物聯網應用案例|全家便利商店

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全臺遍布2,300多家分店數的全家便利商店,每當傍晚時分,制式的招牌燈總是在不遠處的街角亮起。而你知道嗎,其實全臺每一家全家便利商店的招牌燈都不是隨意地由人工開啟,而是背後有一套自動化系統,能偵測各地分店現場的光線亮度動態調整開啟時間,甚至不用店員動手,全家便利商店導入了一套能源管理系統,由總部IT直接監控全臺近千家分店,自動化管理店內各項電力使用,這正是最典型的物聯網應用之一。

全家便利商店自2005年起,就參與工研院環境與能源研究所所開發的「網路型分散式能源管理系統設計技術」,實際針對便利商店的電力能源,開發出一套可以動態管理耗能設備的能源管理系統,到2011年底已有近1,000家實際導入能源管理系統。全家便利商店設備工程部部長吳佩書表示,參與此次合作計畫的原因,是為全家便利商店的綠能店鋪改造計畫,尋找更有效的節能方式。

全家便利商店從了解設備的特性開始,一步步的裝設感測器、連接系統、連接設備。協助全家便利商店開發能源管理系統的工研院電能技術組組長梁佩芳表示,全家導入的這套能源管理系統,不只是資料的收集,更重要的是收集資料之後的應用效益,正是物聯網的典型應用。

全家便利商店的綠能店鋪改造計畫從2000年就開始一步步的進行,分為三個階段,第一階段為設備節能,第二階段為操作節能,第三階段才進展到系統化節能。

設備節能上,全家先從舊式耗能設備的汰換開始著手進行節能,包括將耗能較多的定頻冷氣替換成變頻冷氣、舊式燈管更換為瓦數較低的LED燈管等方式。更換節能設備後,全家便利商店開始進一步要求店員進行操作上的節能,要求員工彼此互相提醒、改善作業方式等方法,從隨手關燈等工作習慣上來減少店鋪的用電量。

隨著節能計畫的進行,吳佩書發現,光是從設備和員工行為作法,還是有節能效果上的瓶頸,要實現大規模的節能效果還是很有限。因此全家便利商店開始考慮系統化節能的概念,導入工研院所研發的能源管理系統,來進行更進一步的系統化節能。

突破以往節能方式,透過能源管理系統了解每樣設備的用電數

全家便利商店在2006年先選擇6家分店進行小規模示範導入,從中測試系統實際導入的效益與風險。在這些分店中,全家便利商店在每一樣耗能設備中加裝數位電表和機械電表,再透過系統蒐集與分析每一樣設備的總用電數和每一時段的用電數,進而評估從哪項設備著手進行節能的效益會最大。參與這套能源管理系統開發的工研院系統控制研究室工程師曾溫祥表示,從分析中了解店鋪每一樣設備的能源費用,從花費上作切割,找出必要的花費,這是全家便利商店導入系統化節能的第一步。了解設備用電花費之後,就可以進一步開始進行設備溫度的動態控管。

收集感測器資料,自動控管動態環境溫度

全家便利商店觀察發現走入式(Walk-In)冰箱、空調等設備,都有可能因為人員的進出、電動門開關、冰箱門開關等因素而影響了整體環境的溫度,設備也因此常需耗能升溫或降溫,增加電能的消耗。所以全家便利商店先建立能源管理系統的第一層連接,在開放式冰箱、走入式冰箱、空調和室內外環境都加裝溫濕度感測器(Sensor),並連接RS485雙絞線將感測資料回傳至能源管理系統控制器,控制器可再透過RS485雙絞線轉接進入空調設備的通訊介面,自動化設定設備溫度。

能源管理系統可分析感測器所回傳的溫度資訊,整理出不同時段的溫度變化。全家便利商店以48小時作為一個資料分析的區間,讓能源管理系統依照感測器所回傳的48小時內資料,來預測店鋪每段時間內的最適溫度,並自動化設定所需溫度。

舉例說明,能源管理系統分析預測中午12點時間會有大量人潮湧入店家,所以可預先自動調降空調溫度,以適應因人群大量進出而造成的環境失溫問題。梁佩芳表示,過去店家空調溫度只能由店員手動設定,但店員設定溫度不一定精準,人也不一定有時間去做這件事,因此透過系統開發可預測調整時間,並自動化調整溫度,提供消費者最舒適的空調溫度。

目前感測器所收集的資料,除提供48小時溫溼度分析之外,還會在當天透過網路連線傳回全家便利商店總部進行後續應用,這是能源管理系統與總部的第二層連接。吳佩書表示,全家便利商店已累積了近一年的資料,未來可針對區域、商圈、縣市別等要素,客製化每家店的溫度控制。

節電政策標準化後,下一步是節電客制化

過去分店店長只能依照現場狀況或總部政策設定用電標準。導入能源管理系統之後,就能更清楚的了解整間店鋪的用電量狀況,店家可與台電簽訂更適切的契約用電容量,全家便利商店總部也能制定出更節能的用電政策,找到最適合的用電標準。例如總部分析資料後發現店家空調溫度設定在攝氏26度到28度之間,既能達到節省的電能量,也能符合消費者舒適狀態,所以要求店家依此溫度設定。

但對吳佩書而言,只做到總部政策標準化是不夠的,下一步還要因應不同環境進行客制化調整。「一體適用的政策標準是不負責任的」他說,店家需要因環境因素因地制宜,所以透過能源管理系統,針對長時間的研究分析,才能找出每個環境因素所適合的最佳能源控管。這是物聯網應用之前所不能達到的,也是未來全家便利商店所要努力的方向。

設備故障自動預警,顛覆過往維修流程

能源管理系統除走入式冰箱、空調的溫度控管之外,全家便利商店設備工程部設備管理專員鐘國志表示,未來設備的預警功能也將會是能源管理系統的發展重點。

過去店內設備故障,店員必須先撥打維修電話通知報修,並透過電話向保修人員描述設備問題。但對店員來說,店員並非一定擁有設備的專業知識,也並非真正了解需維修的地方在哪,只能單就店員感知現象描述,所以可能發生描述設備問題不精準的狀況。全家發現,這樣的作法對維修人員或店家營運都沒有助益。維修人員到達現場時,往往得從頭進行設備問題評估,再進入維修程序,因而延長了保修時間。

吳佩書表示,設備若加裝感測器即時發現問題,維修人員就能直接得知設備問題,減少由店員判斷的關卡。甚至讓設備發出預警,例如冰箱排水孔積水,那保修人員就只要針對設備問題進行保養動作,而不用等到積水太深、設備真的無法使用時,再來進行維修甚至汰換機器的工作。單就減少店員判斷的關卡來看,感測器實際減少了人員判斷失誤的可能性,進而影響了整個維修流程。

目前,全家便利商店實際導入能源管理系統已經過6年的時間,全家便利商店表示,能源管理系統也由第1代監控每樣設備電能,進展到第2代按鍵式節能介面、第2.5代的觸控式介面。

修改系統版本,讓導入成本更低,更順利

全家便利商店表示,第1代能源管理系統提供觸控式的面板介面,螢幕只提供現場感測資訊,而不開放店員自行操作,這套系統已經導入了56家分店。第2代則改為按鍵式介面,開放部分功能讓店員操控,店員可手動切換設備管理為人員操控或系統自動操控設定溫度。經過店家員工實際使用狀況後,目前最新的2.5代螢幕介面更進一步發展成觸控式介面,不但介面尺寸更小,裝置電箱也能更小、更不占空間。系統的螢幕可以即時顯示感測資訊,員工也能依分店需要而自定溫度政策,手動調整溫度,讓分店溫度設定時,店員也有可依據的管理辦法。

梁佩芳表示,能源管理系統版本的更新,改變的不是其中的管理功能和技術,而是把一個從實驗性的產品,漸漸擴展成可實際部署的商品化系統。經由經驗的累積,慢慢修改成可更輕易導入的版本,包含改採觸控式介面、開放店員手動管理等都為實際建置後才發現的可修改問題。

全家便利商店實際導入能源管理系統的店家數已由2006年的6家測試店,大幅擴增到2011年的1,000家店,目前實際導入的店家多採第2代或第2.5代。曾溫祥表示,原先導入前一代能源管理系統版本的店家並不會因新版本的推出而更換設備,因為基本溫度控管功能並無改變,店家只要視需求再作更換就好。

回顧全家便利商店從2006年導入能源管理系統的狀況,吳佩書表示,一開始實際導入的困難點在於要說服店家自付成本導入尚在實驗階段的能源管理系統,能管系統的實際效益和成果都還未見,店家未必願意跟著總部政策一起推動。此外,全家便利商店在導入初期發現,店家店員和維修人員都缺乏相關知識,工研院和全家便利商店資訊人員必須先花時間向基礎人員進行長時間的教育訓練,導入才能更快上手。

全家便利商店經過實際導入的店家實驗評估之後發現,導入能源管理系統的店家平均可節省近1成左右的電費,如以規模大小為每月2萬元電費開銷的店家來說,一家店每月可實際省下近2,000元的電費,這樣的效益大幅增加了店鋪導入的意願,從2006年6家、2008年56家、現在已有1,000家店實際導入。未來,全家便利商店也計畫在2014年完成全臺2,300多家店鋪的導入,包含從店家的整修、擴店等方式慢慢完成建置。

回頭看全家便利商店的物聯網應用案例,以技術面來說,全家便利商店所用技術也許不是最新的,但對企業來說,實際找到效益才有意義。梁佩芳也表示,企業技術用得新、用得深、用得廣,都不如一句用得好來得恰當。而這也正是從物聯網應用案例,看回全家便利商店的導入,最有效益的原因。

 

導入能源管理系統之前,全家便利商店先在測試店家的每一樣耗能設備上都安裝數位電表和機械電表,來分析每樣設備的時段用電量和總用電量,因此一家店就會有好幾個電表。

 

能源管理系統架構圖

感測器透過RS485雙絞線連接能源管理系統,能源管理系可再透過RS485雙絞線轉接連回空調、走入式冰箱通訊介面。另外,能源管理系統也連接網路將感測資料回傳全家總部。

 

全家便利商店各種感測裝置的位置

全家便利商店在 1 開放式冰箱、 2 走入式冰箱、 3 室內、 4 室外、 5 空調、 6 招牌燈等都裝有感測裝置感測資料,另外店家電表內也會裝置 7 智慧電表收集店家總用電數。

 

 

 

 

 

 

 

全家能源管理系統各代比較

能源管理系統從建置以來,已發展出第1代、第2代、第2.5代三種版本。每一代改變的不是能源管理系功能上的更新,而是從使用者經驗、工研院與全家便利商店的開發經驗中,修改每一代的系統介面和建置成本,讓店家導入更順利。

第1代能源管理系統介面採觸控式工業電腦介面,螢幕提供即時的感測資料,不開放員工手動操控。

 

第2代能源管理系統介面改為按鍵式介面,開放部分功能讓店員操控。員工可切換設備裝置為系統自動操控或員工手動操控。

 

第2.5代能源管理系統綜合前2代優點,介面改回觸控式介面,但螢幕介面更小。螢幕同樣可即時顯示感測資訊,也開放部分功能讓現場員工操作。(照片提供/全家便利商店)(照片提供/工研院)

 

每一代能源管理系統電箱內部都需裝置能源管理系統控制面板和智慧型電表。

 

精準感測與教育訓練是成功關鍵

工研院電能技術組組長梁佩芳認為,企業導入物聯網應用的首要條件要從了解導入目的開始。因為物聯網的技術很多、企業擁有的設備也很多,必需先釐清所要達到的目的為何,企業導入物聯網應用的下一步才會順利。其中的前置作業從設備的了解開始,經過分析研究後,才能進一步的知道感測器要如何使用。

梁佩芳表示,對企業來說,減少感測器的使用數量,就為減少建置成本的第一步。而要減少感測器,就要從精準設置最有效益的感測器著手。以全家便利商店的例子來看,梁佩芳認為,全家便利商店導入物聯網應用能成功的原因就在於感測器使用的夠精準。全家便利商店先針對用電設備作評估,包括用電大小、用電狀況等作分析,找出設備間的關聯性或獨立性,來評估感測那個設備的效益會是最高。因此,全家便利商店在兩年內就回收成本,歸功於建置前的研究分析和精準的設置目標感測器。

梁佩芳也進一步指出,未來感測器可增加運算功能,感測器之間先運算出系統所需資訊之後再傳回系統,減少系統的負荷量。雖然對企業來說成本會增加,但只要目的設得夠精準,就不怕沒有效益。工研院電能技術組經理林政廷甚至認為,未來不需要裝置實質感測器就能收集到所需資料,舉例能源管理系統只要知道總用電數,就能透過系統分析運算出每一樣設備的用電量,「而這就是軟體的力量。」林政廷說。

除了精準建置感測器外,工研院系統控制研究室工程師曾溫祥則表示,另一個成功關鍵是,企業導入物聯網應用之前必須先做好員工內部的教育訓練,技術門檻要先跨入,才得以因應資訊系統所帶來的工作流程改變。

例如,全家便利商店導入能源管理系統成功的原因在於維修團隊的教育訓練做得好。全家便利商店在全臺北、中、南都設有專屬的維修團隊,以應付遍佈全臺的分店需求。過去維修團隊人員對於資訊設備的知識太少,全家便利商店必須先花時間教育訓練,不管是裝置能源管理設備前的安裝、接線等,到事後線路、設備的維修等,全家便利商店都必須先跨過很大的門檻才能導入成功。

工研院電能技術組經理林政廷(左)、電能技術組組長梁佩芳(中)、系統控制研究室工程師曾溫祥(右)與全家便利商店合作開發能源管理系統。

 


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