart管制圖異常警報通知?

管理應用#3管制界線計算規格界線制定抽樣方式制定管

理

員管制線制定原理Off-line

On-line?

取代與協助人工作業–

自動化與導入物聯網?減少人員的抄表與資料紀錄，將人員用于資料判別上；?搭配后端整合，可提供能效申報、能源申報、VOCs申報信息

案例:策略與效益#3舊有excel統計模式:人工輸入、匯整、制作申報文件整合模式:隨點隨看、文件實時匯出落實自主管理

整合產品信息?演算設備/產線單耗?統計批號能源耗用?每日、月、年統計?單一周期統計(同一月

、同一星期)落實自主管理

能源基線?節能措施評估方式?

自我管理評估參考依據?

未來能源預測規劃?

異常紀錄與追蹤基線比對區段實時管理與反饋

將既有工業管理手法，導入能源管理?

透過統計制程分管制SPC)于能源耗用，運轉行為模式與多時段的管制?實時性的警示通知，實時管理減少浪費。

多時段管制機制的建置?工作日、休息、平日下班與假日，分段管制，實時通知?避免巡檢時的缺漏落實自主管理

部門角度：提升生產端能源使用效率

監督與管理能源使用?

全數據信息統計與視覺化?

快速發掘差異性，定時提供予高階主管信息提升人員管理分析技能

自動統整取代與協助人工作業?減少人員資料匯整統計紀錄，提升人員資料分析判別技能?

搭配后端整合，可提供能效申報超出管制、進行通知能源管理/節能方法-

能源管理措施與手法

基線比對區段

預測區段

21應用AI預測時間電價能耗vs.

時間電價實際應用的成本差異

Ref.Data-driven

real-time

price-baseddemandresponseforindustrial

facilities

energy

management22案例參考文獻-

時間電價與能源成本實際應用需量反應與時間電價關系制程能耗具需量反應制程能耗與單一電價時間電價的發生建置大數據管理系統-

量測項目規劃與建置-

資料取得與儲存-

分析與管理-

客制化報表-

能源基線的建立-

統計制程管制-

設備綜合效率指標

量測項目規劃與建置-電力范例(1/2)?初期規劃-

全廠使用量-

分流情形-

重大能源設備?二期規劃-設備與系統的電力量測項目-

設備能源效率?后續規劃-

各單位的需求-

終端設備使用

第三變電站第

一

變電站ACBM

建議電表建置項目

M

既有電子電表M

某電電表M

M太

太陽

陽能

能#

#1

1行

政

大

樓模具VCB4電力架構全廠用電(虛擬)M第二變電站(虛

擬)第

一

變電站VCB總用電(某電側)太陽能(虛擬)空壓機#1MMMMMMMM項目”加”

電表”減”

電表全廠總用電某電生產用電直接生產單位、間接生產單位電表11、電表19非生產用電行政單位、總務單位、研發單位直接生產單位制一課、制二課、制三課、模具間接生產單位公用課、行政單位制一課電表1、電表2、電表3制二課電表5、電表6制三課電表7模具課電表8、電表9電表12公用課電表10、電表11、電表12電表6行政單位電表13研發單位電表18、電表19

量測項目規劃與建置-電力范例(1/2)單位組織電表使用參照表單位成本架構行政大樓空壓機#1第二變電站TR太陽能#2第一變電站ACB太陽能#1第二變電站VCB4第三變電站第一變電站VCB行政大樓空壓機#1生產全廠用電模具課制

一

課制三課制二課行政單位公用課非生產

-

扣減用電--建置大數據管理系統-

量測項目規劃與建置-

資料取得與儲存-

分析與管理-

客制化報表-

能源基線的建立-

統計制程管制-

設備綜合效率指標

?量測元件通訊接線-

RS-485、Ethernet?量測元件通訊協定-Modbus、OPC

UA、BACnet?數據傳輸通訊-

MQTT?資料儲存-

大數據資料-

關聯式與非關聯式數據庫

廠內服務器

資料取得與儲存(1/7)能源管理軟件大數據數據庫Modbus閘道器MQTT閘道器Modbus閘道器云端平某能源管理服務器空調

空壓瓦斯廠內資料(產量、維修)

傳輸窗口閘道器MQTT閘道器MQTT網頁服務器數據庫服務器水MQTT電力能源信息呈現、報表云端實時通知電力信息ModbusBACnet閘道器MQTTMQTT資料取得與儲存(2/7)?IoT通訊閘道器功能特征-

單協定通道與云端銜接-

多重協定格式轉換，提供不同類型設備整合-

協定驅動模塊化，提供高彈性之應用情境-

俱備傳輸加密，確保信息安全-

軟件界面導向，不受限特定硬件平某

BrokerModbus

ServiceBACnet

ServiceOPC

UA

ServiceITRI

IoT

Gateway

內部服務confi

gBACnet電表冰水機已應用之硬件平某(Yocto)(ARM

Linux)(WIN7)(WIN

10

LTSB)*

MQTT

Broker可建置Gateway內部或外部IoT應用CloudApplication

(MQTTBroker)3G,LTE,

Wi-Fi…MultipleprotocolstoMQTT訂閱/操作凰IoTApplicationDatabase

PLC/DDCSCADAController三菱PLCSiemensS7-15000

OPC

UA

PLCGatewayConfigurator工具Modbus

RTU

瓦斯流量計ModbusTCP

電表Dell

Edge

3000ADLINK

MXE-200Siemens

IOT2000ITRIGeneral

Platform在線訂閱/操作*

MQTT產生配置檔Other

ProtocolModbus

TCP/RTU三菱MC

ProtocolSQL/MySQLITRI

IoTOPC

DA

/OPC

UABACnet/IP資料取得與儲存(3/7)工廠外部應用?傳統PLC與IoT資料收集差異

封閉通訊協定ModbusTCP/

RTU、BACnet/IP、OPC

UA等

EMS/資料倉儲服務器

IoT

Gateway集中器感測或控制設備IoT技術資料收集感測或控制設備傳統PLC資料收集云端資料倉儲

與應用ModbusTCP/

RTU、BACnet/IP、OPC

UA等OPC或封閉通訊協定IOT通訊協定IoTGateway工廠內部應用PLC控制器

Ref:

資料取得與儲存(4/7)IP

IPSensor

…

Sensor#3

#N?量測元件通訊接線?RS-485半雙工(2線式)通訊接線方式?RS-485全雙工(4線式)通訊接線方式?

Ethernet

通訊接線IPSensor

#1IPSensor

#2ModbusRTUModbusTCPDevice

ID:

1~255Baud

Rate

:9600,

19200,

38400Mode

:8N1,

8E1,8O1Remote

IP

Address

:xxx.xxx.xxx.xxxRemote

Port

:502Parameter

nameModbus

RegisterLenData

TypePA3000PA310/PA310LPA330PA30R/WModicomFormatHexPA33PA34kW_a31053-310540x041c-0x041dDwordFloatYYYYkW_

1RkW_b31055-310560x041e-0x041fDwordFloatYYYYkW_2RkW_c31057-310580x0420-0x0421DwordFloatYYYYkW_3RkW_total31059-310600x0422-0x0423DwordFloatYYYYkW_4R

Ref:

資料取得與儲存(5/7)?量測元件通訊協定

?

物聯網數據傳輸通訊-

MQTT?Message

QueuingTelemetryTransport?

應用受限于設備和低頻寬、高延遲或不可靠的網絡

而設計的輕量級通訊協定-

DDS?Data

Distribution

Serviceforreal-timesystems?

適用于實時系統的資料分布服務，適用于分散式的

環境-

AMQP?

Advanced

Message

Queuing

Protocol?用于生產管理系統，企業資源計劃，制造執行系統

等，相互交換資料的開放網絡通訊協定-

CoAP?

ConstrainedApplication

Protocol?具備較小的封包標頭，并建立在

UDP

協定之上，

因此適合于感測節點進行網絡傳輸

Ref:科儀新知

第221

期工業4.0

與智慧制造的關鍵技術：工業物聯網與人工智能資料取得與儲存(6/7)Message2Message

1Message

1PublisherAPublisher

BSubscriberASubscriberBTopic

1Topic

2MQTTBrokerJSON/XMLMessage2Message

1封閉的資料網絡量

管理成本

建置時程

性資料/技術

度衍生應用

性公用系統生產制程數據場內保存

建置成本高資料取得與儲存(7/7)?

資料儲存信息儲存系統架構差異

Ref:科儀新知

第221

期工業4.0

與智慧制造的關鍵技術：工業物聯網與人工智能公司內部信息機房信息儲存系統架構差異比較表LocalCloud云端服務外部信息機房降低營運成本

高彈性使用外部機房降低建置成本遠端操作

彈開發彈安全性掌握預算Cloud

EMS

(AmazonAWS)l

Server

lessl

Pay-as-you-gol

Elasticity3G,

LTE,Wi-Fi

…G.W.

Multipleprotocols

to

MQTT工研院兩種系統架構System

CentralizeTraditional

EMS(Local

Server)Web

ServerM.L.R

ITRIData

NormalizeUserAnalysisRepo.Arch.

DevicePower

meter

PLC/DDC

ControllerDatabaseSCADA

DataVolume/VarietyDataWarehouseMQTT

BrokerOther

ProtocolWhereSQL/MySQLModbusl

lOPCBACnetMSSQLHBase建置大數據管理系統-

量測項目規劃與建置-

資料取得與儲存-

分析與管理-

客制化報表-

能源基線的建立-

統計制程管制-

設備綜合效率指標

主要功能細項功能大數據數據庫儲存原始運轉資料，可包含:1.感測資料(電力、瓦斯、水、空氣流量、壓力、溫度)2.制程資料

(ERP、產量、工時、人員)3.外部信息(太陽能、環境氣候等外部可讀取網站)。電力管理系統1.電力回路架構(單線圖)/單位組織用電架構(自主管理)，兩架構均可提供以下統計信息2.電力耗用統計(日/月/年)、時間電價、電費信息3.各用電趨勢信息(每分鐘)，耗電、度數、需量、生產/非生產用電4.需量控制(需由使用端提出可受控之設備)瓦斯管理系統1.各瓦斯耗用統計2.結合制程信息，評估機某能效公用管理系統1.可包含以下次系統:空壓、空調、泵浦2.系統架構、設備運轉狀態、設備/系統能效指標3.

節能控制水資源管理系統1.水量統計、區分工作日與假日用水2.

水流向架構圖、水量流圖設備效率管理1.

設備效率綜合指標(OEE)2.

制程監控(SPC)，多時段多管制值能源基線1.

一次線性回歸模型，自動建立模型2.

監控、模擬、節能評估能源績效指標1.

能源密集度、單位產品能耗、公用設備效率能效申報1.依產業別建立廠內申報系統(需提供既有報表信息)2.

自動收集能耗信息、建立相對應報表客制報表與警示通知1.依既有報表規劃建立網頁型式，并定時mail報表信息；客制新報表與信息頁面2.

提供實時line通知，

mail異常警示

36工研院大數據能源管理系統功能項目周尖離峰用電全廠能管功能項目(1/11)

分析與管理

-

實時設備或單位的能源消耗概況(1/3)總耗電信息-電力首頁

電力單線圖

瓦斯用量搭配使用設備制程信息用量統計(日、月、年)瓦斯用費成本、單價信息單位成本用電信息實時用電、電費、尖離峰比、用電占比電力單線圖實時用電、尖離峰比、用電占比實時用電趨勢、契約容量、前一日用電當日尖離峰用電總電力與次階電力瓦斯耗用信息-瓦斯首頁氣溫實時需量

最大需量一周尖離峰用電單位成本架構圖

全廠能管功能項目(2/11)用電統計與昨日比較-用量、電費與前一月累積比較-用量、電費

分析與管理

-

實時設備或單位的能源消耗概況(2/3)每月時間電價差異比較-兩段式、三段是電費總合差異用電信息趨勢圖

電表信息時間區間電表用量統計日、周、月、年

時間區間用電統計-用電階層同一用電階層比例時間電價差異趨勢圖表用量統計

全廠能管功能項目(3/11)

分析與管理

-

實時設備或單位的能源消耗概況(3/3)總用水量-

當日、當月用量、水費-

工作日、假日水資源分類占比流向圖水資源用量流向圖水資源分類流向圖水資源首頁

全廠能管功能項目(4/11)

分析與管理

-

遠端監控、實時通知、減少人力負荷設備運轉狀態冰水溫度、進出水溫差

室內溫度空調設備能效值設備運轉狀態空氣壓力空壓系統能效值IoT

設備連線狀態管理空調系統架構空壓監控系統空壓系統架構

全廠能管功能項目(5/11)

分析與管理

-

遠端監控、實時通知、減少人力負荷定期報表(日/月)Email警示推播Line警示推播

全廠能管功能項目(6/11)

分析與管理

-

歷史資料的統計(日、月、年)與能耗合理性分析時間區間查詢報表用量成本依階層查詢點選用量變化、占比變化

時間區間查詢動態變化呈現電表用量統計日、周、月、年

時間區間實時、前一日、前一月比較統計表用量統計比較圖表用量總計查詢頁面用量變化查詢尖離峰用電信息日統計報表圓餅圖

全廠能管功能項目(7/11)需量控制設備界面依加卸載需求設定其各自順序、是否加入控制

分析與管理

-

實時預警(需量控制)與系統控制參數空壓節能群控設定啟停機組順序空壓節能控制-設定設備界面空壓節能控制-設定設備紀錄機組順序修改紀錄需量控制-設定設備界面

44

能效申報-空壓系統項目45建置大數據管理系統-

量測項目規劃與建置-

資料取得與儲