智慧工廠重點管理思維:即時精準掌握有害氣體,有效提升工廠工安

國研院終端應用場域整合測試合作啟動儀式

網路時代下,傳統產業如製造業為了創造精準製造與高效產能,掀起了一股數位轉型的潮流。據美國權威 IT 媒體《TechTarget》報告指出,智慧工廠將在 2022 年成長至 1.5 兆美金(約台幣 45 兆)的市場價值,並有 76% 製造廠早已開始尋求數位轉型的解決方法與策略。而為了提升工廠員工的工作環境與身體安全,智慧工廠開始強調製造流程廢氣排放的智慧管理檢測。台灣身為亞洲製造大國,目前提出了哪些相關的技術突破與研發呢?

可立刻檢測戶外空氣品質與工廠是否排放過量空汙物的裝置,以及可用於教學示範師傅手勢與力道的智慧手套⋯⋯,這些由產學研共同合作推出的專案計畫成果都在 2019 台灣機器人與智慧自動化展「智慧機械創新館」中聯合展示。此智慧機械創新館由科技部與國家實驗研究院共同推出,涵蓋六大研究計畫成果,包括前瞻智慧型機器人模組開發與系統整合、智慧網實系統平台架構技術研發與應用驗證、單機設備或單元智能控制系統先進技術、AQI 氣體感測器服務平台、智慧機械感測器服務平台與南科管理局之南科智慧製造產業聚落推動。

智慧工廠關鍵指標:工廠廢棄如何精準檢測?

有鑒於空汙問題日益嚴重,甚至危害國人健康,造成近年肺癌、肺腺癌盛行等,解決空汙問題刻不容緩。因此 AQI 氣體感測器服務平台挑選學界 6 種能偵測二氧化氮(NO2)或二氧化硫(SO2)等有害氣體排放的感測器技術,並協助與產業連結完成感測器元件製程開發、電路整合及模組設計等,並於環保署指定監測站等場域進行測試,大幅縮短研發技術整合時程,可望提升台灣自主研發能量。

清華大學材料工程系林鶴南教授的「手機操控可攜式氮氧化物氣體感測器」,以黃光微影及低溫化學製程製作氮氧化物(NOX)感測晶片,結合無線通訊模組建構出輕便可攜式氣體感測器,再利用應用程式記錄感測晶片電阻變化便可量測周遭 NO2 濃度,目前可偵測出濃度範圍 5~1000ppb,解析度 5ppb。可用手機操控、體積小僅比手機稍大、製作成本便宜,可小批量生產為其特色。

成功大學材料工程系方冠榮教授則研發固態二氧化硫 (SO2) 氣體感測器。SO2 是造成空汙的主要物質之一,包括石化燃料的燃燒或燃煤都會產生 SO2。而目前市面上大多數的 SO2 感測器均須使用液態電解質,其缺點是需經過封裝製造時程較久且不適合安裝在高溫的煙道處。而成大團隊透過將感測器薄膜化,並以平板疊層技術進行各層材料圖案化設計,開發出全固態二氧化硫氣體感測器,可在高溫下即時監控 SO2 的排放,適合應用在工廠工業煙道的排放監測。

高雄科技大學電子工程系薛丁仁副教授則選擇半導體感測材料整合 MEMS 晶片型氣體感測器,可偵測 SO2 及 NO2  氣體。團隊藉由 Nano 技術使晶片具有選擇性作用,可區隔 SO2 及 NO 氣體,如此一來在分析資料時便知道哪一顆感測器是偵測到何種氣體。其特色是在單一 6 寸晶圓中就可切割出 1 萬多顆氣體感測器,可低成本大量生產。可偵測出 NO2 氣體達 100 ppb ,解析度為 10 ppb,及偵測 SO2 氣體達 250 ppb ,解析度為 10ppb。而目前透過儀科中心協助,元件已整合成 8 顆感測器的模組,並結合銘祥公司的空氣品質管理系統,已完成整合可上線應用。

智慧工廠重點管理思維!工廠有害氣體如何第一時間掌握?

工廠排放有害氣體不僅容易造成空氣污染,更有可能導致工廠危安台廠如何精準升級,快速確知工廠氣體遍佈情況?主辦單位:科技部承辦單位:國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心

Posted by TechOrange 科技報橘 on Monday, 30 September 2019

南台科技大學電子工程系邱裕中教授則研發光感測器元件,主要從光束衰減偵測 NO2 氣體濃度,可偵測特定波長且不受外界光線影響,適用於光學式氣體感測器。不同於其他電化學式氣體感測器,光學式的特色是反應速度快,只要 3 秒就可測出反應,可立即追蹤確認汙染源,且不似電化學式感測器易受溫濕度影響,一段時間感測頭需要更換。光學式感測器在第一次建置成本較高,但無須更換耗材可使用約 7 年。目前研究重點在於讓體積及重量更輕巧,未來計劃能掛上無人機,應用於工廠煙道環境的氣體排放監測。

智慧機械結合 VR 技術,搶攻工業 4.0 製造商機

加速規常見於工具機主軸或機械手臂中,用來測量是否有異常振動以提早進行機台維修保養。然而目前台廠缺乏加速規製造技術,幾乎都仰賴進口,使用進口元件的缺點是需另外購置後端感測電路與傳輸晶片,且需另作客製化整合。因此成功大學電機系特聘教授朱聖緣團隊研發無鉛壓電 MEMS 加速規系統晶片,包含高還原性後端感測電路與無線傳輸晶片,形成模組系統。團隊強調,台廠自己擁有加速規技術才能客製化修改規格並深耕技術。

中山大學機械與機電工程系潘正堂教授所研發的智慧手套結合 VR 虛擬實境可用於精密機械操作教學,在手套指尖端放置感測器可搜集示範者的姿勢與力道訊號並上傳雲端,透過數據分析後當學習者戴上手套則可產生力量回饋,結合 VR 頭盔,不需示範者在旁指導學習者也可隨時學習。其感測器是採柔性壓阻式力量感測器,內含指插式電極可傳導出電性訊號,並結合多壁奈米碳管塗布於網格結構感測表面,透過負荷變化以改變電阻值,可提高感測靈敏度並降低成本,其精度達 0.1 N。

不論是解決迫在眉睫的空汙問題,或趕搭工業 4.0 智慧製造商機,AQI 氣體感測器與智慧機械感測器服務平台專案計畫透過結合各大學實驗室、國研院儀科中心及半導體研究中心技術並鏈結產業能量,實際推動各大學實驗室的感測器元件研發,加速模組化與系統化進程並提供驗證場域,提升自主研發能力並滿足產業需求。

(本文提供合作夥伴轉載。)

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