第二章 文獻回顧
2.4 類比訊號
類比訊號是利用對象的一些物理屬性來表達、傳遞信息。例如，
非液體氣壓表利用指針螺旋位置來表達壓強信息。在電學中，電壓是 類比訊號最普遍的物理媒介，除此之外，頻率、電流和電荷也可以被 用來表達類比訊號。任何的信息都可以用類比訊號來表達。這裡的信 號常常指物理現象中被測量對變化的響應，例如聲音、光、溫度、位 移、壓強，這些物理量可以使用感測器測量。類比訊號中，不同的時 間點位置的信號值可以是連續變化的[16]。
工業應用上普遍需要量測非電物理量信號，如溫度、壓力、速度、
角度等等。往往這些非物理量的信號會透過感測器轉換成電物理量的 信號，如電流、電壓、功率、頻率等。而這些量化信號些需再轉換成 標準數位通訊訊號或是類比電信號才能傳輸至幾十米甚至幾百米外 的監控中心或儀錶上。
這類將物理量信號轉換成類比電信號的裝置稱為傳送器，在工業 上，廣泛採用的標準類比傳輸電信號是分別為 DC 0~5V、DC 0~10V 、
DC 0~20mA、DC 4~20mA，而其中以 4~20mA 最為常見。
採用 4~20mA 傳送信號的原因是其不容易受干擾、電流源的併 聯內阻無限大且導線串聯電阻在迴路中不影響信號的精度，故在普通 雙絞信號線上可以傳輸數十米。電流信號處於正常操作時不會低於
4mA，此設計規範主要是為了能檢測出傳輸線的斷線狀態。因為當迴
路因故障而斷路時，環路電流會降至 0mA，故常以 1.5mA 的電流 作為斷線警報值；而信號最大為 20mA 則是因為工業安全上的防爆 要求，因為 20mA 的電流迴路斷線後產生的火花能量不足以引燃氣 體燃料[17]。類比訊號的主要缺點是它總是受到雜訊的影響。信號被多次複 製，或進行長距離傳輸之後，這些隨機干擾的影響可能會變得十分顯 著。通常可使用屏蔽線接地及屏蔽雙絞線，可以在一定程度上緩解這 些負面效應。另一種常見的干擾為共模干擾，如圖 2.5 所示，二組類 比訊號，其電源負端，在 PLC 內部是共通的，此時就會發生共模干 擾。其解決的方式為電源負端必須各自獨立。
圖 2.5 共模干擾產生示意圖
2.5 可程式控制器可程式控制器可程式控制器可程式控制器 PLC
可程式控制器的興起，源自於美國現代工業自動化生產發展的要 求。PLC 源起於 1960 年代，當時美國通用汽車公司，為了開發新穎、
美觀、安全及舒適的汽車，因而必須時常調整工廠生產線。當時，生 產線皆為繼電器順序控制系統，為了達成安全互鎖邏輯控制，必須完 全依靠眾多的繼電器、定時器以及專門的閉迴路控制器來實現。它們 體積龐大、有著嚴重的噪音，不但每年的維護工作要耗費大量的人力 物力，為調整產線而修改時，更是費時費力[18]。
為了解決這些問題，美國通用汽車公司在 1968 年向社會公開 招標，要求設計一種新的系統來替換繼電器系統，並提出了著名的
「通用十條」招標指標，指標如下：(1) 編程方便，現場可修改程 序(2) 維修方便，採用模塊化結構(3) 可靠性高於繼電器控制裝置(4) 體積小於繼電器控制裝置(5) 數據可直接送入計算機(6) 成本可與 繼 電器 控 制 裝 置競 爭(7) 輸 入 可 以是 交流 115V(8) 輸 出 為 交流
115V，2A 以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等(9)
在擴展時，原系 統只要很小變更(10) 用戶程序存儲器容量能擴展。根據上述須求，美國數字設備公司（DEC），於 1969 年研製成功了第一台 PDP-14 控制器，並在汽車自動裝配線上使用並獲得成功。之後，美國
MODICON 公司亦發表了類似的控制器 084[19]。
2.5.1 PLC 架構及組成單元架構及組成單元架構及組成單元 架構及組成單元
各公司設計之 PLC，架構皆有些許不同，但其主要架構大致如 圖 2.6 所示：
圖 2.6 PLC 架構圖 PLC 組成單元描述
1.
程式書寫器：主要用於程式輸入及修改、程式執行、程 式狀態監控、環境設定…等。2.
輸入介面電路：用來偵測外接之各種輸入裝置，例如開 關、按鈕、Sensor 等輸入裝置的 ON/OFF 狀態。3.
中央處理單元(CPU)：CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 的系統程式賦予的功能接收並儲存用戶程式和資料，用 掃描的方式採集由現場輸入裝置送來的狀態或資料，並 存入規劃的暫存器中，同時，診斷電源和 PLC 內部電 路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。4.
記憶體單元(1) 唯讀記憶體(ROM)：儲存系統的作業程序、監督程
式或各種系統參數，其內容將不會因斷電而更改。(2) 隨機存取記憶體(RAM)：儲存用戶程式，儲存容量
以字元為單位，用鋰電池作為備用電源，停電時用 以保存程式內容或數據。5.
電源：小型 PLC 大都用內藏式電源，大型 PLC 通常須 要獨立電源模組。6.
輸出介面電路：用於驅動相對應之各種輸出裝置，例如 指示燈、電磁閥、電磁接觸器(MC)。7.
擴充模組(1) I/O 模組：數位輸入、輸出點。輸入點可將外部
SENSOR ON/OFF 訊號，轉入 PLC 內部讀取 0/1 的
變化。輸出點可驅動外部 MC、RELAY、LIGHT 的
ON/OFF 狀態。
(2)
類比模組：Analog input 與 Analog output，簡稱 AI 與 AO。AI 是將外部連接的儀錶或控制器輸出之類 比訊號轉換進 PLC 內部成為數位訊號。AO 是將PLC 內部的數位訊號轉換直流電流或電壓，來控制
外部的控制器。(3)
定位模組：精確、快速的伺服馬達定位控制功能，位置精度可達微米以內，可進行頻繁的啟動停止，
而且位置不偏差。
(4)
通訊模組：用來和外部控制介面 HMI 或電腦通訊 用，通常指的是 RS232、RS422、RS485、Ethernet…等通訊模組。
(5)
溫度模組：將外部連接的熱電耦訊號轉換為 PLC 內 部成為數位訊號，可量測範圍-200℃~800℃之間。2.5.2 PLC 編程語言編程語言編程語言 編程語言
根據 IEC 於 1993 年 12 月制定的 PLC 國際標準 IEC_61131，定 義了五種不同的程式語言，本研究採用了 LD 及 FBD 兩種編程方 式。而 IEC 定義的五種不同的程式語言描述如下。
1. 指令集(Instruction List,IL)：一種低階語言，它是由布林代數式及 基本邏輯加以演變而來，包括 AND、OR、NOT、計時器、計數 器、四則運算、比較…等，一些便利的指令。其形式如下圖 2.7 所示。
圖 2.7 Instruction List 示意圖
2.
階梯圖(Ladder Diagram,LD)：目前最為廣泛使用的語言，將機械 動作順序的控制迴路，直接轉化成 PLC 內部符號串並聯後，結 果輸出於內部線圈，再驅動外部線圈，達到控制的功能。其形式 如下圖 2.8 所示。LD X0
OR
Y0
ANB
X2
OUT
Y0
圖 2.8 Ladder Diagram 示意圖
3.
功能區塊圖(Function Block Diagram,FBD)：程式語言先行定義功 能方塊功能，只要輸入、輸出放入連結，即可達成定義的控制功 能。例如圖 2.9 其 FBD 功能就是將 R0 記憶體內部值，經過線性 轉換公式，將其數值轉出後，儲存至 R100 記憶體內。使用 FBD 可節省許多程式開發的時間，因為 FBD 重覆呼叫。圖 2.9 Function Block Diagram 示意圖
4.
結構化文字(Stuctured Text,ST)：一種高階語言，PLC 可透過資 料通訊網路與 PC 連線操作，以執行工作程序或整個系統的圖形 監控。其形式如下圖 2.10 所示。圖 2.10 Stuctured Text 示意圖
5.
時序流程圖(Sequential Function,SFC)：將機械動作步驟一步一步 分解成順序功能流程圖，再依流程圖順序控制。具有編程容易、故障檢修方便等優點。其形式如下圖 2.11 所示。
圖 2.11 Sequential Function 示意圖
if (motor speed <= motor.s_max) then
out_motor = true;
motor.alarm = false;
else
motor.alarm = true;
end if;
第三章
DIAGNOSTIC
& Process
Monitoring
間快、節省成本、移交簡單容易、更換新品無須再開發新的程式。只 須定義出通訊表，任何人都可以輕易的接手，不會再受限於原廠商的 制式規範內。如附錄 A 通訊表定義所示，每個水污染參數都其定義 的 位 置 ， 任 何 人 都 可 以 依 據 TIA/EIA-485-A 的 線 路 接 線 定 義 及 Modbus-IDA 組織的 Modbus Protocol 規範，輕鬆、快速的完整資料 整合。
為了達成本研究監控系統的完整性，我們將採用資料模擬器替代 DO、BOD、SS 的水污染量測儀器，如圖 3.1 所示。研究重點將會放在 資料採集的方法呈現，提供如何快捷、便利的建置廢水監控系統。
為了方便檢視監控系統的完整性，必須依循著監控系統設計流程
圖，如圖 3.2 所示，我們將步驟 1~9 主要功能及方法描述於下：步驟 1.硬體選用及架構規劃：在硬體選用方法，必須注意選用的 硬 體 是 否 符 合 監 控 須 求 規 範 內 。 例 如 ， DO 的 量 測 範 圍 須 求 為
0~10mg/l，精度須為 0.1mg/l，那麼選用的 DO 量測儀，就必須符合
量測須求範圍內。所以，每樣硬體的選用都必須符合監控須求規範。而架構規劃，亦即資料收集的架構圖，如圖 1.1 所示，將架構圖規劃 完成後，可輕鬆檢視採購的物件清單是否有遺漏，又或者是於新人接 手時，可輕易的瞭解完整的架構。對於維修人員，更可以加快維護點 的尋找與判斷。
步驟 2.電氣安全/控制迴路設計：主要是電氣安全設計重點，例 如安全電流的計算，選用適合線徑的導電線；主、副迴路保險絲的選 用；電磁干擾、雜訊、共模干擾、EMI、串音干擾的預防設計；符合
CNS、CE 認證的電氣產品選用…等。這個部份將於 3.1.1 節中詳述。
步驟 3.電氣配盤線及外部線路施工：這個部份主用的重點在於電 氣配線施工，可分為盤內及盤外。盤內施工，必須依照電氣迴路設計，
如圖 3.3~3.5 所示，所有電氣迴路，必須選用圖上所指示的導線線徑。
其它配線規則，也必須依照電工法規的規定。例如：導線線色的選用，
黑色為動力用交流電、黃色為控制用交流電、藍色為控制用直流電、
綠色為接地線。每一條導線的兩端，亦須壓接 Y 型或 O 型端子，也 必須加上線號的絕緣套管，除了可避免觸電危險外，在維護人員查修 時，會更加的方便。而外部線路施工，最為重要的是導線線路的防護 配置，導線外部須設置 PVC 管或 EMT 管，依照環境來配置，若現場 環境不會受風吹日晒雨淋的影響或是人為機械的受壓破壞，可用 PVC 管，反之就必須使用 EMT 管，以確保導線不會損毀。
步驟 4.電氣迴路短路、漏電測試：這個部份在盤內配線完成後，
送電至盤內之前，必須先以三用電表量測每一主、副迴路是否有接線 短路的現象，以確保送電之後，不會有電氣裝置，短路燒毀。再以高 於輸入電壓 1.5 倍的高阻計測量漏電狀態，將電壓加在電極 Line 與外 殼 Ground 或接地間，此時高阻計內部之電路會自動算出絕緣電阻值, 一般約需 1 百萬歐姆(1M)以上，其值越大表示絕緣材料越佳，越難以 有高漏電量。但高壓設備則要使用直流高壓介質吸收儀器，該儀器有 二個錶，一個為所加電壓值，另一為流經被試物之洩漏電流值，依當 時所加之高壓，除以測得之洩漏電流(Leakage Current)值，即得絕緣 電阻，若再乘以溫度換算係數，一樣可判定該設備之絕緣材料特性良
送電至盤內之前，必須先以三用電表量測每一主、副迴路是否有接線 短路的現象，以確保送電之後，不會有電氣裝置，短路燒毀。再以高 於輸入電壓 1.5 倍的高阻計測量漏電狀態，將電壓加在電極 Line 與外 殼 Ground 或接地間，此時高阻計內部之電路會自動算出絕緣電阻值, 一般約需 1 百萬歐姆(1M)以上，其值越大表示絕緣材料越佳，越難以 有高漏電量。但高壓設備則要使用直流高壓介質吸收儀器，該儀器有 二個錶，一個為所加電壓值，另一為流經被試物之洩漏電流值，依當 時所加之高壓，除以測得之洩漏電流(Leakage Current)值，即得絕緣 電阻，若再乘以溫度換算係數，一樣可判定該設備之絕緣材料特性良