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

SAWANG SAWANG SAWANG SAWANG

大華科技大學

機電工程研究所

碩士論文

使用

使用

使用

使用 3G 第三代行動通訊技術於無線監

第三代行動通訊技術於無線監

第三代行動通訊技術於無線監

第三代行動通訊技術於無線監

控系統之研究

控系統之研究

控系統之研究

控系統之研究-以工業區廢水排放

以工業區廢水排放

以工業區廢水排放無線

以工業區廢水排放

無線

無線

無線

監控為例

監控為例

監控為例

監控為例

The use of 3G third generation mobile

communications technology in the

wireless monitoring system

-Using Wireless monitoring of the

wastewater discharge of the industrial

zone as an example

研 究 生：洪家傑

指導教授：韋孟育 博士

鄭時龍 博士

中華民國 102 年 7 月 15 日

使用

使用

使用

使用 3G 第

第

第三

第

三

三

三代行動通訊技術於無線監控系統之研究

代行動通訊技術於無線監控系統之研究

代行動通訊技術於無線監控系統之研究-以

代行動通訊技術於無線監控系統之研究

以

以

以

工業區廢水排放無線監控為例

工業區廢水排放無線監控為例

工業區廢水排放無線監控為例

工業區廢水排放無線監控為例

The use of 3G third generation mobile communications

technology in the wireless monitoring system

-Using Wireless monitoring of the wastewater discharge

of the industrial zone as an example

研 究 生：洪家傑 Student：Chia-Chieh Hung 指導教授：韋孟育 博士 Advisor：Dr.Meng-Yu Wei 鄭時龍 博士 Dr. Shyr-Long Jeng 大華科技大學 機電工程研究所 碩士論文 A Thesis

Submitted to Institute of Electro-Mechanical Engineering Ta Hwa University of Science and Technology

in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Science in

Electro-Mechanical Engineering July 2013

Hsinchu, Taiwan, Republic of China.

中文

中文

中文

中文摘要

摘要

摘要

摘要

水資源是全球最重要的資源之一，但水污染卻日益嚴重，造成生 物鏈平衡被破壞。在科技日新月異的今日，雖然帶來了無限的生活便 利，但也同時造就工業廢水污染的問題。通常，廢水排放集中區，都 在人煙稀少之處，在現場放置分析儀器，所得到的分析數據，根本無 法回傳至環境保護中心。 本研究的重點，在於使用有 Modbus 工業用通訊協定的 PLC 當成 資料收集器，而現場水質分析儀的角色就是資料模擬器，由資料收集 器接收資料模擬器的資料，再利用現今的 3G 行動通訊技術，將現場 採集的資料，透過蜂巢式網路技術，回傳到環境保護中心。將建置在 工業廢水的集中區的水質品質分析儀，以 24 小時定時採集樣本的模 式，採集並回傳，做到滴水不漏的廢水監測。此種方式，同時亦可加 強工業廢水分析的可信度及效率，亦可立即的反應結果給予環境保護 機關，降低工業廢水的污染問題。進一步，亦可要求工廠，對於工業 廢水污染超標問題予以改善，甚至是再回收利用的可行性評估。 關鍵字：工業廢水污染、Modbus、3G 行動通訊、圖形監控系統

Abstract

Water is one of the most important resources in the world; however, water pollution is increasingly serious and damages the balance of the food chain. The ever-changing technology of nowadays not only makes life infinite convenience, but also industrial wastewater pollution. In general, the concentration area of the wastewater discharge locates in sparsely populated place. To set up the analytical instruments in this kind of area, it is impossible to transfer the analytical data back to the Environmental Protection Center.

This study focuses on using the PLC of industrial communication protocol Modbus PLC as a data collector. The role of the on-site water quality analyzer is data simulator and the data collector receives data from the simulator. Furthermore, using the cellular network technology of the current 3G mobile communications technology transfers the collected data back to the environmental Protection Center. To set up the analyzer of the water quality in the waste water quality concentration area, samples are collected in 24-hour timer mode, and collect and return, is a fail-safe monitoring. Meanwhile, this can not only enhance the credibility of industrial wastewater analysis and efficiency, but also reduce the problem of industrial waste water pollution by giving the result of the reaction to the environmental protection agencies immediately. On the other hand, we can also ask the factory to improve the issue of industrial wastewater pollution over the limit or even do the evaluation of the possibility for reclamation and recycling.

Keyword：Industrial wastewater pollution, Modbus, 3G mobile

誌謝

誌謝

誌謝

誌謝

時光飛逝，歲月如梭。這兩句話，百分百貼進我現在的心情。兩 年前，我第一次踏進校園，是為了繳交碩士專班報名資料，接下來就 是口試。我還記得，韋主任、曾主任與我面試時，問我的每一句話， 這份情境，恍如昨日，歷歷在目。到今日，也兩年過去了。這兩年， 我最大的收穫，就是增進好多的見識。記得一年級的書報討論，韋主 任常常邀請業界成功人事或是學界學術成就非凡的學者，到班演講， 每每讓我驚異。驚異這兩個字，各位是否會覺得過於誇大，但對我而 言，心境確實如此。我常常聽到驚呼連連，與此同時，我都會告訴自 己，來讀碩士，這個選擇，真的是做對了。 而這兩年雖然收穫良多，但也是異常的辛苦。在白天工作，晚上 還要修學分的情況下，我幾乎體力透支。常常在上課時，眼皮都不聽 使喚的掉下來，但我總是很努力的支撐住。所幸，學校的老師大都能 體會學生的辛苦，沒有給學生太多的責難，學生真的是感激在心。除 了要感謝每位給與學生指導與體諒的教授外，更要感謝孟育主任與時 龍老師給與學生論文的指導，沒有老師們的處處提點，學生無法完成 這項如此艱巨的課題。 當然，家人的支持，也是我最大的動力。記得媽媽、老婆總是貼 心的幫我準備，一切生活所須。總是留給我全部的時間，讓我專心的 完成學業。為了不讓我操心，她們把一切家務都承擔下來了。我甚至 都忘了，上一次帶家人出遊，是什麼時候了。但是，她們從來沒有怨 言，謝謝妳們的支持我。 家傑 謹誌

目錄

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頁數 中文摘要... Ⅰ 英文摘要... Ⅱ 致謝... Ⅲ 目錄... Ⅳ 圖目錄... Ⅶ 表目錄... X 專有名詞中英文對照表... Ⅻ 第一章 緒論... 01 1.1 研究背景與動機... 01 1.2 研究目的... 03 1.3 研究方法... 06 第二章 文獻回顧... 10 2.1 無線與行動通訊網路技術... 11 2.2 串列通訊... 13 2.2.1 RS-232... 14 2.2.2 RS-485... 15 2.3 工業通訊協定 Modbus 17

2.3.1 Modbus Series... 18 2.3.2 Modbus TCP... 18 2.4 類比訊號... 20 2.5 可程式控制器 PLC... 22 2.5.1 PLC 架構及組成單元... 23 2.5.2 PLC 編程語言... 26 第三章 研究設計與描述... 29 3.1 研究架構... 29 3.1.1 硬體設計重點描述... 36 3.1.2 軟體架構描述... 45 3.2 軟體測試描述... 46 3.2.1 Modbus Serial 通訊測試... 49 3.2.2 Modbus TCP 通訊測試... 57 3.2.3 行動通訊 3G 資料傳輸測試... 62 第四章 研究結果... 69 4.1 系統實作... 69 4.1.1 硬體實作部份... 70 4.1.2 軟體設計部份... 72 4.2 研究成果... 82 第五章 結論與未來研究方向... 89

5.1 結論... 89

5.2 未來研究方向... 92

參考文獻... 94

附錄 A Modbus 通訊定義表... 97

圖目錄

圖目錄

圖目錄

圖目錄

頁數 圖 1.1 廢水監控系統架構圖... 09 圖 2.1 蜂巢網路示意圖... 11 圖 2.2 蜂巢網路 Handover 示意圖... 12 圖 2.3 非平衡型的 RS232 示意圖... 15 圖 2.4 差動平衡型的 RS485 示意圖... 16 圖 2.5 共模干擾產生示意圖... 21 圖 2.6 PLC 架構... 23 圖 2.7 Instruction List 示意圖... 26 圖 2.8 Ladder Diagram 示意圖... 27

圖 2.9 Function Block Diagram 示意圖... 27

圖 2.10 Stuctured Text 示意圖... 28 圖 2.11 Sequential Function 示意圖... 28 圖 3.1 資料模擬器架構圖... 31 圖 3.2 監控系統設計流程圖... 35 圖 3.3 電氣迴路圖 P-01... 36 圖 3.4 電氣迴路圖 P-02... 37 圖 3.5 電氣迴路圖 P-03... 38

圖 3.6 盤面配置圖 P-04... 39 圖 3.7 測值與類比訊號線型比例圖... 48 圖 3.8 3G 行動通訊與 GT-541 的資訊傳送架構... 63 圖 3.9 GT-541 接腳圖... 64 圖 3.10 GT-541 參數設定畫面... 66 圖 3.11 VxServer 參數設定畫面... 67 圖 3.12 VxComm Utility 參數設定畫面... 68 圖 4.1 電氣控制盤實體圖... 72 圖 4.2 Modbus TCP 資料接收程式... 73 圖 4.3 Analog(4~20mA)接收資料程式... 75

圖 4.4 Modbus Serial RTU 資料接收程式... 76

圖 4.5 警報狀態解析程式... 77 圖 4.6 資料收集器 COM 埠通訊參數建立... 79 圖 4.7 資料收集器 Modbus 的通訊區塊的關鍵參數設定... 82 圖 4.8 廢水監控系統架構... 83 圖 4.9 廢水監控系統-主畫面... 83 圖 4.10 廢水監控系統-監測畫面... 84 圖 4.11 廢水監控系統-報表轉存或列印管理畫面... 85 圖 4.12 廢水監控系統-趨勢圖展示或轉存管理畫面... 86

圖 4.14 廢水監控系統-資料收集器及資料模擬器測試畫面... 87

圖 4.15 廢水監控系統-高限或低限警報設定畫面... 88

圖 5.1 iFix 背景程式 VB 語言範例... 90

表

表

表

表目錄

目錄

目錄

目錄

頁數 表 1.1 河川污染等級分類表... 05 表 1.2 重要河川污染指標概況... 05 表 2.1 RS232/RS485 的性能比較... 16 表 2.2 常用 TCP/IP 埠列表... 19

表 2.3 Modbus Protocols and ISO/OSI Model... 19

表 3.1 RPI 值計算用量測儀器參考... 30 表 3.2 花線安培容量(周圍溫度 35℃以下)... 41 表 3.3 主副迴路安培計算... 42 表 3.4 Parts List... 45 表 3.5 軟體傳輸統整表... 46 表 3.6 開發用軟體統整表... 47 表 3.7 BOD 理想測值與實際測值比較表... 49

表 3.8 Modbus Serial RTU 資料格式... 50

表 3.9 Modbus 常用 Function 列表... 50

表 3.10 Modbus Serial ASCII 資料格式... 52

表 3.11 Modbus Serial ASCII 資料封包詳解... 53

表 3.13 Modbus RTU 讀取輸出接點接收封包詳解... 55 表 3.14 Modbus RTU 設定多個暫存器值送出封包詳解... 56 表 3.15 Modbus RTU 設定多個暫存器值接收封包詳解... 56 表 3.16 Modbus TCP 資料格式... 58 表 3.17 Modbus TCP 強制多接點輸出狀態送出封包詳解... 59 表 3.18 Modbus TCP 強制多接點輸出狀態接收封包詳解... 60 表 3.19 Modbus TCP 讀取多個暫存器值送出封包詳解... 60 表 3.20 Modbus TCP 讀取多個暫存器值接收封包詳解... 61

專有名詞中英文對照

專有名詞中英文對照

專有名詞中英文對照

專有名詞中英文對照表

表

表

表

中 文 英 文 全 文 英文縮寫

河川污染分類指標 River Pollution Index RPI

基地台接收站 Base Transceiver Station BTS

基地台控制器 Base Station Controller BSC

分組控制單元 Package Control Unit PCU GPRS 服務節點 Serving GPRS Support Node SGSN GPRS 閘道節點 Gateway GPRS Support Node GGSN

歸屬用戶位置寄存器 Home Location Register HLR

行動台 Mobile Station MS

基地台 Cell Site CS

行動電話交換中心 Mobile Telephone Switching Office MTSO

公眾電話網路 Public Switch Telephone Network PSTN

先進式行動電話服務 Advanced Mobile Phone Service AMPS

分頻多重擷取 Frequency Division Multiple Access FDMA

全球行動通訊系統 Global System for Mobile Communication GSM

整體封包無線電服務

技術 General Packet Radio Service GPRS 寬頻分碼多重存取 Wide band Code Division Multiple Access WCDMA

高速下行封包存取 High speed downlink packet access HSDPA

高速上行封包存取 High speed uplink packet access HSUPA

第三代合作計劃 3rd Generation Partnership Project 3GPP

中 文 英 文 全 文 英文縮寫

16 值正交振幅調變 16 Quadrature Amplitude Modulation 16QAM

第二代行動通訊 Second Generation 2G

歐洲郵電管理委員會 Confederation of European Posts and

Telecommunications CEPT

數位蜂巢系統 Digital Cellular System DCS

歐洲電信標準協會 European Telecommunications Standard

Institute ETSI

多時分工存取 Time Division Multiple Access TDMA

無線應用協議 Wireless Application Protocol WAP

無線標記語言 Wireless Markup Language WML

第三代行動通訊 Third Generation 3G

美國電子工業聯盟 Electronic Industry Association EIA

美國電信工業協會 Telecommunications Industry Association TIA

電磁干擾 Electromagnetic Disturbance EMI

循環多餘檢查 Cycle Redundancy Check CRC

縱向冗餘檢查 Longitudinal Redundancy Check LRC

十六進制 Hexadecimal HEX

網際網路號碼分配局 Internet Assigned Numbers Authority IANA

開放式通訊系統互聯

參考模型 Open System Interconnection Reference Model OSI 可程式邏輯控制器 Programmable Logic Controller PLC

國際電機技術協會 International Electrotechnical Commission IEC

傳感器 Sensor Sensor

中央處理器 Central Processing Unit CPU

隨機存取記憶體 Random Access Memory RAM

中 文 英 文 全 文 英文縮寫

直流電 Direct Current DC

交流電 Alternating Current AC

電磁接觸器 Magnetic Contactor MC

人機介面 Human Machine Interface HMI

資料收集與監控系統 Supervisory Control And Data Acquisition SCADA

統一模型化語言 Unified Modeling Language UML

可延伸標記式語言 eXtensible Markup Language XML

微軟中間語言 Microsoft Intermediate Language MSIL

通用中間語言 Common Language Infrastructure CIL

美國國家標準協會 American National Standards Institute ANSI

國際標準化組織 International Organization for Standardization ISO

結構化查尋語言 Structured Query Language SQL

網際網路基本服務 Internet Information Services IIS CAD 數據文件格式 Drawing Exchange Format DXF

點陣圖 Bitmap BMP

圖形交換格式 Graphics Interchange Format GIF

工具命令語言 Tool Command Language TCL

超文本標記語言 HyperText Markup Language HTML

中華民國國家標準 Chinese National Standards CNS

歐洲合格認證 官方無英文全文說明 CE

無牙金屬導線管 Electrical Metallic Tubing EMT

聚氯乙烯 poly vinylchloride PVC

中 文 英 文 全 文 英文縮寫

最高加權位 Most Significant Bit MSB

第

第

第

第一

一

一章

一

章

章 緒論

章

緒論

緒論

緒論

1.1 研究背景研究背景研究背景研究背景與動機與動機與動機與動機 二十世紀的世界人口急速成長，工業也蓬勃發展，用水量比以前 足足增加了五倍，可是水污染的情形也愈來愈嚴重。根據聯合國的水 資源世界評估報告：每公升廢水會污染八公升乾淨的淡水，而全世 界每天有將近 200 多公噸的垃圾和工業廢水流入河流、湖泊污染水 源。照這樣持續下去，到了 2025 年，將有 35 億的人口會發生用水的 問題，水資源危機將嚴重威脅人類的生存。 雖然，地球有百分之七十以上的面積是被水覆蓋，但是能供人類 使用的水，卻不到百分之一。台灣的降雨量雖然充沛，但因人口和地 形的關係，仍然屬於缺水地區。台灣四周環海，又無長江大河，大部 分的水源均是雨季時的雨水沿中央山脈流至平地，再匯集成溪流，溪 流的上游常建有水庫，以便供應民眾日常生活的飲用水及工業用水 [1]。 台灣每年總用水量約 180 億噸，相當於 25 座曾文水庫的總蓄水量 （7.08 億立方公尺）。這些水供應了我們的生活用水，供給農、牧、 養殖業，展現台灣土地豐饒的生產力；供給了工業，創造台灣經濟的

勵、配合資本家推動無限的經濟成長（用水成長），加上國民無節制 的生活用水，使得用水需求不斷上揚，於是開發新水源就成為水利單 位的唯一政策。根據水利署提出的台灣地區水資源開發綱領計畫，南 部區域至民國 110 年之水資源供需情勢可以知道，吉洋人工湖和其他 的新興水源開發案，主要為因應台南、路竹等科技、科學園區等「高 科技」產業的陸續開發，以及計畫中的八輕等傳統石化產業，所提出 的高、中、低成長用水需求。 在低成長的情勢下，新增工業用水需求來自台南科技工業區、台 南科學工業園區、岡山工業區，目前，南化水庫二期工程已完工，因 此已滿足其需求。中成長情勢下，主要新增的水源即是吉洋人工湖、 曾文越域引水計畫，然而因濱南工業區停止開發及許多工業區招商不 順利的情形下，目前已完成的南化水庫與高屏堰聯通管路每日新增 50 萬噸已足可因應，根本不需要推動吉洋人工湖、曾文越域引水計 畫。換句話說，水利署一直都是以滿足高成長的用水需求，無限量的 進行水資源開發！ 因此，未來我們會有蓋不完的水庫、攔河堰工程，吉洋人工湖、 荖濃越域引水一完工，接著就是士文水庫…。無論是晶圓代工廠、光 電廠…等「高科技」產業，或是六輕、八輕、煉鋼廠等傳統產業，共 同特色是高耗水、高污染。這一股失控的成長迷思正快速的侵蝕、破

壞我們的環境、生界，損及後代子孫的生存。而真正獲利者僅是那些 水利工程顧問公司，由政客攏斷之工程包商以及高耗水產業的企業 主。這不禁讓人憂心，一昧的開源，真的是唯一解決之道嗎[2]？ 1.2 研究目研究目研究目研究目的的的的 在各種用水中，尤其民生用水更與生活息息相關，其重要性人人 皆知。儘管台灣自來水普及率相當高，然而水質卻日益惡化，從都市 到鄉村，民營供水站林立，就大高雄地區而言，「買水」幾乎已成為 家家戶戶生活的一部分，其肇因於台灣河川受污染的情況嚴重。自來 水淨水廠，雖已將水中某些雜質或污染物過濾，然而來自水源處的污 染物、有害物質，不是單單淨濾即能有效處理，有些有機物尚留存在 自來水中，最佳方法是保持水源的潔淨；另方面，設若水質能全面的 淨化過濾，但在自來水輸送管中，其管路或用戶終端水塔也會滲入有 害物質破壞水質。 事實上，台灣民生用水安全性，最大問題在水源污染嚴重，高屏 溪污染事件，告訴我們人為因素始終是禍首。臺灣大小河川計 129 條，其中主要河川 21 條，次要河川 29 條，普通河川 79 條。環保機 關在主、次要河川定期進行水質監測，並以溶氧量、生化需氧量、懸

4 個等級點數（1、3、6 及 10），而 RPI 即為此 4 項參數換算點數 之算術平均值，以 RPI 值來評估河川污染等級，請參閱表 1.1。依行 政院環保署民國 100 年環境保護年報指出，在河川總監測長度 2933.9 公里中，未受污染河段長 1835.9 公里佔 62.6%，輕度污染河段 216.1 公里佔 7.4%，中度污染河段長 720.6 公里佔 24.6%，嚴重污染河段長 161.4 公里佔 5.5%，顯示臺灣河川有 30.1%河段長度受中度以上污 染，行政院主計處在「國情報告」中提及，台灣河川的污染正以每年 至少 1.1%的速率增加，請參閱表 1.2[3]。 河川污染的來源，主要約可分為三類：家庭污水、工業廢水、農 牧業污染。就工業廢水而言，工業釋放的廢水，含有多種毒性化學物 質，若未經妥善處理而直接排放至水體，將嚴重的危害環境。僅管政 府於 1974 年就已頒布「水污染防治法」，明定排放標準及定期申報 辦法，但水污染情況，依舊持續加劇，其原因為無法防止人為的偷排 廢水及環保署無法派出大量人力 24 小時監測。由此可知，水質連續 自動監測及 24 小時資料連線傳輸的重要性。空氣污染防制法，已於 民國 87 年公布施行固定污染源空氣污染物連續自動監測設施連線作 業規範，但水污染防治法尚未公布連續自動監測作業規範。為防止水 污染持續加劇，定點排水連續自動監測，就突顯出其重要性。通常排

水口，大部份都在有線網路線路無法傳遞之處。因此，如何將定點排 水口的廢水監測資料，傳回監測中心，為本研究主要課題。 未 未未 未(稍稍稍)受污染稍受污染受污染受污染 輕度污染 輕度污染輕度污染輕度污染 中度污染中度污染 中度污染中度污染 嚴重污染嚴重污染 嚴重污染嚴重污染 溶氧量 溶氧量溶氧量 溶氧量 mg/1(DO) >6.5 4.6~6.5 2.0~4.5 <2.0 生化需氧量 生化需氧量生化需氧量 生化需氧量 mg/1 (BOD) <3.0 3.0~4.9 5.0~15 >15 懸浮固體量 懸浮固體量懸浮固體量 懸浮固體量 mg/1 (SS) <2.0 20~49 50~100 >100 氨氮 氨氮氨氮 氨氮 mg/1 (NH3-N) <0.5 0.5~0.99 1.0~3.0 >3.0 點數 點數點數 點數 1 3 6 10 RPI <2.0 2.0~3.0 3.1~6.0 >6.0 表 1.1 河川污染等級分類表 年 年 年 年 重要河川 重要河川 重要河川 重要河川 總長度 總長度 總長度 總長度 各污染程度河段之長度比率 各污染程度河段之長度比率 各污染程度河段之長度比率 各污染程度河段之長度比率 未 未 未 未(稍稍稍稍)受受受受 污染 污染污染 污染 輕度污染輕度污染輕度污染輕度污染 中度污染中度污染中度污染中度污染 嚴重污染嚴重污染嚴重污染嚴重污染 公里 公里公里 公里 km 百分比百分比百分比百分比 ％％％％ 九十 九十 九十 九十四四四四年年年年 2005 2904.2 64.2 9.9 19.7 6.2 九十 九十 九十 九十五五五五年年年年 2006 2933.9 65.5 9.0 19.5 6.0 九十 九十 九十 九十六六六六年年年年 2007 2933.9 61.8 7.9 23.6 6.7 九 九 九 九十十十十七七七七年年 年年 2008 2933.9 65.2 9.0 21.5 4.2 九十 九十 九十 九十八八八八年年年年 2009 2933.9 67.2 8.1 18.9 5.9 九十 九十 九十 九十九九九九年年年年 2010 2933.9 62.6 7.4 24.6 5.5 表 1.2 重要河川污染指標概況

1.3 研究研究研究研究方法方法方法方法 國土監測或公共建設的監測範圍較大，監測站點須分散佈置能即 時量測或定時量測，工業區廢水排水口的位置常不利於網路架設，人 員難以經常性到達現場收集資料，因此裝設的資料收集器需具備長時 期獨立運作並送出資料的功能。在此種情況下，遙測技術為最佳選 擇。遙測技術就是利用各種測定設備，像是衛星、蜂巢式行動通訊系 統、各式感測器來偵測環境，建立龐大資料庫，以供各類機構、政府 單位進行各種研究與政策擬定。遙測是遙感探測的簡稱，簡單地說， 遙測是指間隔一段距離且不用接觸物體而能量測得該物體的物理性 質，遙測科學就是在研究如何應用客觀方法、儀器與技術來推估遠方 的資訊，其應用範圍就非常地廣泛[4]。 而最近幾年來，無線技術大幅成長，各種無線技術百花齊放，造 就工業通訊的蓬勃發展，尤其是工業通訊的無線技術更是解決了長距 離的佈線成本與移動設備的佈線難度兩個問題。目前無線通訊的技術 十分發達，依傳輸距離長短可分為短距離無線通訊與長距離無線通訊 等，長距離的有無線電、衛星、電信、無線區域網路等的方式。然而 此研究的偵測裝置與遠端監控端之間的距離可能遠達幾公里、甚至是 幾十、幾百公里以上，因此短距離傳輸對本研究較不實用。而在無線

電波傳輸或衛星資料傳輸上，需要較高功率的發射裝置，不但耗費資 源且在成本花費上也不小。無線區域網路，由於是區域性的長距離傳 輸方式，不適用在無線網路開發不完全的廢水排放口環境。因此採用 2G 行動電信產業 GSM 通訊技術可簡易達到資料傳送的目的[5]。 本研究為實際建置一套廢水監測系統，並利用行動通訊技術，達 到 24 小時連續監測的目的，期望能減少水污染的持續加劇。其系統 簡易架構如圖 1.1 所示。說明如下： 1. 資料收集器：主要功能是將排水口安置的各式水質分析儀器的量

測值，經由公開的工業通訊協定 Modbus Serial 及類比訊號 4~20mA 的傳輸模式，將資料收集至資料收集器中。傳輸過程包含硬體的 HandShake 及軟體的 HandShake 兩種。採集完成的資料，還必須 解碼為標準資料型態，例如：浮點數值、10 進位數值、2 進位數 值…等。 2. 發射器：它是一個 GPRS 的閘道器（虛擬 COM 功能），可讓串列 設備透過行動通訊 GPRS 網路傳輸到遠端中心站。採用 VxComm 技術，配合安裝 VxServer 軟體於遠端電腦，即可在遠端電腦上虛 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。 3. BTS 基地台收發站：俗稱的基地台，包含有傳送器、接收器、以 及和 MS 通信之音頻介面，其功能是提供所服務區域內行動通信

用戶所需的通訊介面。每個基地台所服務的區域被稱為細胞。 4. BSC 基地台控制器：它是基於收發台和移動交換中心之間的連接 點，為 BTS 和 SGSN 之間交換訊息提供通道。一個基站控制器， 通常控制幾個 BTS，其主要功能是進行無線通道管理，執行呼叫 和通訊通道的建立和拆除，並為本控制區內，移動台的 Handover 進行控制。 5. PCU 分組控制單元：在移動通訊 GPRS 網路中，用來處理數據業 務量，並將數據業務量從 GSM 話音業務量中分離出來。PCU 增 加了分組功能，可控制無線通道，並允許用戶接入同一無線資源。 主要用於數據分組、無線通道管理、錯誤發送檢測和自動重發。

6. SGSN（GPRS 服務節點）：管理 Packet Switch Data 的設備，主要

的工作就是把使用者無線部分的資料，轉送到 GPRS 網路中，以 及負責把外部網路送給 GGSN 的資料，再由 GGSN 交給 SGSN 來 轉到無線網路介面傳送給使用者。 7. GGSN（GPRS 閘道節點）：它就如同網際網路中的 Gateway 閘道 器，它是用來連結網際網路及行動網路的橋樑。另外，它也還必 須負責作資料切割、分封轉換的動作，而在手機 IP 取得方面，若 使用者是靜態 IP 的用戶，可以由 HLR 取得，並傳給用戶，若為 動態 IP 的用戶，GGSN 則必需透過內存的 DHCP 配發。

8. 主控伺服器：透過 GPRS 行動通訊網路路由監測資料到主控伺服 器，完成監測、歷史資料查尋、24 小時不間斷資料上傳之目的。 主控伺服器的主要功能包含 GPRS 通道建立及開啟、Modbus RTU Series 的封包解析、Web 式的監控畫面、監測數據的歷史資料庫 建立、警報訊息、報表查尋與列印…等。 圖 1.1 廢水監控系統架構圖

第二章

第二章

第二章

第二章 文獻

文獻

文獻

文獻回顧

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2.1 無線與行動通訊網路技術無線與行動通訊網路技術無線與行動通訊網路技術無線與行動通訊網路技術 何謂行動通訊呢？係指行動通信網路系統經營者，利用無線電通 信頻道，在移動狀況下讓使用者的行動終端設備，能夠雙向發射或接 收資料的服務。像這樣兩點之間，透過無線通訊的連結，即使通訊的 雙方處於移動狀態，仍可保持雙方通訊連結，就是行動通訊[6]。行 動通訊源於軍事用途，1946 年美國 AT&T 提出行動通訊系統，1968 年貝爾實驗室提出蜂巢式概念，開始帶動行動電話進入商用化的階段 [7]。在進入二十一世紀的今天，行動通訊與我們的生活息息相關， 可以說是密不可分。透過行動通訊技術，人與人之間的資訊傳遞，隨 時、隨處可達成，沒有時間、空間、地點的限制。 在行動通訊的點對點通道連接之後，下一步要進行的就是行動數 據的傳輸，這就要依賴行動數據系統。完整的行動數據系統包含以下 三大部份： 1. 行動台(MS)：行動終端機，例如行動電話；行動台中主要的 元件，包括發射器、接收合、控制單元與天線系統。 2. 基地台(CS)：在細胞所在的中心，做為行動台與行動電話交 換機之間的連繫。負責傳送與接收交換機與行動台之間的數

據交換，並做通話頻道的管理。 3. 行動電話交換中 心(MTSO)：連結基 地台與公眾電話 網路 (PSTN)之間的通訊，協調兩者之間的訊息交換，並控制呼叫 處理與收費的計算等工作[6]。 當行動數據進行資訊傳遞交換時，為了確保資訊在移動中，不會 中斷，並且保持無線通訊的最佳品質，因此而建立蜂巢網路結構。在 行動通訊網路中，會依地理區域，將其切割成數個分區，每個分區可 以涵蓋六角形的發射、接收範圍，因此我們稱之為「蜂巢」(Cell)， 每個蜂巢中心都有一個無線基地台，負責收發訊號，如果 2.1 所示。 行動電話用戶連上蜂巢網路，按照網路的分佈，即使用戶跨越分區的 邊界，依然能夠通話。為相互溝通，行動電話與基地台彼此傳送無線 電訊號。這些訊號的功率不僅為達到最優質的通話品質而進行調整， 也受到嚴密的管制，以免干擾其他無線電系統，如緊急服務、計程車、 廣播與電視系統。 圖 2.1 蜂巢網路示意圖

當行動電話開機時，它首先會回應附近基地台所發射的控制訊 號。一旦發現它所屬網路最近的基地台，就會主動連上網路，然後進 入休眠狀態，偶爾把更新的資訊傳輸到網路系統，直到要發出或接收 訊號時為止。為盡量降低發射功率，同時保持良好的通話品質，行動 電話採用一種自動功率控制系統，平均輸出功率在 0.001W 到最大功 率之間(最大功率小於 1W) 。此功能可提高電池續航力，增加通話時 間。行動網路的另一特點是，如果用戶邊走邊通話，行動網路會隨著 用戶的移動把通話訊息交給另一個基地台，這個過程叫做 Handover， 如圖 2.2 所示，當手機在位置 A 時，與基地台建立通道 A，但在通話 中又一邊移動到位置 B，在超過通道 A 廣播範圍時，會馬上與鄰近的 基地台建立通道 B，維持通話不間斷，而且在交遞的過程中，用戶是 察覺不到的。行動通訊的發展歷經數十年，持續在演進，其發展歷程 為 1G AMPS、2G GSM、2.5G GPRS、3G WCDMA、3.5G HSDPA、

3.75G HSUPA，為近代科學帶來一連串的通訊革命[8]。

2.2 串列通訊串列通訊串列通訊 串列通訊 串列通訊是電腦與設備之間或設備與設備之間的資料交換方 式。它是利用電壓狀態的改變，高準位電壓代表 1，低準位電壓代表 0，讓資料在信號線上，一位元一位元地進行傳輸，每一位元資料都 佔據一個固定的時間長度。最簡單的串列通訊，只要利用二條線，就 可以將交換的資訊以 01011001 的這種表態方式來溝通訊息。 在電腦內部，所有的資料均是使用位元(Bit)來儲存，而每個位元 都是電位上的一個狀態，電腦內部使用 8 個位元代表字元、數字或符 號。當電腦進行串列傳輸時，會將資料型態為位元組、語句、雙語句 的資料，拆成一個位元接一個位元的方式傳送，接收時再重新組合為 原來的資料型態。傳輸類型上還可分為同步串列傳輸與非同步串列傳 輸兩種[13]。 1. 同步串列傳輸 同步串列傳輸不需要對每一字組加上 START 及 STOP 位 元，傳送器在傳送資料之前會以一串旗號(Flag)或稱為同步字元 (Synchronous character)的信號對接收端取得時序同步。因此，旗號 信號結束後尾隨的即是資料，直到再收到旗號信號為止。 2. 非同步串列傳輸 非同步串列資料在傳送時，每一個字組(5~8 位元)都遵循一個

標準格式。這個格式可分為開始位元(Start)、資料位元(Data)、同 位元(Parity)、停止位元(Stop)四個部份。資料尚未傳輸時，信號 線維持在 1 的狀態，當開始傳送資料前的第一個位元必須是 0 的狀態，此位元稱為開始位元，接下來傳送 5~8 個資料位元， 接著再傳送一個同位元用於檢查資料傳送時是否錯誤，最後以 1 或 1.5 或 2 個為“1”的停止位元結束，此時已恢復至 1 的狀態， 又可準備傳送下一字組。 2.2.1 RS-232 RS232 是美國電子工業聯盟（EIA）制定的串列數據通訊的標準 埠，原始編號全稱是 EIA-RS-232（簡稱 232，RS232）。它被廣泛用 於電腦串列介面的外部設備連接。目前的最新版本是由美國電信工業 協會（TIA, Telecommunications Industry Association）所發行的

TIA-232-F。

RS232 的電氣迴路是一種非平衡型的傳輸型態，如圖 2.3 所示，

因導線分佈有電阻和電容，而導致兩端地線無法獲得一致準位，可能 會有迴路回授(Look back)現象，因而較易受到 EMI 和叉音(Cross talk) 干擾，信號減弱(Signal/Noise 比減小)，以致於傳輸頻寬與距離受到限 制。

圖 2.3 非平衡型的 RS232 示意圖

RS232 通常用來作非同步傳輸，傳輸雙方須要相同的傳輸速度， 才能在傳送-收接的過程中，同步的轉譯資料，而傳輸速度用鮑率

(BaudRate)來表示，稱之為 BPS(Bit per second)，指的是每一秒傳送的

位元數。通常，利用 RS232 與其它裝置通訊時，裝置的規格書上都 會寫著 19200bps、38400bps…，所指的就是傳輸速度。有的裝置傳輸 速度是可變、可設定的，當然也有不可變的。 2.2.2 RS-485 RS485 是為了彌補 RS232 之不足而提出的。EIA 於 1983 年，基 於 RS422 的基礎上，制定了 RS485 標準，命名為 TIA/EIA-485-A。 為了改進 RS232 頻寬與傳送距離的限制，在硬體電路上改採用平衡 型的差動式信號傳輸，如圖 2.4 所示，以兩線差動電壓值代表信號，

如此可以消除 EMI 和串音的干擾，即使受到干擾，兩線也是做同幅 度的飄移，所以差動電壓仍能保持良好的結果，如此硬體的做法獲得 抗雜訊、較高頻寬以及較長距離傳輸等優點。RS485 可以一對多傳 輸，但 RS232 卻不行。表 2.1 列出 RS232/RS485 的性能比較[15]。 圖 2.4 差動平衡型的 RS485 示意圖 RS232 RS485 訊號模式 訊號模式 訊號模式 訊號模式 單接點式 差動式 接線方式 接線方式 接線方式 接線方式 9 線/3 線 2 線 最高驅動數 最高驅動數 最高驅動數 最高驅動數 1 32 最高接收數 最高接收數 最高接收數 最高接收數 1 32 最大傳輸距離 最大傳輸距離 最大傳輸距離 最大傳輸距離 15m 1200m 傳輸速率 傳輸速率 傳輸速率 傳輸速率 115200bps 10Mbps 傳輸模式 傳輸模式 傳輸模式 傳輸模式 全雙工 半雙工 表 2.1 列出 RS232/RS485 的性能比較

2.3 工業通訊協定工業通訊協定工業通訊協定工業通訊協定 Modbus

Modbus 是 Modicon 公司發展出的一種通信協定，而該公司在

1979 年被 Schneider Automation 收購，成為其公司的一個部門。 Modbus 是全球第一個用於工業控制的通訊協定。為了普及及推動 Modbus 在乙太網上的分佈式應用，Schneider Automation 將 Modbus

通訊協定的所有權移交给 IDA（Interface for Distributed Automation） 組織，並於 2002 年成立了 Modbus-IDA 組織。這是一個非營利型組 織，目的是為了更廣泛的使用 Modbus 通訊協定。Modbus 發展至今 已 33 年，仍然廣受好評，且使用會員越多，其原因有以下三點： 1.Modbus 具有標準規範，並且免費開放使用，使用者可以放心地使用 Modbus 通訊協定，不會侵犯知識財產權。 2.Modbus 是多面向的通訊協議，可以支援各類型的硬體交握，例如： RS232、RS422、RS485、RJ45…等。亦可以在多種物理介質上傳輸 資料例如：雙絞線、光纖、無線射頻、衛星…等。或是不同的網路 進行互連，例如：ADSL、ISDN、PSTN…等。完全不須要特殊的 規格品，就可以使用，大大的降低產品製造成本。 3.Modbus 通訊協定非常簡單，利用最簡單的封包定義，就可以達成 全方位的通訊須求。任何人，都可以簡單的上手，不論是開發商或 是使用者。

Modbus 通訊使用主從式架構技術，亦即只有單獨一個主控端 (Master)可以提出查詢，而其餘的受控端(Slave)設備應對主控端的查

詢資料做出回應動作，或處理主控端(Master)查詢所要求的動作。

2.3.1 Modbus Series

Modbus 用於串列通訊時，也依循著 EIA、TIA 製訂的規範，我

們稱之為硬體交握規範(Hardware Handshake)，包含 TIA-232-F、

EIA-422、EIA-485 ，簡稱為 RS232、RS422、RS485，在 2.1 節有介

紹，這裏就不再贅述。而軟體交握規範(Software Handshake)為何呢？ 在串列傳輸中，Modbus 軟體交握規範可分為 Modbus ASCII 及

Modbus RTU 兩種傳送方式，Modbus ASCII 顧名思義就是以 ASCII

碼的方式來傳輸，而 Modbus RTU 是以 Binary 的方式來傳輸，二者 以 RTU 的方式最快。

2.3.2 Modbus TCP

1998 年 Schneider Automation 推出可架構于 TCP/IP 乙太網路標

準的 Modbus TCP，這是第一個用於乙太網路的工業標準協議，也是 唯一一個獲得 IANA 賦予 TCP 埠的通訊協議，常見的 TCP 埠請參考 表 2.2。Modbus TCP 的應用層還是採用 Modbus 協議，傳輸層使用 T

odbus TCP 不但可以使用於區域網路，還可以使用在廣域網路及互聯 網。Modbus TCP 與 OSI 的關係，如表 2.3 所示。 埠 埠 埠 埠 縮寫縮寫 縮寫縮寫 英文全名英文全名 英文全名英文全名 中文全名中文全名 中文全名中文全名 用途用途用途用途

21 FTP File Transfer Protocol 檔案傳輸協定 點對對檔案傳輸 23 Telnet 遠端終端機協定 遠端登入控制 Web 25 SMTP Simple Mail Transfer

Protocol

簡單郵件傳輸協 定

用於發送郵件

53 DNS Domain Name System 網域系統 將域名和 IP 位址相互解

析 80 HTTP HyperText Transport Protocol 超文本傳輸協定 提供一種發布和接收 HTML 頁面的方法 110 POP3

Post Office Protocol – Ver.3 郵件協定 3 主要用於接收郵件 502 Modbus TCP 工業用Modbus TCP傳輸協定 Modus TCP網路資料傳 送與接收 表 2.2 常用 TCP/IP 埠列表

Layer ISO/OSI Model

7 Application Modbus Application Protocol 6 Presentation Empty

5 Session Empty 4 Transport Empty 3 Network Empty

2 Data Link Modbus Serial Line Protocol 1 Physical EIA/TIA-485（or EIA/TIA-232）

2.4 類比訊號類比訊號類比訊號類比訊號 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。

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

第三章

第三章

第三章 研究設計與描述

研究設計與描述

研究設計與描述

研究設計與描述

3.1 研究架構研究架構研究架構研究架構 在本文 1.2 節我們提到水污染程度是以溶氧量、生化需氧量、懸 浮固體及氨氮等四個水質參數評估污染程度，每一參數依其濃度對應 4 個等級點數（1、3、6 及 10），而 RPI 即為此 4 項參數換算點數 之算術平均值，以 RPI 值來評估河川污染。但是要如何獲取溶氧量、 生化需氧量、懸浮固體及氨氮等四個水質參數呢？關於這一方面的資 訊，國外早已有相當優良及穩定的產品可供量測參考，請參閱表 3.1。 這些水污染量測儀器，皆已發展數十年以上，相當成熟，亦相當穩定， 也在實際的量測環境中，得到驗証，甚至於與實驗室的比對，都是信 度極佳。因此，本研究的重心是放在資料採集的方式。如何在偏遠而 無網路的地方，有效的收集即時線上資料，才是本研究的主要方向。 品牌 品牌品牌 品牌 型號型號型號型號 產地產地產地產地 量測範圍量測範圍量測範圍量測範圍 溶氧量 溶氧量 溶氧量 溶氧量 mg/1 (DO)

Dr.Thiedig Digox 6.1 HY S Germany 0~20 mg/1

InsiteIG 1000CE United States 0~25 ppm

生化需氧量 生化需氧量 生化需氧量 生化需氧量

mg/1 (BOD)

EFS Optilis 201 France 0~500 ppm

DIAGNOSTIC 懸 浮 固 體 量 懸 浮 固 體 量 懸 浮 固 體 量 懸 浮 固 體 量 mg/1 (SS)

InsiteIG 1500CE United States 0~3000 ppm

HACH SOLITAX sc United States 0.001~50000 mg/l

氨氮 氨氮 氨氮

氨氮 mg/1

(NH3-N)

HACH AMTAX sc United States 0.05~20 mg/l

Pollution & Process Monitoring ProAm England 0~500 ppm 表 3.1 RPI 值計算用量測儀器參考 除了線上即時資料採集外，另一個很重要的就是資料採集的方 法。在本文 2.3 節中，我們提到工業通訊協定 Modbus，為什麼要特 別提到這一點呢？因為筆者致力於工業、環境監控系統數十年，最常 遇到且難以克服的事情就是資料採集的介面問題，各家廠商各有其資 料傳輸的定義，造成資料整合時，耗時、費力的問題。以圖 1.1 為例， 假設我們只有採集 DO、BOD、SS 三種水污染參數，而這三種儀器 的資料傳輸定義就有三種，在資料整合上，就必須寫出三種不同的 Protocol，來完成資料整合，是不是耗時又費力呢？除此之外，如果 量測儀器故障，更換新的量測儀器，在資料收集器的部份，又要重新 撰寫新的 Protocol 來採集資料，這又是一筆新的成本。因此，使用共 同的、公用的通訊協定，就顯出其格外的重要性。其優點為，開發時

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 否。 步驟 5.電氣控制點功能測試：這個部份主要是測試連接到外部的 監測儀器與主控制盤的互動情況是否正常，理論上應測試 4~20mA 的

類比訊號、Digital Input 的數位訊號與 PLC 的資訊互動是否正常、電 力是否正常送電至儀器…等。但本研究並無量測儀器，只有資料模擬 器。故此，在這裏僅能測試各個部品是否受電正常、資料模擬器的類 比電流是否正常送至資料收集器。至於在資訊互動的部份，僅能於步 驟 6~7 來測試。這個部份將於 3.2 節中詳述。 步驟 6.資料收集器程式安裝及功能測試：資料收集器的資訊流分 為向上及向下兩個部份。向上的功能部份，是將向下收集到的資料傳 遞至主控伺服器或收受主控伺服器的指令。向下的功能部份，是收集 資料模擬器的資料。因此，在這個部份，要測試的就是向上及向下的 資訊流是否正常。 步驟 7.Modbus Serial、TCP 資料傳輸測試：這個部份主要是承繼 步驟 6 的延伸。在向上的資料收集的部份，我們採用的是 Modbus

Serial。在向下資料收集的部份，我們採用的是 Modbus Serial、Modbus TCP、4~20mA 的類比訊號。而這個部分，強調的是資料的通訊流測 試。這個部份將於 3.2.1~3.2.2 節中詳述。 步驟 8.行動通訊 3G 資料傳送測試：本研究在主控伺服器與資料 收集器中間的資訊傳遞，依靠的正是行動通訊 3G 技術。在這個步驟 中，我們必須調整及設定行動通訊網路，確保其資訊傳輸的穩定性。 這個部份將於 3.2.3 節中詳述。

步驟 9.監控系統功能測試：這個部份是最後的測試，在步驟 8 中，資料順利傳回主控伺服器後，我們利用傳回的資料，製作出讓人 一目了然的監控系統，並逐一測試監控系統的每項功能，達成廢水排 放監控的目的。這個部份將於第四章中詳述。

3.1.1 硬體設計重點描述硬體設計重點描述硬體設計重點描述硬體設計重點描述

一個完整的監控系統，必然包含著硬體部份與軟體部份，硬體部 份又涵蓋者電腦、量測儀器、資料收集器、線路…等。本身自為主體 的部份，可以暫不管理，因為其內部線路與 IC 設計都已成態，由原 設計廠管控其品質與穩定度。但在電氣安全的部份，如果是台灣自行 生產必須符合 CNS 國家安全標準規範；如果是美國生產，就必須符 合 NEC 安全認證；而歐洲國家就是 CE 認證，由於國家眾多，我們 就不再贅述。這邊，我們要注意的是線路設計的部份，讓其符合台灣 電工法規中，所規範的安全設計準則。同時，本研究也將歐盟 CE 安 全規範的準則，納入設計的考量。 在圖 3.3 電氣迴路圖 P-01 中的 Line1~Line7，標示的是線路的導 線線徑的設計部份，選用如此多的線徑，原因就在於安全電流的考 量，電器在運轉使用時，會消耗功率、產生電流，電流在導線中流動 時，如果電流太大，導線的電流承受力又不足時，導線會產生高熱， 進而燒毀。每一種線徑的導線，在電工法規中，都有安全電線的限制， 因此在電氣迴路設計中，要考量每一迴路電流的大小，配置適合的電 線。使得設備在經年累月的使用下，線路都能符合安全電流的使用須 求，才不會發生火災危機。為了使配電的技工，能夠正確的配置導線， 因此每一迴路的線徑，都必須標示清楚，其線徑與導線之關係可參考 表 3.2。

截面 截面 截面 截面 積 積積 積 (平方平方平方平方 公厘 公厘公厘 公厘) 根數 根數 根數 根數/ 直徑 直徑直徑 直徑 絕緣物 絕緣物絕緣物 絕緣物 種類 種類 種類 種類 PVC、、、、天然橡天然橡天然橡天然橡 膠混合物 膠混合物 膠混合物 膠混合物 耐熱 耐熱耐熱 耐熱PVC、、、、 PE(聚乙烯聚乙烯聚乙烯聚乙烯)、、、、 SBR(苯乙烯苯乙烯苯乙烯苯乙烯 丁二烯橡膠 丁二烯橡膠 丁二烯橡膠 丁二烯橡膠) 人造橡膠 人造橡膠 人造橡膠 人造橡膠(丁丁丁丁 基橡膠 基橡膠 基橡膠 基橡膠) EP(乙丙烯乙丙烯乙丙烯乙丙烯)、、、、 交連 交連 交連 交連 PE(交交交交 連聚乙烯 連聚乙烯連聚乙烯 連聚乙烯) 最高容 許溫度 60 ℃ 75 ℃ 80 ℃ 80 ℃ 0.75 1.00 1.25 2.0 3.5 5.5 30 / 0.18 40 / 0.18 50 / 0.26 37 / 0.26 45 / 0.32 70 / 0.32 安培 容量 7 9 11 15 21 32 8 10 14 20 26 40 9 11 15 21 28 43 10 12 16 23 31 47 表 3.2 花線安培容量(周圍溫度 35℃以下) 而電氣迴路的設計，又有主迴路與副迴路的分別，如 Line2 與

Line3。在同等階層之中，Line2 屬主迴路，Line3 屬副迴路，Line2

流經的電流包含著 Line3~Line7，而 Line3 流經的電流總合為 Line6~Line7 與 PS1，請參考表 3.3。因此，我們可以知道，主迴路與 副迴路流經的電流是截然不同的，通常若不仔細標示每條迴路的線徑 大小，配線師父可能就會全部配一樣的線徑，如此一來，可能造成線 徑太小(線路燒毀危機)或線路太大(增加建造成本)，不管是那一種， 都是我們不樂見的。

Line3 PS1+Line6(SH1)+Line7(GT1) 2+0.5+0.5=3 (A) Line2 Line3+Line4(PC1)+Line5(PC2) 3+2+2=7 (A) 表 3.3 主副迴路安培計算 電氣迴路的設計除了線徑的安全電流設計之外，尚須考量電磁干 擾、雜訊、共模干擾、EMI、串音干擾。在圖 3.3 電氣迴路圖 P-01 中， 對應圖中 D3 方塊的位置，我們可以看到 PE 這條迴路，連接到大地， 就是為了避免電磁干擾。而 Filter，也是避免電磁干擾的最佳方法， 在圖 3.3 電氣迴路圖 P-01 的 FL1，就是一個 Filter。電磁干擾對 PLC 影響甚大，會造成訊號接收或輸出的異常，所以採用 Filter 來杜絕干 擾。在圖 3.4 電氣迴路圖 P-02 中，我們可以看到 PE 這條迴路，對應 圖中 B4 方塊的位置，此為 2.4 節中，我們提過的雜訊、共模干擾避 免的方式。在類比訊號傳輸中，我們利用屏蔽雙絞線的屏避網，將雜 訊、共模干擾的部份，導入大地之中，以杜絕之。在圖 3.5 電氣迴路 圖 P-03 中，對應圖中 B2 方塊位置的 T5G，以及對應圖中 D1 方塊位 置的 C5G，此為 2.2.2 節中，我們提過的 EMI、串音干擾避免的方式， 我們利用屏蔽雙絞線的屏避網，將我們利用屏蔽雙絞線的屏避網，將 雜訊、共模干擾的部份，導入大地之中的部份，導入大地之中，以杜

絕之。以上，各種干擾源的防範方式，雖為至簡，但不可不為。 在電路圖圖面設計中，我們採用行列座標標示法，在圖 3.3 電氣 迴路圖 P-01 中，我們可以注意到圖面的左邊邊界處，以 A~E 編號， 而右邊邊界處，以 1~8 編號，此設計的優點為故障排除時查尋快速。 通常，大型的控制系統，例如發電廠的再生水系統、科技廠的純水供 應系統，其電氣迴路圖，可以多達數百張，一旦發生電氣故障時，在 電氣迴路圖的查尋，會非常的困難，因此採用行列座標標示法，在此 種情況，就會突顯其重要性。舉例來說，圖 3.4 電氣迴路圖 P-02 中， AD1 發生故障，我們判定是 24P 與 24N 供電異常，此時我們就會須 要知道，24P 與 24N 是由何處供電，來自於電氣迴路圖的那一張圖 面，而在 AD1 的 24P 與 24N 的上方，我們可以看到 P-01/D5，這就 是說明其來源為圖 3.3 電氣迴路圖 P-01 的座標 D5 位置。像這種行列 座標標示法，在故障排除時，非常實用。但此種設計法，筆者沒有找 到文獻說明，也不知是那一位學者先行提出的，目前筆者先給予其命 名為行列座標標示法。 在硬體設計之中，至為重要的部份還包含 Parts List，如表 3.4， 及盤面配置圖，如圖 3.6 電氣迴路圖 P-04 所示。Parts List 其功用為 快速對應損壞的元件，可於元件損壞時，進行快速更換。而盤面配置 圖的功能與其相似。筆者在業界數十年，到訪數百家工廠，包含公家

的發電廠，其硬體資料大都不齊全，或標示不清，使廠務人員在維護 上，困難重重，唯有仰賴原設計廠。但在設備使用數十年之後，幾乎 斷層，原設計廠商可能已不存在或是原設計者早已離開原公司，所以 在維護上根本難以為之。因此在這邊特別提出以上建議，為後續研究 及科技發展的參考指標。 代號 代號 代號 代號 品品 品品 名 名 名名 規規規規 格格 格格 數量數量 數量數量 供應商供應商 供應商供應商 註解註解註解註解 圖號圖號圖號圖號

AD1 Analog Input

Module FBs-6AD 1 FATEK 83mA P-02 CM1 RS485 串列通訊

模組 FBs-CM55 1 FATEK 2Port P-02

CM2 RS485 串列通訊

模組 FBs-CM55 1 FATEK 2Port P-02

DA1 Analog Input

Module FBs-4DA 1 FATEK

137

mA P-02 EB1 Ethernet 通訊板 FBs-CBEH 1 FATEK 1Port P-02 EB2 Ethernet 通訊板 FBs-CBE 1 FATEK 1Port P-02 FL1 EMI FILTER YC05T1 1 YUNPEN AC 5A P-01 FS1 Fuse TFBR-101、 TFB-101N(白蓋) 1 TEND AC 2A P-01 FS2 Fuse TFBR-101、 TFB-101N(白蓋) 1 TEND AC 2A P-01 FS3 Fuse TFBR-101、 TFB-101N(白蓋) 1 TEND AC 2A P-01 FS4 Fuse TFBR-101、 TFB-101N(黃蓋) 1 TEND DC 0.5A P-01 FS5 Fuse TFBR-101、 TFB-101N(黃蓋) 1 TEND DC 0.5A P-01 GT1 GPRS Gateway GT-541 1 ICPDAS DC 2W P-03 PS1 Power Supply DR-45-24 1 Meanwell DC

45W P-01 PC1 PLC FBs-20MC 1 FATEK 2A P-02

PC2 PLC FBs-20MC 1 FATEK 2A P-02 SB1 Safety Switch 604820 C16 1 Legrand AC

16A P-03 SH1 Ethernet Switch EDS-205A 1 MOXA DC

0.12A P-03 軌道端子盤終端 TBR-F 2 TEND 軌道端子盤 TBR-10 25 TEND 表 3.4 Parts List 3.1.2 軟體架構描述軟體架構描述軟體架構描述 軟體架構描述 在圖 3.1 資料模擬器架構圖中，我們以資料模擬器模擬 DO、 BOD、SS 的測值。DO 測值以 Modbus TCP 的通訊協定傳輸，除了傳

輸測值之外，另外可再傳輸 DO 主機異常警報、超限警報。因為在

TCP 資料通訊中，可一次傳遞多筆資料，所以我們可以透過一次通訊

同時傳送多筆資料。BOD 測值以類比信號 4~20mA 傳輸，因為單一 類比信號，只可傳輸一筆資料，故此省略 BOD 主機警報、超限警報。

SS 測值以 Modbus Series RTU 的通訊協定傳輸，除了傳輸測值之外，

另外可再傳輸 SS 主機異常警報、超限警報，因為在串列資料通訊中， 一樣也可以一次傳遞多筆資料，所以我們可以透過一次通訊同時傳送 多筆資料。

DO、BOD、SS 測值資料皆以一個 Word 的資料表示，一個 Word

的資料其位元數為 16，若以無符號整數來表示，其範圍為 0~65535； 若以有符號整數來表示，其範圍為-32766~32767，這邊我們選用的是

無符號整數表示法，因為 DO、BOD、SS 測值不會小於零。再來就 是 DO、BOD、SS 的資料型態，應為小數才對，因此在無符號整數 資料傳輸完成後，應將資料除以 100，如此一來 DO、BOD、SS 的資 料表示即為小數兩位，而除以 100 之後，其資料顯示範圍，就會變成 0~655.35。而 DO、SS 主機警報、超限警報，我們亦可用一個 Word 來解析及呈現。因為一個 Word 等於 16 個 Bits，我們可以用最後的 兩個位元代表主機警報、超限警報，例如：0000000000000000 表示 無警報，0000000000000001 表示超限警報， 0000000000000010 表示 主機警報，0000000000000011 表示主機警報與超限警報同時發生。 上述皆為資料模擬器所傳輸的資訊，詳列如表 3.5 軟體傳輸統整表 模擬儀器 模擬儀器模擬儀器 模擬儀器 硬體傳輸模式 硬體傳輸模式硬體傳輸模式 硬體傳輸模式 資料傳輸類型資料傳輸類型資料傳輸類型資料傳輸類型 資料傳輸量資料資料資料傳輸量傳輸量 傳輸量 主機主機主機主機 警報 警報警報 警報 超限 超限 超限 超限 警報 警報 警報 警報

DO Ethernet Modbus TCP 2 個 Word 有 有 BOD Analog 4~20mA 1 個 Word 無 無

SS RS485 Modbus Serial RTU 2 個 Word 有 有

表 3.5 軟體傳輸統整表

3.2 軟體測試描述軟體測試描述軟體測試描述軟體測試描述

本研究的監控系統，運用許多開發工具，才可順利的建置完成， 其中包含了工業開發控制軟體、商業開發應用軟體及資料庫軟體三大 類。其功能及特色各不相同，且缺一不可。由此可見，一套監控系統