净零碳排之智能工业能源管理系统技术

净零碳排之智能工业能源管理系统技术

2022/9/1 Ref.國發會，”我省2050净零排放路径及策略总说明”,2022-03-30

xx会2022-03发布-我省2050净零碳排2净零碳排-政府规划策略•能源转型(非限定能源来源)-开创绿色成长/去碳能源技术出口•

培育绿色新创产业:发展智慧能源产业商业模

式，整合AIoT、大数据分析、能源及服务(EaaS)等•制造部门-持续能源大用户符合年均节电1%-

制程改善•

节能与其数字化：包含建置智慧化能源管理

系统、导入智慧化能源监控系统，以数位管

理技术减少CO2排放-

能源转换•

RE100•

ESG某厂出版永续报告(ESG)与否vs(权益报酬率)ROE比较201820192020出版永续报告8.66%7.56%9.30%全体上市柜企业5.72%4.62%3.98%未出版永续报告4.50%3.28%1.23%某厂出版永续报告(ESG)与否vs

EPS比较(新某币元)201820192020出版永续报告3.693.514.36全体上市柜企业2.492.362.79未出版永续报告2.141.851.98

注:能源即服务(EaaS)是一种商业模式，客户无须购买或直接管理能源设备，即可享受产品的利益。Ref.

xx会，”我省2050净零排放路径及策略总说明”,2022-03-30Ref.资料来源：CSRone，DIGITIMES整理，2022/33净零碳排-政府规划策略•

制造部门-

三大措施

Ref.

xx会，”我省2050净零排放路径及策略总说明”,2022-03-304石化业1.

制程改善-

制程改善：短期以AI技术推动制程智能化提升能

源使用效率

，并引进制程减碳新技术；长期扩大

导入下世代制程创新技术开发，全面提升设备效

能

。2.

能源转换-能源转换：短期以扩大使用天然气及生质能为主，长期导入零碳新能源。3.

循环经济-循环经济：在碳捕捉再利用部分，短期导入

新世代触媒、建置示范

CO2回收利用技术；-长期持续去化

CO2，并引进负碳技术及更

多国际减碳创新技术。在低碳材料方面，

短期推动废弃塑/橡胶材料循环再利用技术；-长期推动多元进料产制石化原料

(材料

)。

净零碳排-政府规划策略Ref.

xx会，”我省2050净零排放路径及策略总说明”,2022-03-305能源管理系统如何建置、应用及其技术，效益

6•

设备面-设备更换评估、改善制程、使用高效率设备效益明显、成本高、

直接效益•行政面-人之观念、教育与规定；执行不易、成本最低、间接效益•操作面-能源使用透明、提高设备/系统效率、永续节能、间接效益

管理与操作系统/设备(操作面)能源管理系统设备/系统运转透明化节能推动概念说明节能策略最佳设备/系统操作建议置换高效率设备/系统(设备面)人为之主动节能措施(行政面)能源查核设备/系统缺失发掘如何降低能源之使用监控分析修正与预防内部审核管理者审核新策略目标最佳化能源政策能源审阅目标与行动计划实施与实现沟通训练重大能耗50001

主动式能源管理

监测定期报表系统Email/Line压力ISO-50001架构下的能源管理系统制定能源范围安装能源量测项目

电表流量计温度基线比对区段能源绩效指标制订制程统计管制SPC综合设备效率OEE统计分析

大数据分析

Data

Mining硬件改善排程改善

控制逻辑ModbusServiceITRIIoTGateway

内部服务onfiBACnet

Service最佳化模型

最佳化控制能源基线Baseline分析OPC

UAService已应用之硬件平某电盘ModbusTCP电表基线比对区段冰水节能控制行为改善订阅/操作超出管制、进行通知EMSEMSEMSEMS预测区段ITRIGeneral

Platform(ARMLinux)SiemensS7-15000

OPC

UA

PLCADLINKMXE-200(WIN

7)SiemensIOT2000(Yocto)8DellEdge3000(WIN

10LTSB)IoTApplication楼宇能管

BACnet电表Modbus

RTU瓦斯流量计*

MQTT

BrokerTRANE冰水机gc系统平某技术•

收集和储存各类型资料•

具备可扩充和分散式运算能

力大数据分析技术•

具资料整合和前处理功能•

具叙述统计的分析功能•

基于模型的监控和预测功能(

含重要工程参数挑选)典型的领域改善技术•

控制系统设计与操作•

生产排程优化与需求预测系统平某技术

•

网页和行动APP应用•

权限管控纸本记录独立、单一系统质量、维修信息不全生产系统能效信息不足不知生产系统何时异常

无设备运转劣化信息产量和良率无法提升瓶颈站生产和WIP太多无有效信息呈现与分享少众管理、经验断层感测、数字化整合MES、ERP数字化、大数据储存能源使用和能效监控制程在线监控分析

设备异常监控诊断控制和操作改善产销平衡、生产排程便携式视觉化呈现经验交流与合作

工厂常见问题与能源管理系统具备功能应用案例资料收集生产维运生产改善内部管理加热制程#2制程#3废水电力制程#1原料成品企业管理

大数据

平某网页

行动APP能源管理设备管理

工研院开发之能源管理系统平某架构公用系统本地服务器/

云平某应用设备效率OEE设备状态时序分析

LinuxServer/WindowsServer信息应用资料收集与储存能源使用项制程管制SPC供应端信息客制化设定自动化报表使用端信息信息图表异常警示多维单耗分析生产制程整资合料生管资料维修资料品管资料电力系统资料端功能端使用端SCADADCS设备健康诊断

案例•

应用目的：以能源使用透明与行政管理方式，达到年度节能目标•

建置模块：能源管理(电力)•

模块功能：

(1)

实时资料呈现;(2)历史资料回溯;(3)用电进阶分析•

节能效益：平均节能率7%(2012年设定为基准年进行比较)。

能源使用比较场域:

我省总厂、泰国厂案例:橡胶轮胎业网页管理界面•

效益–全厂平均节能至少2%–空压机并联控制节能17%

•

策略–落实自主管理•使用平某工具与管理措施，让节能减碳不是一句口号–

实时管理与反馈•将既有工业管理手法，导入于能源管理–取代与协助人工作业•导入物联网，减少人工抄表与部分行政作业

案例:

汽车业•

落实自主管理–

部门角度：提升生产端能源使用效率•建立组织部门虚拟用电信息，有效管理部门能耗与成本预算，搭配基线预测功能，合

理预估下期与年度预算；•整合生产部门能耗与产量信息，提供每一时段单耗变化与报表信息，有效掌握单耗的(每日)单位能耗与成本信息(每月份)用电度数、电费、计划金额等

案例:策略与效益#1-1变化。生产信息源部本预算与费用能源绩效指标单耗与成本办公建筑:

空调用电/楼地板面积生管现场SAP•

落实自主管理-

生产与厂务单位共同节能-

提升生产端能源使用效率•以汽车业烤漆应用为例：-

烤炉未满炉，导致瓦斯浪费-

因为生产端排程不佳或生产异常，导致烤炉内车辆不足，但仍须需进行烘烤

案例:策略与效益#1-2初步先将未满炉时间，进

行报表方式统计再与生产单位协调•落实自主管理-管理者管理与执行-监督与管理全厂能源使用•

全年度(近3年)统计信息视觉化、快速发掘差异性，定时提供予高阶主管信息；•

以能源基线作为自我管理评估参考依据，针对能源使用异常记录与追踪管理(每2周例行检讨)。

案例:策略与效益#1-3(每月份)实际能源用量、产量某数、单耗、生产

天数、工作日均温等预测区段基线比对区段工具1:

多年度统计信息工具2:

能源基线•

能源基线-

节能措施评估方式-自我管理评估参考依据•未来规划•异常纪录与追踪•提供三种建立方式与管制功能-降低人员对基线建置(资料与回归演算)的障碍

案例:策略与效益#1-3(能源基线)基线比对区段预测区段提供R2、

P-value信息建立画面Y

、X

点位选择•

实时管理与反馈–

将既有工业管理手法，导入能源管理•透过统计制程分析(SPC)于能源耗用，运转行为模式与多时段的管制、实时性的警示通知，即時管理減少浪費

。•导入整体设备效率(OEE)于能源耗用，用以评估设备在使用期间的整体能力。

案例:策略与效益#2-1-空车运转的时数-能效的管制-供给压力的稳定超出管制、进行通知OEE:

空压案例SPC:

瓦斯案例设备状态判别案例:策略与效益#2-2•

管理应用#1–统计制程分析(SPC)•系统可自动计算管制值•

管理应用#2-

全年度(3年度)统计信息视觉化、快速发掘差异性，定时提供予高阶主管信息-

多时段管制机制的建置》工作日、休息、平日下班与假日，分段管制，实时通知，避免巡檢時的缺漏

SPC

监控系统实时计算平均值、全距Shewhart管制图异常警报通知•

管理应用#3管制界线计算规格界线制定抽样方式制定管

理

员管制线制定原理Off-line

On-line•

取代与协助人工作业–

自动化与导入物联网•减少人员的抄表与资料纪录，将人员用于资料判别上；•搭配后端整合，可提供能效申报、能源申报、VOCs申报信息

案例:策略与效益#3旧有excel统计模式:人工输入、汇整、制作申报文件整合模式:随点随看、文件实时汇出落实自主管理

整合产品信息•演算设备/产线单耗•统计批号能源耗用•每日、月、年统计•单一周期统计(同一月

、同一星期)落实自主管理

能源基线•节能措施评估方式•

自我管理评估参考依据•

未来能源预测规划•

异常纪录与追踪基线比对区段实时管理与反馈

将既有工业管理手法，导入能源管理•

透过统计制程分管制SPC)于能源耗用，运转行为模式与多时段的管制•实时性的警示通知，实时管理减少浪费。

多时段管制机制的建置•工作日、休息、平日下班与假日，分段管制，实时通知•避免巡检时的缺漏落实自主管理

部门角度：提升生产端能源使用效率

监督与管理能源使用•

全数据信息统计与视觉化•

快速发掘差异性，定时提供予高阶主管信息提升人员管理分析技能

自动统整取代与协助人工作业•减少人员资料汇整统计纪录，提升人员资料分析判别技能•

搭配后端整合，可提供能效申报超出管制、进行通知能源管理/节能方法-

能源管理措施与手法

基線比對區段

预测区段

21应用AI预测时间电价能耗vs.

时间电价实际应用的成本差异

Ref.Data-driven

real-time

price-baseddemandresponseforindustrial

facilities

energy

management22案例参考文献-

时间电价与能源成本实际应用需量反应与时间电价关系制程能耗具需量反应制程能耗与单一电价时间电价的发生建置大数据管理系统-

量测项目规划与建置-

资料取得与储存-

分析与管理-

客制化报表-

能源基线的建立-

统计制程管制-

设备综合效率指标

量测项目规划与建置-电力范例(1/2)•初期规划-

全厂使用量-

分流情形-

重大能源设备•二期规划-设备与系统的电力量测项目-

设备能源效率•后续规划-

各单位的需求-

终端设备使用

第三变电站第

一

变电站ACBM

建议电表建置项目

M

既有电子电表M

某电电表M

M太

太阳

阳能

能#

#1

1行

政

大

楼模具VCB4电力架构全厂用电(虚拟)M第二变电站(虚

拟)第

一

变电站VCB总用电(某电侧)太阳能(虚拟)空压机#1MMMMMMMM项目”加”

电表”减”

电表全厂总用电某电生产用电直接生产单位、间接生产单位电表11、电表19非生产用电行政单位、总务单位、研发单位直接生产单位制一课、制二课、制三课、模具间接生产单位公用课、行政单位制一课电表1、电表2、电表3制二课电表5、电表6制三课电表7模具课电表8、电表9电表12公用课电表10、电表11、电表12电表6行政单位电表13研发单位电表18、电表19

量测项目规划与建置-电力范例(1/2)单位组织电表使用参照表单位成本架构行政大楼空压机#1第二变电站TR太阳能#2第一变电站ACB太阳能#1第二变电站VCB4第三变电站第一变电站VCB行政大楼空压机#1生产全厂用电模具课制

一

课制三课制二课行政单位公用课非生产

-

扣减用电--建置大数据管理系统-

量测项目规划与建置-

资料取得与储存-

分析与管理-

客制化报表-

能源基线的建立-

统计制程管制-

设备综合效率指标

•量测元件通讯接线-

RS-485、Ethernet•量测元件通讯协定-Modbus、OPC

UA、BACnet•数据传输通讯-

MQTT•资料储存-

大数据资料-

关联式与非关联式数据库

厂内服务器

资料取得与储存(1/7)能源管理软件大数据数据库Modbus闸道器MQTT闸道器Modbus闸道器云端平某能源管理服务器空调

空压瓦斯厂内资料(产量、维修)

传输窗口闸道器MQTT闸道器MQTT网页服务器数据库服务器水MQTT电力能源信息呈现、报表云端实时通知电力信息ModbusBACnet闸道器MQTTMQTT资料取得与储存(2/7)•IoT通讯闸道器功能特征-

单协定通道与云端衔接-

多重协定格式转换，提供不同类型设备整合-

协定驱动模块化，提供高弹性之应用情境-

俱备传输加密，确保信息安全-

软件界面导向，不受限特定硬件平某

BrokerModbus

ServiceBACnet

ServiceOPC

UA

ServiceITRI

IoT

Gateway

内部服务confi

gBACnet电表冰水机已应用之硬件平某(Yocto)(ARM

Linux)(WIN7)(WIN

10

LTSB)*

MQTT

Broker可建置Gateway内部或外部IoT应用CloudApplication

(MQTTBroker)3G,LTE,

Wi-Fi…MultipleprotocolstoMQTT订阅/操作凰IoTApplicationDatabase

PLC/DDCSCADAController三菱PLCSiemensS7-15000

OPC

UA

PLCGatewayConfigurator工具Modbus

RTU

瓦斯流量计ModbusTCP

电表Dell

Edge

3000ADLINK

MXE-200Siemens

IOT2000ITRIGeneral

Platform在线订阅/操作*

MQTT产生配置档Other

ProtocolModbus

TCP/RTU三菱MC

ProtocolSQL/MySQLITRI

IoTOPC

DA

/OPC

UABACnet/IP资料取得与储存(3/7)工厂外部应用•传统PLC与IoT资料收集差异

封闭通讯协定ModbusTCP/

RTU、BACnet/IP、OPC

UA等

EMS/资料仓储服务器

IoT

Gateway集中器感测或控制设备IoT技术资料收集感测或控制设备传统PLC资料收集云端资料仓储

与应用ModbusTCP/

RTU、BACnet/IP、OPC

UA等OPC或封闭通讯协定IOT通讯协定IoTGateway工厂内部应用PLC控制器

Ref:

资料取得与储存(4/7)IP

IPSensor

…

Sensor#3

#N•量测元件通讯接线•RS-485半双工(2线式)通讯接线方式•RS-485全双工(4线式)通讯接线方式•

Ethernet

通讯接线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:

资料取得与储存(5/7)•量测元件通讯协定

•

物联网数据传输通讯-

MQTT•Message

QueuingTelemetryTransport•

应用受限于设备和低频宽、高延迟或不可靠的网络

而设计的轻量级通讯协定-

DDS•Data

Distribution

Serviceforreal-timesystems•

适用于实时系统的资料分布服务，适用于分散式的

环境-

AMQP•

Advanced

Message

Queuing

Protocol•用于生产管理系统，企业资源计划，制造执行系统

等，相互交换资料的开放网络通讯协定-

CoAP•

ConstrainedApplication

Protocol•具备较小的封包标头，并建立在

UDP

协定之上，

因此适合于感测节点进行网络传输

Ref:科仪新知

第221

期工业4.0

与智慧制造的关键技术：工业物联网与人工智能资料取得与储存(6/7)Message2Message

1Message

1PublisherAPublisher

BSubscriberASubscriberBTopic

1Topic

2MQTTBrokerJSON/XMLMessage2Message

1封闭的资料网络量

管理成本

建置时程

性资料/技术

度衍生应用

性公用系统生产制程数据场内保存

建置成本高资料取得与储存(7/7)•

资料储存信息储存系统架构差异

Ref:科仪新知

第221

期工业4.0

与智慧制造的关键技术：工业物联网与人工智能公司内部信息机房信息储存系统架构差异比较表LocalCloud云端服务外部信息机房降低营运成本

高弹性使用外部机房降低建置成本远端操作

弹开发弹安全性掌握预算Cloud

EMS

(AmazonAWS)l

Server

lessl

Pay-as-you-gol

Elasticity3G,

LTE,Wi-Fi

…G.W.

Multipleprotocols

to

MQTT工研院两种系统架构System

CentralizeTraditional

EMS(Local

Server)Web

ServerM.L.R

ITRIData

NormalizeUserAnalysisRepo.Arch.

DevicePower

meter

PLC/DDC

ControllerDatabaseSCADA

DataVolume/VarietyDataWarehouseMQTT

BrokerOther

ProtocolWhereSQL/MySQLModbusl

lOPCBACnetMSSQLHBase建置大数据管理系统-

量测项目规划与建置-

资料取得与储存-

分析与管理-

客制化报表-

能源基线的建立-

统计制程管制-

设备综合效率指标

主要功能细项功能大数据数据库储存原始运转资料，可包含:1.感测资料(电力、瓦斯、水、空气流量、压力、温度)2.制程资料

(ERP、产量、工时、人员)3.外部信息(太阳能、环境气候等外部可读取网站)。电力管理系统1.电力回路架构(单线图)/单位组织用电架构(自主管理)，两架构均可提供以下统计信息2.电力耗用统计(日/月/年)、时间电价、电费信息3.各用电趋势信息(每分钟)，耗电、度数、需量、生产/非生产用电4.需量控制(需由使用端提出可受控之设备)瓦斯管理系统1.各瓦斯耗用统计2.结合制程信息，评估机某能效公用管理系统1.可包含以下次系统:空压、空调、泵浦2.系统架构、设备运转状态、设备/系统能效指标3.

节能控制水资源管理系统1.水量统计、区分工作日与假日用水2.

水流向架构图、水量流图设备效率管理1.

设备效率综合指标(OEE)2.

制程监控(SPC)，多时段多管制值能源基线1.

一次线性回归模型，自动建立模型2.

监控、模拟、节能评估能源绩效指标1.

能源密集度、单位产品能耗、公用设备效率能效申报1.依产业别建立厂内申报系统(需提供既有报表信息)2.

自动收集能耗信息、建立相对应报表客制报表与警示通知1.依既有报表规划建立网页型式，并定时mail报表信息；客制新报表与信息页面2.

提供实时line通知，

mail异常警示

36工研院大数据能源管理系统功能项目周尖离峰用电全厂能管功能项目(1/11)

分析与管理

-

实时设备或单位的能源消耗概况(1/3)总耗电信息-电力首页

电力单线图

瓦斯用量搭配使用设备制程信息用量统计(日、月、年)瓦斯用费成本、单价信息单位成本用电信息实时用电、电费、尖离峰比、用电占比电力单线图实时用电、尖离峰比、用电占比实时用电趋势、契约容量、前一日用电当日尖离峰用电总电力与次阶电力瓦斯耗用信息-瓦斯首页气温实时需量

最大需量一周尖离峰用电单位成本架构图

全厂能管功能项目(2/11)用电统计与昨日比较-用量、电费与前一月累积比较-用量、电费

分析与管理

-

实时设备或单位的能源消耗概况(2/3)每月时间电价差异比较-两段式、三段是电费总合差异用电信息趋势图

电表信息时间区间电表用量统计日、周、月、年

时间区间用电统计-用电阶层同一用电阶层比例时间电价差异趋势图表用量统计

全厂能管功能项目(3/11)

分析与管理

-

实时设备或单位的能源消耗概况(3/3)总用水量-

当日、当月用量、水费-

工作日、假日水资源分类占比流向图水资源用量流向图水资源分类流向图水资源首页

全厂能管功能项目(4/11)

分析与管理

-

远端监控、实时通知、减少人力负荷设备运转状态冰水温度、进出水温差

室内温度空调设备能效值设备运转状态空气压力空压系统能效值IoT

设备连线状态管理空调系统架构空压监控系统空压系统架构

全厂能管功能项目(5/11)

分析与管理

-

远端监控、实时通知、减少人力负荷定期报表(日/月)Email警示推播Line警示推播

全厂能管功能项目(6/11)

分析与管理

-

历史资料的统计(日、月、年)与能耗合理性分析时间区间查询报表用量成本依阶层查询点选用量变化、占比变化

时间区间查询动态变化呈现电表用量统计日、周、月、年

时间区间实时、前一日、前一月比较统计表用量统计比较图表用量总计查询页面用量变化查询尖离峰用电信息日统计报表圆饼图

全厂能管功能项目(7/11)需量控制设备界面依加卸载需求设定其各自顺序、是否加入控制

分析与管理

-

实时预警(需量控制)与系统控制参数空压节能群控设定启停机组顺序空压节能控制-设定设备界面空压节能控制-设定设备纪录机组顺序修改纪录需量控制-设定设备界面

44

能效申报-空压系统项目45建置大数据管理系统-

量测项目规划与建置-

资料取得与储