選工業自動化設備(如馬達、驅動器和通訊模組等)時，需要謹慎留意細微之處。例如，北美的美國電氣製造商協會(NEMA)和歐洲的國際電工委員會(IEC)，在馬達與驅動器額定值方面差異甚大。
挑選馬達、驅動器和控制器時，要考慮輸入和輸出電壓與容差、所需的速度範圍與調節需求、扭矩要求、加速、制動工作週期、快速或扭矩響應等特殊需求，以及包含熱管理等環境因素。
通訊需求則會根據設備在工業控制階層中的位置而有所不同。離廠區邊緣最近的層級，IO-Link等協定可用於智慧型感測器與致動器，而EtherCAT、PROFINET、Modbus和其他協定則可連接動作、安全、I/O和視覺。工廠自動化網路的最高層級通常使用乙太網路/IP來連接各種自動化控制器、程式設計介面和雲端，也常利用DisplayPort等協定來連接人機介面(HMI)。至於其餘層級，則可搭配使用乙太網路/IP、EtherCAT和其他協定，以便將廠區的現場層級連接到運作與控制層級。
由於細節過於龐雜，無法在單一討論說明清楚。本文將著重說明在指定馬達、驅動器和通訊模組時應考慮的數個準則，並介紹Siemens、Phoenix Contact、Omron Automation、Panasonic Industrial、Schneider Electric的應用、硬體與協定範例。
焦點從單一元件轉向整體系統
許多工業自動化系統中都可以看到馬達與驅動器的身影。本文將首先從工業自動化系統效能的眾多考量因素中說明馬達效率的適用性，並解釋相關的考量重點如何發生變化。
使用效率較高的馬達時，節能率可達6%，若進一步加入高效率驅動器及其他支援元件，節能率可提升30%之多。當重點轉移至整體系統最佳化時，將出現截然不同的關鍵因素。若將所有機械元件都納入考量，並增添通訊元素以和工業物聯網(IIoT)接軌，包括運作與工廠層級，最終再連結至企業層級和雲端，節能率可達60%，並提高生產力(圖1)。
馬達系統的生態設計
IEC 61800-9第2部分「馬達系統的生態設計－能效測定和分類」不僅著重於馬達效率，也詳述電動馬達驅動式系統的一系列高階效能因素。變頻驅動器(VFD)可視為完整驅動模組(CDM)的一部分；其中CDM包括AC輸入饋送部分、基本驅動模組(BDM，例如變頻驅動器)以及輔助元件(包括輸入和輸出濾波器、線路扼流圈及其他支援元件)。
上述標準也將動力驅動系統(PDS)定義為CDM與馬達的組合，並將馬達系統描述為動力驅動系統加馬達控制設備，例如接觸器。最高層級是延伸產品，或是圖1中的整體系統，其中新增變速箱和負載機等機械驅動設備。
馬達的重要性
指定「電動馬達驅動式系統」時，得先指定馬達。只要正確指定和使用電動馬達，即能達到高效率。因此，指定馬達是機器設計人員的重要任務。
IEC以kW作為馬達功率的量化單位，NEMA則使用馬力(hp)，兩者可輕鬆進行換算。不過，IEC和NEMA使用不同的效率計算方式，同一馬達設計的IEC銘牌效率(Nameplate Efficiency)可能會稍微高於NEMA額定值。實際馬達效率與特定使用案例息息相關。因此，馬達效率標準通常會從減少能源損耗角度而非絕對效率進行討論。
IEC 60034-30-1為馬達效率訂定五個等級，即IE1至IE5。級與級之間的能源損耗下降20%，也就是說，IE5特超高優級(Ultra Premium)馬達的損耗比IE4超優級(Super Premium)馬達低20%，以此類推。還有更多層面需要考慮。在某些情況下，馬達的效率越高，其功率因素(PF)將下降。
在北美，NEMA的能效等級較少，但重要性不相上下。NEMA將IEC標準中未包含的馬達使用係數(SF)納入考量。SF為
1.15的NEMA馬達能在115%的額定容量下連續運作，不過運作溫度較高，可能會縮短軸承和絕緣層的壽命。有別於SF，IEC根據連續運作與間歇性運作的差異、速度變化和制動使用等考量因素，確定十種使用週期或使用係數(S1至S10)。
NEMA和IEC的工作電壓及頻率範圍各不相同，但皆以「每單位」(p.u.)量化單位表示。在p.u.系統中，量值以基值的分數表示。NEMA可識別一個範圍內的馬達電壓與頻率；IEC則是分為兩個區域(Zone)(圖2)。
提高動力驅動系統的效率
馬達驅動器是IEC 61800-9-2中定義的動力驅動系統效率的關鍵要素。此驅動器能夠以幾種方式進行分類，例如馬達電壓、功率位準、動作類型、支援的應用等。動作類型可分為連續型和非連續型。另外，根據所需的最大功率輸出，還能進一步分為低效能、中效能和高效能。
驅動器種類繁多，可支援不同的系統需求。當機器人等應用需要快速加速、減速和精確定位時，適合使用伺服驅動器和伺服馬達；軟啟動器適用於連續型操作，例如輸送帶，有助順暢啟動和平穩減速；變頻驅動器則廣泛應用於各種工業機器。
某些變頻驅動器產品系列，針對幫浦抽送、通風、壓縮、移動或處理等操作進行優化，例如Siemens的SINAMICS G120系列通用驅動器具有0.55至250kW(0.75至400hp)的額定功率，適用於汽車、紡織和包裝操作的一般工業應用。其中，6SL32203YE340UF0型號採用三相電源，工作電壓為380至480Vac +10%/-20%。在歐洲，此型號指定用於電壓為400V、馬達額定功率為22至30kW的作業；在北美，則指定用於電壓為480V、馬達額定功率為30至40hp的作業(圖3)。
通訊和系統最佳化
馬達與驅動器雖然位於廠區的第1層級(或現場層級)，但其並非工業4.0通訊階層的最低層級。最低層級為感測器和致動器等功能層級(第0層級)。此外，現場層級上方還具有許多層級。要讓工業4.0工廠的整體效率、生產力和永續性達到極致，從通訊階層至雲端層級之間的上下行通訊皆須及時且高效。以下協定將助雲端連線一臂之力(圖4)：
．uOPC PubSub Bridge整合多個OT資料流。
．MOTT BRoker接收訊息，並根據訊息主旨將訊息轉寄給使用者。
第1層級不只有驅動器和馬達。現場匯流排主控裝置單元(FMU)能促進通訊，並簡化驅動器和其他元件的整合。FMU可用於各式協定，包括PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、CANopen等。FMU能進行獨立連接，不受任何製造商影響。舉例來說，Panasonic的AFP7NPFNM型號即為一種PROFINET FMU。此型號隨附程式設計軟體的整合式函數庫，能大幅縮短開發應用解決方案所需的時間。
第0層級
要提高變頻驅動器的動力驅動系統節能效益，必須將連接能力帶進第0層級。在第0層級整合感測器、致動器和安全裝置(例如光幕)，能顯著提高效率，並將節能率提升30%以上。
用於連接第0層級功能的常見協定包括DeviceNet、HART、Modbus和IO-Link。IO-Link是一種點對點協定，可將感測器及致動器連接至更高階的控制。此協定分為有線或無線標準，在工業4.0中，IO-Link越來越常作為一種具成本效益的替代方案而獲得採用。例如，Omron的NX-ILM400 IO-Link主控裝置單元便能混合使用標準I/O與高速同步I/O(圖5)。
第2層級以上
高階通訊不僅能改善現場層級的操作品質，更是大幅提升效率與生產力的必要條件。從2級到3級、4級和雲端層級，需要採用乙太網路/IP、EtherCAT和Modbus TCP/IP等協定。
可程式設計邏輯控制器(PLC)或工業個人電腦(IPC)等設備，皆可用於建立這些連接。PLC是一種針對工業自動化和控制進行最佳化的電腦。在典型應用中，PLC會監測機器和相關感測器的輸入，根據其程式設計做出決策，並傳送控制輸出。
IPC雖然也能執行類似PLC的功能，但其為更加通用的裝置。IPC可執行Linux或Windows等作業系統，因此能夠存取一系列軟體工具，也常連接至人機介面(許多PLC也能連至人機介面)。PLC往往以機器為主，IPC則具備更多操作功能。
PLC和IPC之間的差異愈趨模糊。例如，Phoenix Contact的1069208 PLC可執行Linux作業系統，並且與傳統PLC一樣，該元件也能以符號流程圖(SFC)、階梯圖(LD)、功能方塊圖(FBD)和結構式文件程式設計語言(ST)進行程式設計。此元件配有三個獨立的乙太網路介面，並能連至PROFICLOUD；對於能從IPC獲益的應用，Schneider Electric提供HMIBMIEA5DD1E01 IIoT Edge Box，其為無風扇設計，內含執行頻率為1.8GHz的Intel Atom Apollo Lake E3930雙核心處理器，並且配有一個mini PCIe擴充槽和九個通訊埠(圖6)。
工業自動化設備考量多
本文簡要概述設計人員在為工業4.0設備指定馬達、驅動器和通訊模組時，應考慮哪些準則。以上所列並非詳盡無遺，目的僅為引發思考，並提供一些有助於進一步研究的資源。
電網和能源產業正經歷現代化革命，以因應整合再生能源的需求，並透過升級過時電網系統、加入智慧電網技術等方式，提高整體系統效率和可靠度。在此轉型過程中，通訊技術扮演即時傳遞資訊並確保系統穩定運行的重要角色。
變或許是任何產業的常態，不過，電網和能源產業目前正經歷的是一場前所未有的革命性變革。在電信、分散式能源、電池儲能、太陽能發電等尖端技術的整合以及對網路安全問題的持續關注下，電網和能源產業正處於一場重大轉型期，這場變革被稱為電網現代化(Grid Modernization)。這一根本性轉變既帶來了挑戰，也帶來了機遇，將重塑世界發電、配電和用電的方式，而在電網現代化轉型的過程中，通訊技術是其中一項關鍵推力。
電網現代化的歷史
電網和能源產業所採用的傳統工藝可追溯到19世紀末，當時建立了第一批工業發電廠。20世紀初，電網迅速擴張，著重於透過化石燃料和長距離輸電線路集中發電。整個20世紀，能源來源不斷擴大，包括核電、水電和一些可再生能源，但直到21世紀前，電網和能源產業仍分離且獨立運作。
隨著人們對基礎設施老化、停電現象增加及環境影響日益嚴重的擔憂加劇，電網現代化的步伐也隨之加快。2003年，美國能源部成立了專門的辦公室來解決電網可靠性和安全性問題。在過去二十年裡，風能和太陽能等可再生能源急劇增加，同時也推動電網升級，以應對波動的發電量。電網現代化致力於解決這些問題，以確保系統更好地向前發展。
電網現代化的關鍵要素
電網現代化的重點是改造當前的電力輸送系統，以滿足21世紀及以後的需求。這一變革的關鍵要素包括：
．整合再生能源：核心重點是將太陽能和風能等再生能源順利納入發電組合。這通常需要進行升級，以處理這些電力來源的波動特性。
．智慧電網技術：智慧電網的概念包括使用數位技術來監測、控制和最佳化電力流動。這包括面向消費者的智慧電表和面向電力公司的先進電網管理系統。
．改善基礎設施：老化的電網系統需要升級，以提高可靠性和效率。這可能涉及更換過時的設備、加強輸電線路，以及投資新的配電技術。
．消費者管理：電網現代化的目的是讓消費者對其能源使用有更多的控制權。這可能涉及監測能源消耗量、參與需求回應(Demand-response)計畫，甚至是自行發電。
．韌性和安全性：電網需要更能抵禦天氣事件、網路攻擊和其他威脅造成的斷電。這包括建立備援機制和實施先進的安全措施。
總體而言，電網現代化是一項複雜的工作，影響深遠。這一進程的目標是為未來更可靠、更高效、更安全和更環保的電力系統鋪平道路。
電網現代化的挑戰
電網現代化是邁向更永續、更高效能源未來的必要一步，但這一轉型過程也面臨著諸多挑戰，包括：
．成本：升級電網需要對新技術、基礎設施和網路安全措施進行大量投資。公用事業公司必須找到在進行投資的同時，又能讓消費者負擔得起電費的方法。
．再生能源的波動性：太陽能和風能等再生能源的輸出具有波動性。電網需要能夠在不影響可靠性的情況下應對這些波動。
．互操作性：電網現代化往往涉及整合來自新技術來源的設備。要確保新系統和舊系統之間的無縫通訊和使用，需要有通用的標準和協定，而這些標準和協定目前仍在開發中。
．網路安全：隨著電網數位化程度的提高，新資料來源的增加使其越來越容易受到網路攻擊。強而有力的安全措施對保護關鍵基礎設施而言至關重要。
．監管：監管框架需要進行調整，以支援電網現代化工作，並激勵新技術的投資與採用。
電網現代化帶來的機遇
雖然電網現代化是一項複雜的挑戰，但其潛在效益也十分可觀。克服這些障礙並利用這些機遇可創造眾多優勢，包括：
．再生能源整合：電網現代化可以有效整合再生能源，減少全球對化石燃料的依賴，並應對氣候變化。
．消費者賦權：透過智慧電表和需求回應計畫，消費者可以更好地掌握自己的能源使用，進而積極參與能源市場，甚至可能將多餘的電力賣回電網。
．提高電網可靠性和效率：電網現代化可減少停電，降低能源損耗，並提高整體系統效率。
．經濟成長：對電網現代化的投資將推動經濟成長，並在再生能源技術、電網建設和網路安全解決方案等領域創造新的就業機會。
．創新：電網現代化為能源儲存、分散式發電、資料分析、網路安全和電信等領域的創新打開了大門。
通訊連接著電網現代化
電網現代化的重點是改造現有的電力能源基礎設施，以滿足21世紀及以後的需求。電網和能源產業的變革是複雜且持續的，公用事業公司、技術公司、政策制定者和消費者之間的合作對於克服挑戰和抓住電網現代化帶來的機遇至關重要。這一轉變的關鍵是將多種技術整合到能源電網中，包括先進的網路通訊技術。
如果把能源電網想像成人體的循環系統，將血液(能源)泵送到全身需要能量的部位，使其保持正常運轉，那麼網路通訊就是神經系統，來回發送訊號，以確保這些部位正常運作。這兩個系統緊密聯繫在一起，確保能源電網能傳輸和接收電力，識別所有損耗並進行即時通訊，以確保平穩運行。整合通訊對於電網現代化而言至關重要，這一轉變正在重塑世界發電、配電和用電的方式。
能源電網的通訊史
最初的電網主要是類比系統，唯一的通訊方式是透過電話線或專用電路發送模擬訊號，這嚴重限制了電網的監測和控制功能。不過，隨著1970年代數位電腦系統的導入，情況發生了變化。資料採集與監控系統(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)的出現，利用數位訊號從遠端位置收集資料，提供集中控制。SCADA在整個20世紀末繼續發展，採用了更先進的資料分析和控制演算法，但因主要仍為封閉系統，與外部網路的連接有限。
智慧電網的概念出現於21世紀初，其驅動力是對提高系統效率和可靠性，以及儘早整合可再生能源的需求。公用事業公司開始投資高速通訊網路，以連接整個電網基礎設施。智慧電表的部署開始實現電力公司與客戶之間的雙向通訊。能源供應商分析從電網收集到的新一輪資料，以改善系統運行、最佳化能源使用並提高電網的恢復能力。
電網現代化正在將網路通訊整合提升至另一個高度，以進一步提高電網監測和控制的進展。能源電網已發展成為複雜的虛實整合系統(Cyber-physical System)，其中實體元件與數位系統緊密整合。與電網相連的裝置比以往任何時候都多，對網路穩定性和安全性的要求也隨之提高。在系統持續向前發展的過程中，如何在複雜的能源電網中進行通訊至關重要。
電網現代化中的先進網路通訊
網路通訊正在推動電網轉型。一些最新進展包括：
．5G和長期演進技術(LTE)專用網路：5G可大幅提高資料傳輸速度並減少延遲，這對即時電網運行監測和控制至關重要。LTE專網是為關鍵電網基礎設施提供安全可靠通訊的專用網路，尤其是在偏遠地區。
．智慧電表基礎設施(AMI)：AMI系統實現了終端使用者與電網之間的雙向通訊和能量流，使公用事業公司能夠遠端控制裝置並收集更詳細的使用資料。AMI還能將可再生能源和分散式能源(DER)整合到電網中，幫助最佳化系統輸出和平衡電網負載。
．光纖網路：光纖可提供大容量、低延遲的通訊，這對於處理智慧電網設備產生的大量即時資料，以更快地回應停電、負載平衡和電網恢復工作而言至關重要。由於光纖電纜不易受電磁干擾(EMI)和物理損壞的影響，因此也能提高網路韌性。
．物聯網(IoT)和邊緣運算：物聯網裝置和邊緣運算可在網路邊緣進行即時資料收集和分析，進而提高電網效率和回應能力。透過分析來自電網感測器的資料，電力公司可以預測設備故障並最佳化維護計畫。
．人工智慧(AI)和機器學習(ML)：複雜的AI和ML演算法正被用於最佳化電網運行、提高能效和增強電網恢復能力。這些技術透過分析客戶消費模式和改進全系統需求規畫，幫助電力公司管理電力需求。
網路通訊為電網提供了必要的基礎設施，使其變得更加智慧、反應更加靈敏，並且更具永續性。即時監控使公用事業公司能夠實施需求回應計畫，並透過即時分析和客戶參與提高能源效率。
通訊對電網現代化的益處和挑戰
更先進的網路通訊對於將傳統電網轉變為更智慧、更靈活、更節能的系統來說十分關鍵。電網現代化可為系統和終端用戶帶來諸多好處。透過即時監控，電網的可靠性和恢復能力將得到提高，在潛在問題升級為停電之前就能發現問題，一旦發生停電，也能更快地恢復供電。公用事業公司還可以透過與客戶溝通來減少能源消耗，進而更有效地管理負載波動。
通訊對電網現代化的另一大好處是提高系統效率和永續性。最佳化能源分配可根據即時供需情況有效分配電力。DER的採用促進了可再生能源和儲能系統與電網的無縫整合。其他好處還包括降低營運成本、透過新的商業模式增加收入機會，以及透過開發和部署新技術實現經濟成長。最明顯的好處是，藉由提高電網穩定性、即時溝通停電情況和恢復工作，以及透過能源管理工具為客戶提供支援，進而提升客戶體驗。
雖然先進的網路通訊為電網現代化帶來了巨大好處，但仍存在一些挑戰。技術方面的挑戰包括系統互通性，以確保不同製造商生產的裝置之間的無縫使用。連接到電網的裝置數量增加也帶來了安全隱憂，而處理智慧電網裝置所產生的越來越多的資料並確保低延遲，同樣是一項進行中的任務。這些通訊系統需要高額投資才能安裝和升級到現有網路中，這可能要求較高的投資回報率，並導致新的資本回收定價模式。
這些先進通訊的最大障礙可能是監管和客戶接受程度。在遵守資料隱私法律和規範的同時，實現通訊協定和資料格式的標準化將是一個不斷發展的過程。舉例來說，客戶雖然可能可以看出即時通訊在停電方面的優勢，卻也可能抵制改變基於能源使用時間的定價模式。電力公司、技術供應商、監管機構、標準制定者和客戶之間需要攜手合作，以應對這些挑戰。
電網的未來發展之路
電網和能源產業的轉型複雜且仍在持續。透過投資基礎設施升級、開發創新技術和優先考慮網路安全，可以充分發揮先進網路通訊在電網現代化方面的潛力。這將確保世界能夠為未來創建一個更有彈性、更高效、更可持續的能源電網。就像人體的神經系統一樣，持續的通訊對於確保人體和能源電網的正常和最佳運行至關重要。