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推開集團研發中心的大門-控制技術

本期ABB集團研發中心的介紹,將帶大家認識容易忽略,卻廣泛應用於生活各處的控制技術。「控制」技術的研發人員將生活中的物理現象轉譯為以數學方程式為基礎的運算模型,描繪出虛實交融的控制世界。「控制」技術將繁瑣且重複的決策路徑簡單化、最佳化,突破人類的生理與物理限制,將事件失控機率降至最低。從手機到廠房,控制技術無所不在。

ABB於全球有七個集團研發中心(Corporate Research Center, CRC),專注於中長期技術研究,也針對特定產業需求與事業單位合作。CRC的九大核心技術領域分別為通訊(communication)、控制(control)、電磁學(electromagnetics)、材料(material)、機械(mechanics)、電力電子(power electronics)、傳感器(sensors)、軟體(software)及開關技術(switching)。 其中,控制技術常難以特定的單一產品形象呈現,卻普遍存在於現代社會中,堪稱當今科技的隱形推手(enabler)。

控制,無所不在

「控制技術實驗室」擁有九大領域中規模最大的研究陣容,專注於電網及電力系統控制、製程工業的自動化監控、生產排程、能源管理、預警系統等。於ABB而言,控制技術無所不在;於現今科技發展而言,控制技術俯拾即是。例如隨身攜帶的手機,要能即時、自動搜尋並連接上最近的基地台,以確保通訊訊號最佳,又不浪費無謂電力,這是控制技術。又如飛機、捷運的自動駕駛功能,由數控系統判別、運算、監控數百計的參數後,進而達到無人操控,同樣拜控制技術所賜。建築物溫控系統、高速公路流量管理系統、居家視聽系統、再生能源併網系統等,都有「控制」隱身其中,促成技術實現。

控制技術奠基於複雜的數學運算,將實體世界中的行為、流程、現象、情境於以模型化(modeling),以避免直接人為干預,達到系統運作的安全、效率及品質最佳化。或許您不禁要問,何以事事交給控制系統決斷,人要做什麼?難道世間的無限可能都可化為參數,被寫入數學模型之中?ABB控制技術實驗室負責人Alf Isaksson回應:「控制技術並非弱化人的決策能力,反而像是賦予一雙遨遊虛實世界的翅膀,讓人突破生理疲勞、物理限制等,將心力投注在極罕見的意外事件上,將事件失控機率降至最低,達到更高效、安全、即時的全面掌握。」。

數學模型描繪的實體世界

實驗室裡的科學家們常將控制技術稱為「隱形科技」,因為技術應用深入各產業,甚至你我的日常生活,然而卻難以從單一產品中識別其存在。Alf Isaksson進一步說明:「控制」與軟體、通訊和感測器技術息息相關。舉例來說,軟體與通訊技術提供了「配管」的框架,而「控制」定義了哪些物質於管內流動,該怎麼流。從學理來說,「控制」不僅僅是電腦科學(computer science),而在數學的基礎上增添動態分析、回饋控制、系統穩定、數值最佳化等等理論應用。在實務上,不論是連續性製程工業,還是日趨複雜的電網系統,控制技術指揮調度著全廠運作,從產線到控制中心,透過數值分析作出最佳決策建議。

然而,要將「控制」的力量徹底發揮,對於物理世界的正確、精準判讀是關鍵中的關鍵。在技術研發人員妥善地觀察、研究物理現象的因果之後,進而將其轉譯為各項方程式,遂可在假設情境下進行模擬、建立模型,甚至提出預測建議。曾經,ABB的科學家們在太陽能面板附近架設數個鏡頭,藉以觀察記錄日照量與雲的移動變化關係。多次試驗之後,於是能在雲位移對太陽能發電設備造成影響前十五分鐘,提出預警及設備作動建議,如啟動發電機或改用儲能設備電源等。

控制之於能源管理

在數位化浪潮掀起的虛實整合趨勢下,控制技術可望以更快的速度大規模地應用於電力與自動化領域。以能源密集的煉鋼廠為例,據統計,其能源成本約佔總生產成本的20%。因此精準掌握能源的供應與耗用狀況,提高能源效率,一直是鋼廠提升績效的經營對策之一。全球著名的鋼鐵冶金集團ArcelorMittal,為此與ABB合作,於法國Fos sur Mer廠區採用了控制技術實驗室打造的能源管理系統──cpmPlus Energy Manager (EM)。

cpmPlus EM將鋼廠內龐雜的能源供應網絡、製程中的各項設備用電狀況予以可視化呈現,令中央控制人員即時掌握廠區全貌。除監控用電狀況及用電效率外,cpmPlus EM可依各類能源的市場價格,最佳化能源採購比例與生產排程,將總購置成本降到最低。由於該系統用於工業環境中的連續性製程,分秒之間即有生產數據的產生與變動,因此如何快且準地採集樣本數據,並即時提出可靠預測報告,是一大挑戰。為此,實驗室人員以不同單位時間進行區段與連續性採樣,相互驗證,並提出產量預測與最佳能源配置建議。從2013至今,cpmPlus EM顯著提升Fos sur Mer廠的產能不說,每月平均節省了約$15,000歐元的能源採購成本。

cpmPlus EM可視覺化鋼廠中能源供需的狀況及未來預測,從單一鍋爐到產線上的天然氣管線,為鋼鐵廠提供綜合性能源管理方案。

跨界綜效,邁向高峰

隨著新式科技持續突破,控制技術將結合軟體、感測器、通訊技術演化出更多有別以往的產業應用。如工業4.0下的IT與OT整合、再生能源併網與區域電網下的電網管理等,控制技術勢必得邁向更多的跨界交流,考量數位世代的思考邏輯與使用行為,開創兼具功能性、直覺、輕巧且彈性的系統與使用者介面。ABB控制技術實驗室的研究人員早已準備好迎接挑戰,持續推進控制技術的極限,開創人類與實體世界互動的更多可能。

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