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沼氣發電

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AIoT結合ICT技術 智慧沼氣發電系統效益高

依照行政院農委會於民國106年11月調查,台灣目前約有7,000多家養豬場,每年生產550萬頭豬隻,若將其排泄的豬糞利用作為沼氣發電原料,可增加台灣再生能源發電量且減少農畜牧業廢棄物的排放汙染問題,可以達到環保與再生能源的政策效益。 AIoT搭配沼氣發電技術 提升農務效率 根據調查政府曾於民國100年,全額補助710戶豬農建置沼氣發電機,幾年後只剩下少數發電機還可以運作使用,其餘發電機都已報廢停擺。最主要的原因就是沒有幫農民規畫一套系統運作及維修服務機制,農民的專長是養豬工作,沒有相關專業知識也無暇去照顧沼氣發電系統維護操作,整個政策因沒有後續系統服務配套措施而失敗。為此,資策會以「發展智慧化物聯網(Artifical Intellegent of Things, AIoT)系統」軟體技術,搭配本土化沼氣發電技術設計具有監測服務功能雲端平台,提供有意願經營沼氣發電服務公司廠商使用,從雲端平台來監控沼氣發電系統各單元運作狀態,協助養豬農即時服務維持系統長期運轉。簡單的說就是讓農民專心養豬,由雲端平台上的系統定期收集數據供專家在遠端以資料分析的方式來監控沼氣發電設備的運作情況,即時發現系統運作異常的問題,並有效率的協助農民排除運作上障礙。 雲端平台收集擷取沼氣發電系統各環節中各項檢測即時數據,藉以建立智慧監控及回饋系統,對沼氣發電系統運作效率提供最佳化控制,將沼氣發電系統各運作單元的即時狀況連網化、可視化與數位化,成為沼氣發電服務公司遠端監控維運管理的重要工具,功能包括提供系統效益分析/健康診斷/最佳化演算/故障預警/派工維修等等長期運作維護及營運問題。 整個系統從高溫厭氧醱酵、二階段脫硫、儲氣槽及發電機組各個單元設計都有布建感測器偵測各項參數。AIoT系統的前端設備進行各單元感測器參數收集,並透過4G無線網路將參數送至雲端平台,進行效益分析/健康診斷/最佳化演算/故障預警/派工維修等等營運服務。這些驗證數據與技術成果,可作為未來相關單位執行後續推廣與擴大落實效益時的策略擬定重要參考依據(圖1)。 圖1 沼氣發電系統架構可以協助策略擬定,實現更高效益。 資料來源:資策會 遠端自動監測控制架構 沼氣發電系統導入物聯網技術之效益包含場域端與聯合區域兩部分。於場域端效益部分,物聯網技術可協助個別養豬場掌握沼氣發電即時狀態,包括發酵、脫硫、發電等各部分處理單元運作狀況,當有異常便提供警示,亦可作為後續作業流程調整之參考依據。於聯合區域效益部分,藉由雲端技術的導入,可大幅降低資通訊系統之建置費用,且能確保資料完整性,降低資安及資料損毀等風險;同時開發遠端智慧巡檢服務,建立沼氣處理單元與發電設備狀態檢測邏輯,時時替豬農把關設備與系統健康狀況,以此方式同時服務多個場域,進一步降低永續經營之成本。 圖2是場域端資通訊系統整合架構,沼氣發電流程各環節中,各子系統布建之感測器先經由可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)讀取感應之量測值。之後透過工業常用標準ModBus數位匯流排傳送至異質資料彙集單元,異質資料彙集單元的內部軟體會進行資料收集、過濾、有效性判讀、儲存等等預處理功能。之後將預處理過資料以安全通訊協定回傳雲端系統,進行後續資料顯示、分析、統計、事件判斷、歷史趨勢與儲存等等功能服務。於雲端系統接續部分,因考量養豬場位置的固網環境條件可能不足等因素,所以使用4G無線網路作為後端TCP/IP及RESTful傳輸協定之媒介。 圖2 場域端資通訊系統整合架構可以收集、整理、分析、儲存資料等。 資料來源:資策會 所傳送到雲端的資訊內容包含,各子系統的輸入參數、輸出參數、系統參數、閥門控制與事件警告等五大類別,共超過200多個特定參數。 雲端數據收集分析平台 這套系統的網站畫面呈現方式採用響應式的方式設計,可使用不同尺寸的螢幕來進行遠端監控,例如手機、桌上型電腦、中控室大螢幕等,因考量手機與電腦螢幕的解析度不同問題,目前規畫將手機版網頁(圖3),以簡化圖形界面展示各單元串連關係,及整體運作狀態。功能除了沼氣發電各子系統要求的關鍵性參數顯示如:發電量、沼氣產量、硫化氫含量、酸鹼值(pH)等等監測值外,還提供當日累計參數顯示功能。各單元是否持續正常運作中,例如馬達與攪拌器等等也會以動態方式表現在網頁。 圖3 手機版網頁簡化圖形便於操作。 資料來源:資策會 電腦版顯示方式(圖4)則以實際的沼氣發電系統工程配接圖方式顯示,共12個單元:配料、酸化、醱酵#1、醱酵#2、醱酵#3、醱酵#4、沼液儲存、生物脫硫、化學脫硫、沼氣袋、熱回收、發電機。畫面顯示表現整個沼氣發電系統的實際管線聯接與運作控制狀態,包含馬達、幫浦、攪拌器、開關閥門、液體儲存槽、氣體儲存槽等等操作控制單元設備。各子系統的專業工程師透過電腦游標滑動點選各單元設備後,即可顯示該單元內詳細量測項目數值,及量測數據歷史紀錄。此外平台還提供以下功能: 圖4 電腦版網頁圖以實際發電系統工程配接圖方式顯示。 資料來源:資策會 .監測紀錄查詢功能: 可依不同時間單位查詢,如每五分鐘、小時、日、月、季、年歷史數值趨勢圖,與報表輸出。 .即時與歷史告警查詢功能: 監測裝置或數值出現問題之告警查詢及報表輸出。 .遠端操作模式設定/切換: 單元暫停運轉、馬達轉速控制、管線閥門開/關、監測設施故障等等。 .告警設定: 監測值範圍上下限、有效率數值百分比、校正提通知、校正逾期通知等設定。 .通知對象: 可同時通知多組e-mail與手機簡訊與call API的方式。 .帳戶管理: 帳戶新增修改與權限管理、帳戶登入、登出與操作行為紀錄。 .人工登入參數: 雲端平台除了收集沼氣發電系統不同環節各項關鍵性系統參數、輸入參數、輸出參數,同時彙整各子系統線上即時量測值,也提供工作人員非即時離線量測值的資料匯入,由人工填入Excel表格欄位存入「人工匯入」資料庫,協助各單元設計人員即時掌握各階段執行狀況並進行效益分析。 參數類別分成輸入參數、輸出參數、系統參數、閥門控制與事件警告等五大類別,其中輸入、輸出與系統參數就是以Dashboard方式顯示,點選後可連結到參數歷史資料庫查詢(圖5)。 圖5 電腦版網頁Dashboard可連結參數歷史資料,協助資料管理與查詢。 資料來源:資策會 智慧雲端平台預期效能指標包含: .可同時容納100人連線讀取,連線反應時間(不含資料處理時間)應低於5秒。 .於資料庫內含1,000,000筆模擬資料情況下,查詢最近一週內單一資料擷取頻道之所有紀錄,平均資料處理時間應低於30秒。 .於資料庫內含1,000,000筆模擬資料情況下,由同一區域網路內終端設備,顯示包含10項預先選定之即時資料模擬儀表面板畫面,由送出請求至資料讀取完成之平均延遲時間應低於5秒。 AI人工智慧導入 機器學習與人工智慧技術並非新創技術,自1956年開始發展以來,相關研究未曾中斷。因電腦運算與儲存成本降低,大數據及物聯網相關技術趨於成熟,機器學習與人工智慧建置成本大為降低,應用領域在短時間內大量擴散,幾乎已達「無所不在」的程度。包括機器人、家電、醫療、工業4.0,甚至金融科技、智慧客服等。美國研究機構BCC Research預測,全球機器學習相關產品已經進入起飛成長的階段。 這套系統的網站除了監控技術應用外,也將提供人工智慧技術導入應用功能,藉由已蒐集之參數資料,後續將可經機器學習(Machine Learning)相關技術,發展適用於沼氣發電不同環節之預測與決策模型。期能利用易於建置、維護、成本較低之線上即時感測器、量測方式,掌握實際執行狀態,藉以取代其它高單價、維護不易之感測器或離線量測,以達到降低整體成本之目標,同時仍能維持必要之整體運作,並可將資訊系統擴展至整合營運管理相關功能(圖6),如雲端平台之可擴展性、圖資系統整合(Geographic Information System, GIS)、人員排班與任務指派、營運管理報表、設備故障診斷、製程異常提前警示等。 圖6 機器學習與決策系統架構流程示意圖 機器學習法具體內容包含: .機器學習演算法與預測模型建立。 .示範場域感測器資料收集演算,包括:發電量、設備溫度、氣體濃度、含硫量、槽體壓力等等關聯性參數資料。 .不斷累積資料修正預測模型,達到效率提高,準確預測的智慧化設備資產管控。 .開發以增量式學習演算法(Incremental Learning)訓練預測模型。 .執行巨量資料演算開發人工智慧技術,對發電效率提供最佳化控制模式建議。 .提供雲端效益分析/健康診斷/最佳化演算/故障預警/派工維修等等營運服務。 目前於商業領域應用之主流為機器學習技術。此一技術讓機器擁有學習能力,如同人類學習一樣;首先大量訓練數據中找出關聯性,並將這些關聯性歸納為特徵,便可據此建立資料模型,亦即機器的知識。 最後利用這些模型,針對後續輸入數據進行操作,便可產生推論,亦即針對輸入數據的結果預測、或是將輸入數據進行分類。 建置一套機器學習系統之關鍵有二。首先是針對待解決問題本身的瞭解與對資料掌握能力,以便於從過多龐雜無關資料中正確引導關聯性之建立。 如果對於問題本身缺乏足夠理解,訓練過程將會耗費大量時間,用於排除無因果及關聯性之資料;且訓練過程亦可能會發散,甚至完全無法建立關聯性。 另一關鍵則是大量資料;不只用於關聯特性歸納,同時亦可用於資料模型校準。輸入的數據越來越多,演算法也會持續的調整並做出更精準的分析與預測。 智慧平台之中長期目標為發展一套機器學習系統,用於建立沼氣發電各流程環節操作參數間之關聯性,期能減少非必要感測器之需求,以進一步降低成本;同時期望能建立一套預測模型,期能對發電效率提供最佳化控制,將沼氣發電連網化、可視化與數位化,成為遠端監控維運管理的重要工具。 利用ICT技術建構一套跨領域知識整合的沼氣發電系統智慧物聯網AIoT遠端監控服務平台。這件工作橫跨多種不同專業領域技術,包括農業、化學、機械與能源,專業知識整合有一定困難度,相關技術導入及落實推廣也具有挑戰性。過程中花費很多時間,分別與不同領域技術人員、設備廠商、及學者專家之間作多次溝通,工作執行中感謝工研院相關技術專家指導協助,建立適用於本土養豬場符合於不同形態規模之養豬場使用。期能進而形成本土化的沼氣發電產業鏈,配合南向政策開拓東南亞市場。 (本文作者皆任職於資策會智慧系統所)
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