硬體實作部份

第四章研究結果

4.1 系統實作

4.1.1 硬體實作部份

在第三章的圖 3.6 盤面配置圖 P-04 中，我們已經呈現出硬體實作部份，並以 CAD 圖面的形式展現其規劃硬體配置方式。以電腦模擬盤面配置的好處如下：

1.

電腦繪製的圖形是以檔案的形式儲存，可以很容易的將其保存、

複製、修改，不須真正的製作成品，在設計變更時，以電腦修改即可，等到確認無誤後，才製作成品。如此一來，可以節省實體成品反覆製作的費用。

2.

電腦繪圖軟體所提供的各種特殊工具，例如圖形放大、縮小、分割、更改顏色、更換位置、複製同元件、陣列擺放…等，都可輕易、快速的完成，不浪費時間而有效率。

3.

特殊的繪圖軟體，例如 Autocad electrical、EPLAN P8、Engineering

base…等，還可以根據參數，自動生成線號、自動連結物件、自

動生成採購元件報表清單、自動生成端子台配置…等。加速設計流程、減少人為的錯誤發生率。

4.

繪製出的圖形，可以在各種軟體中，相互應用。例如：利用 E-mail 寄出檔案，與國外技師交換資訊或意見；利用已繪製好的檔案，

放置在監控系統畫面中，明確的指示數據採集的位置…等。像這樣一物多用，不僅可以節省支出，亦可節省時間。

基於上述各項優點，在此次研究設計時，我們亦先採用電腦繪圖的方式，陳設各式電氣元件，以最小的設計空間，達到最大的放置效果，不會太擁擠，也不會太寬鬆。同時，也可以考量電磁干擾問題，

在電腦模擬的情況下，陳設出最好的環境，減少干擾的發生率。在陳設佈置完成後，就可以訂定出，電氣元件固定底板的尺寸，達到最小的支出，最大的空間利用率。當然，在設計時，還要預留部份的擴充空間。擴充空間的重要性在於，初始設計時，可能有考量不足的地方，

或是客戶端提出增設功能元件…等，都會造成擴充的電氣元件須要放置，此時預設的擴充空間就發揮效益。但是，擴充空間也不可太過，

亦會造成資源的浪費，這都是系統設計時，須考量的部份。

綜合上述觀點，以 CAD 先行模擬設計，實為上上之選。而在第

三章的圖 3.6 盤面配置圖 P-04 中，我們已呈現出規劃設計的圖面，而實踐成果，如圖 4.1 電氣控制盤實體設計所示。當中所考量的各種觀點，例如：安全電氣元件選用、安全線徑設計、干擾防制、線號編制規則…等，已於 3.1.1 節中詳述，在此就不在綴述。將圖 4.1 與圖 3.6 實際比較後，可能會有些許元件的陳設位置，有一點位置的偏差，但相似率幾乎可達 99％。至於些許元件位置有所偏差的原因在於，那些元件無關乎功能的影響，為加速實體製作的速度，有些許的偏差，

是可接受的範圍。

圖 4.1 電氣控制盤實體圖

4.1.2 軟體實作部份軟體實作部份軟體實作部份 軟體實作部份

在軟體實作部份，我們先介紹資料收集器的程式開發成果。在表 3.5 中，我們已定義出 DO 資料接收方式為 Modbus TCP、BOD 資料

接方式為 Analog(4~20mA)、SS 資料接收方式為 Modbus Serial RTU。

在圖 4.2 中，此段程式就是展現以 Modbus TCP 接收資料的方法。說明如下：

1. Pt 為 PLC 的通訊埠號，此案 Server PLC 為第 1 站，Slave PLC 為

第 10 站

2.

由 Server PLC 的 Port2 讀寫 Slave PLC，所以 Pt 設定為 2

3. Server PLC 的 CBEH 設定：192.168.0.40 - Port 502

4. Remote PLC 的 CBE 設定：192.168.0.41 - Port 502

5.

讀取 400011 連續 5 個位置給 R100~R104，R110 DO 測值、R111 DO 警報、R112 資料模擬器 TCP 通訊存活旗標

圖 4.2 Modbus TCP 資料接收程式

在圖 4.3 中，此段程式就是展現以 Analog(4~20mA)接收資料的方法。說明如下：

1.

欲讀取 4~20mA 轉變為 0~100.0 mg/L

2. R90 等於 AD 讀取的 BOD 類比值；R80 為類比訊號轉換的最小值，

也就是 1628；R81 為類比訊號轉換的最大值，也就是 8175；R82

為欲轉換的最小值，也就是 0；R83 為欲轉換的最大值，也就是

1000

3. R120 方程式 LCNV(線性比例轉換)轉換後的 BOD；R3840 為 AD0

的輸入的電流轉換值

4.

線性比例轉換公式為：(R80-0)/(R81-R80)=(R120-0)/(R83-R82)

圖 4.3 Analog(4~20mA)接收資料程式

在圖 4.4 中，此段程式就是展現以 Modbus Serial RTU 接收資料的方法。說明如下：

1.

由 Server PLC 的 Port3 讀寫 Slave PLC，所以 Pt 設定為 3

2. Server PLC 的 Port3 設定：19200,n,8,1 永宏通訊協定 3. Remote PLC 的 Port4 設定：19200,n,8,1 Modbus Slave

4.

讀取 400031 連續 5 個位置給 R130~D134。R130 SS 測值、R131 SS 警報、R132 資料模擬器 Serial 通訊存活旗標

圖 4.4 Modbus Serial RTU 資料接收程式

在 3.1.2 節中，我們提到將兩個警報狀態以一個 Word 傳送，而這個 Word 的最後兩個位元代表主機警報、超限警報，接下來的程式就是要進行解析。展現其解析方法，如圖 4.5 所示。此圖為 DO 警報解析方式，而 BOD、SS 的解析方式相同，不再綴述。

圖 4.5 警報狀態解析程式

完成資料收集器的軟體開發後，接下來要進行的就是主控伺服器的監控程式開發。在第三章的 3.2.3 小節中，我們已測試過資料如何回到主控伺服器。其核心部份，就是採用 VxComm 技術，配合 VxServer 軟體於遠端電腦虛擬出相對應的串列埠，建立資料傳輸通道，完成資料傳遞任務。當資料以透過虛擬通道，傳送到主控伺服器後，此時要將資料封包接收並解讀到主控伺服器，就須要另一個中介的軟體。其主要任務是收集封包、解碼，以及接受主控伺服器的指令，編碼、傳送封包。

因此，接下來我們要就建立中介軟體的環境及設定。首先，如圖

4.6 所示。我們要先建立通訊參數，其關鍵的參數，如下所示：

6. Primary Channel：設定目前要被讀取、寫入資料的資料收集器通訊

參數。包含 Comm(資料收集器目前連結至電腦的 Com port 位置)、

Baud Rate(資料收集器目前對外連結的速度)、Data Bits(資料收集

器單次傳送的位元總數)、Stop Bits(資料收集器單次傳送的停止位元數)、Parity(資料收集器目前的同位元檢查形式)…等參數。在 2.2 節中，我們有提到非同步串列傳輸的方式，而本研究亦是以此法通訊，此為重要關鍵參數，如果設定錯誤，資料的交握，一定會失敗。

7. RTS、DSR、CTS、DTR 設定，此為資料傳遞的命令接收規則定義。

依據 TIA-232-F 的定義，當硬體交握方式，符合此設定須求時，在軟體交握定義中，也須配合設定。而 TIA-232-F 在 2.2.1 節中，也已提及，在此就不再綴述。

8. Channel Setup：設定資料收集器目前的 Modbus 通訊格式種類，例

如 RTU、ASCII。通訊的主從式定義，例如 Master、Slave。在本研究中，我們採用 Modbus 串列通訊的 RTU 模式，在主控伺服器中，其角色必然是主從式的架構中的”主”。至於要如何分別 RTU、

ASCII，在 3.2.1 節中已詳述，在此就不再綴述。

Backup Channel：這個部份可以說非常重要，但在本研究中，我們

暫不採用，因為此部份並非本研究的重點。Backup，顧名思義即

為備援。備援指的是，當資料收集器故障了，那麼現場端的資料就無法反應到主控伺服器當中。對於，相對重要性極高的監控系統，此部份當然至為重要。舉個例子，假設有一個核電廠的反應爐溫度監控系統，其資料收集器故障了，導致現場核反應爐在溫度太高的情況下，技術人員無法得知，造成核反應爐高溫爆炸，

其影響之大，不用言語。因此，像這類至為重要的系統，就一定要有備援系統，也就是主站資料收集器故障時，還有副站資料收集器可以反應現場資料到主控伺服器上。如此一來，才可萬無一失。

圖 4.6 資料收集器 COM 埠通訊參數建立

接下來我們建立的是通訊區塊。Modbus 的通訊區塊長度，依各家製作的電氣產品，而有所不同。其通訊區塊，可以從數百點，到數萬點，範圍之大，難在同一時間，完成所有通訊點位資料的讀取。因此，就要先定義資料收集器與主控伺服器之間的通訊區塊，縮短通訊時間，達成快速通訊完成的目的。如圖 4.7 所示，通訊區塊的關鍵參數，如下所示：

1. I/O Address Setup：此項目是設定資料收集器通訊區塊的起始位址 (Starting Address)、結束位置(Ending Address)、資料長度(Address Length)。資料長度越長，完成通訊所須的時間也越長，反應現場

監控數值的頻率也會相對的慢。因此，只須設定所須的範圍即可，

切勿太過。

2. Deadband：設定資料收集器通訊區塊，暫存器的值的不更新區。

假設，當前的暫存器的值為 10，Deadband 設定為 2，那麼在暫存器的值為小於 8 或大於 12 的情況下，暫存器的值才會改變。這個變數，也叫做不反應區。通常用在資料收集器收集到的量測值變動率太小時，想忽略量測值的變化而使用此功能。

3. Polling Setup：設定向資料收集器讀寫資料的時間間隔，也就是多

久讀寫一次。因為本研究僅有一台資料收集器，所以只要設定

Primary Rate，Secondary Rate 是備援機讀寫資料的時間間隔設定

值，因此不用設定。

4. Phase：設定向資料收集器讀寫資料的順序，不設定時，會全部一

次性的讀取。當資料流量太大時，會造成通訊異常的現象。

5. Access Time：當主控伺服器停止向資料收集器讀寫資料且超過 Access Time，那麼中介軟體將不再向資料收集器讀寫資料。

6. Datatype：設定向資料收集器讀寫資料的類型，常用的有下列幾

種。Float 是 32 位元的浮點數，以 2 個 16 位元的資料來呈現；Digital 是 1 位元的資料，狀態就是 0 與 1 兩種；ASCII 是字串資料，以 1 個 16 位元資料，可以解析為兩個字；Long 是不帶符號的 32 位元資料，以 2 個 16 位元的資料來呈現。

7. Data Block Setup：Disable Outputs 是設定禁止寫出 Digital 型的資料到資料收集器；Latch Data 是設定重新讀取資料收集器的資料前，保留最後一個值；Enable Block Writes 是設定可以讀寫資料到資料收集器，不論是那一類型的資料皆可。此三種功能，可依實際須求而選用。

圖 4.7 資料收集器 Modbus 的通訊區塊的關鍵參數設定

4.2 研究成果研究成果研究成果研究成果

在前述所有章節中，我們已完成廢水監控系統的軟體相關設定及硬體相關設計。接下來我們就要展示廢水監控畫面開發成果，其階層關係如圖 4.8 所示。說明如下：

1. 主畫面：此頁展示出主題、設計者訊息、系統開發日期等，如圖

4.9 所示。

圖 4.8 廢水監控系統架構

圖 4.9 廢水監控系統-主畫面

2.

監測畫面：主要畫面。監視即時量測點資訊、展示即時警報、測點異常警示，如圖 4.10 所示。

圖 4.10 廢水監控系統-監測畫面

3.

趨勢圖：查尋量測結果，以報表方式呈現，並可呈現趨勢圖。

◎查詢條件搜尋：根據查詢條件框內的選項設定，按下此鈕後，

會依設定條件列出所須之報表。

◎清除查詢條件：按下此鈕後，會將查詢條件框內的選項設定，

全部清除。

◎報表列印：按下此鈕後，會將查詢條件框內的選項設定，列出所須報表後，開啟報表轉存或列印管理畫面，如圖 4.11 所示。

其轉存檔案類型為 WORD、XLS、HTML…等。

◎趨勢圖展示：依照查詢條件框內的選項設定，呼叫出趨勢圖展示或轉存管理畫面，如圖 4.12 所示。其轉存檔案類型為 BMP、

JPG、PNG、GIF、TIF…等。

◎監測值區間：設定欲查詢的監測值範圍。

◎選擇日期區間：設定欲查詢的記錄檔日期範圍。

圖 4.11 廢水監控系統-報表轉存或列印管理畫面

圖 4.12 廢水監控系統-趨勢圖展示或轉存管理畫面

4.

參數設定：主要用要設定每個監測點的警報高限或低限值，如圖

4.13 所示。

圖 4.13 廢水監控系統-高限或低限警報設定畫面

5. 功能測試：此頁面主要用於測試遠端資料收集器或資料模擬器，

是否可以接收到主控伺服器的命令。當按下資料收集器 ON 指令後，Status 燈會閃爍，資料收集器的 OUTPUT 燈號，會交互閃爍。

當按下資料收集器 OFF 指令後，Status 燈會停止閃爍，資料收集器的 OUTPUT 燈號，也會停止交互閃爍。資料模擬器，也是相同的測試方式。其控制畫面，如圖 4.14 所示。

圖 4.14 廢水監控系統-資料收集器及資料模擬器測試畫面

6. 登入、登出：登入系統時，如圖 4.15 所示，選擇使用者名稱及輸入密碼，按 OK，後即可登入。登入後，登入者為誰，會顯示在監控系統右上角處。按下登出後，即回復到 GUEST 帳號。此功能是

在文檔中使用3G第三代行動通訊技術於無線監控系統之研究-以工業區廢水排放無線監控為例 (頁 88-0)

第四章 研究結果