資訊中心運作環境整合監控暨問題診斷系統(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

資訊中心運作環境整合監控暨問題診斷系統(II)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 98-2623-E-151-001-D 執 行 期 間 ： 98 年 01 月 01 日至 98 年 12 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學模具工程系 計 畫 主 持 人 ： 徐中華 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：林政輝 碩士班研究生-兼任助理人員：曹淵策 碩士班研究生-兼任助理人員：涂惟盛 碩士班研究生-兼任助理人員：黃川晏 碩士班研究生-兼任助理人員：洪瑞陽 碩士班研究生-兼任助理人員：戴敬庭 碩士班研究生-兼任助理人員：洪尉綸 碩士班研究生-兼任助理人員：李政杰 博士班研究生-兼任助理人員：武河海 處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 99 年 01 月 06 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

☑

成 果 報 告

□期中進度報告

資訊中心運作環境整合監控暨問題診斷系統(II)

計畫類別：☑ 個別型計畫

□ 整合型計畫

計畫編號：NSC 98－2623－E－151－001－D

執行期間：98 年 01 月 01 日至 98 年 12 月 31 日

計畫主持人：徐中華

共同主持人：賈華凱

計畫參與人員：黃川晏、武河海、林政輝、曹淵策、涂惟盛、洪瑞陽、

洪尉綸、李政杰、戴敬庭

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告

☑完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

☑涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立高雄應用科技大學 模具工程系

中

華

民

國

九十八 年 十二 月 三十一 日

摘要

本計畫目的在發展一資訊中心運作環境整合監控暨問題診斷系統，針對機 櫃無法完全散熱造成過熱甚至裝備當機的問題，提供解決方案。首先利用計算 流體力學軟體，模擬資訊中心內資訊設備發熱量及熱散之狀況，分析裝備機殼 內、機櫃內、機房內之溫度分佈及冷熱對流效果，此外再加上電力諧波值監控， 以提供資訊中心監控、管理各項機敏裝備運作散熱及電力品質狀況，並協助使 用單位即時掌握及改善有關環控，諸如：溫度、溼度、電力品質、裝備散熱及 熱管理等問題；同時開發機櫃智慧型環境監控系統，利用溫感裝置及諧波紀錄 器有效紀錄及儲存機櫃內溫度起伏及電力諧波變化之歷程曲線，適時對維修人 員提出警告並提供可能問題預先診斷功能。相信此一整合型式的系統，將可協 助使用單位即時掌握及改善有關環境控制的問題，以及維持單機裝備之妥善運 作，提升裝備可靠度及可用度。 關鍵字：問題診斷系統、計算流體力學、熱管理

Abstract

This research develops the integrated environment of operation, controlling and question and diagnoses system of information center. The system offers the solution to traditional cabinets question of generated heat unable to be totally dispelled and the possibility of overheated. The cabinet heat dissipation way of different model on the market is present and therefore to plan a trade-off design. Real time temperature monitoring system is utilized within the cabinet to detect, record and store the course curve of temperature changes effectively. It also warns and offers maintenance personal to diagnose the function in advance. The research utilizes the computational fluid dynamics software at the first year to simulate the caloric value of the information equipment and the state of dispelling heat in information center. The tool can analyze equipments temperature profiles and convection results both in the cabinet and in the computer laboratory. Questions such as temperature, humidity, electricity, equipment heat management etc. can be improved effectively. Believe this system which combines the model of operation, controlling and question and diagnoses, can offer the heat alert equipment to be operated in the state of the art, help the user department to grasp and improve environment control issue immediately, and the appropriate operation of maintaining the unit and improving the reliability of equipment.

Keywords: question and diagnoses system, computational fluid dynamics, heat management

目錄

一、前言... 1 二、研究目的... 3 三、文獻探討... 4 3.1 電力品質... 4 3.2 諧波污染... 4 3.2.1 諧波名詞介紹... 5 3.3 監控系統原理... 8 四、研究方法... 9 4.1 系統設計... 9 4.1.1 LabVIEW 控制技術 ... 9 4.2 智慧型溫溼度監控...11 4.2.1 溫度感測器...11 4.2.2 溼度感測器... 12 4.2.3 資料擷取卡(DAQ) ... 14 4.2.4 個人電腦... 15 4.2.5 前置面板(Front Panel) ... 15 4.2.6 圖示區(Black Diagram) ... 16 4.3 智慧型諧波監控系統設計原理... 17 4.3.1 奇次諧波說明... 17 4.3.2 諧波電壓與諧波電流說明... 19 4.3.3 諧波傷害評估... 19 4.3.4 智慧型環境診斷系統設計原理... 20 4.4 智慧型環境診斷系統設計原理... 21 五、結果與討論... 23

5.1 實驗設備... 23 5.2 硬體設備... 25 5.3 智慧型溫溼度監控系統... 26 5.4 智慧型環境診斷系統... 28 5.4.1 系統功能介紹... 30 5.5 總結... 31 六、計畫成果自評... 32 七、參考文獻... 33

圖目錄

圖一 單機堆疊示意圖 [1]...1 圖二 人機介面(Front Panel) ...10 圖三 程式方塊圖(Block Diagram) ... 11 圖四 系統方塊圖... 11 圖五 電壓輸出式電容濕度感測器...12 圖六 25℃、5.0V DC 時各相對溼度與輸出電壓之關係圖 ...13 圖七 808H5V5 操作精準度範圍...14 圖八 NI USB-9211A ...14 圖九 NI USB-9201 ...15 圖十 前置面板...16 圖十一 圖示區...16 圖十二 系統之諧波紀錄流程...17 圖十三 諧波紀錄器 HIOKI 8807 測量 ...18 圖十四 奇次諧波測量情況...19 圖十五 諧波電壓與諧波電流測量情況...20 圖十六 Fuzzy 模糊邏輯判斷式設定...20 圖十七 諧波傷害評估...21 圖十八 整合後系統介面...22 圖十九 診斷系統之資料紀錄流程...22 圖二十 幾何形狀與其空間配置...24 圖二十一 資訊中心示意圖...24

圖二十二 資訊中心機櫃示意圖...25 圖二十三 環境問題診斷系統模擬模型...26 圖二十四 軟體設計流程圖...27 圖二十五 溫度監測實際運用情形...27 圖二十六 溼度監測實際運用情形...28 圖二十七 EXCEL 資料檔...28 圖二十八 系統分析流程...29 圖二十九 問題診斷系統實際分析情況...30

表目錄

表一 各式散熱之優缺點...3 表二 808H5V5 相關規格列表...13 表三 808H5V5 相對溼度與對應之輸出電壓(25℃, 5.0V DC)...13 表四 8807 相關詳細規格...18 表五 自評表...33

一、前言

科技的進步使得資訊設備已廣泛的應用在指管作戰，近年來由於半導體及光 電產業技術不斷的更新，電子元件分佈密集造成熱密度越來越高，但產品尺寸卻 愈來越小，所以散熱的問題更加值得重視。除此之外，電力來源品質之好壞也會 對電子元件壽命造成影響。ㄧ般裝備運作時單機機殼內之溫度會高於機櫃內之溫 度，而機櫃內各單機堆疊(圖一)，溫度又遠高於機房的溫度，若熱管理不當致裝 備過熱，輕則設備當機或工作不穩定，嚴重時則會將內部電子元件燒毀而無法工 作。 圖一 單機堆疊示意圖 [1] 機櫃所扮演的角色，主要是為安裝較小型可堆疊之單機設備，通常設備安裝 密度非常高，而機櫃是介於單機機殼與機房之間的結構體，如果機櫃機構設計 無法與機殼配合而產生風阻，將會影響機櫃內熱對流速度與流場分佈，造成無

法完全將熱排放出，而使得熱蓄積在機殼與機櫃內，使得發熱點周遭的環境溫 度不斷升高，當然最終將導致設備當機甚至損毀，因此經常遇到許多設備機房 內將機櫃門打開甚至拆除，再利用大型風扇加強對流，以達到降溫之目的；此 外由於電力公司所提供之電源也常因為一些天然因素及人為的線性負载而造成 不良之電力品質，例如諧波失真、電力突波、三相不平衡等，都會使機櫃運作 時發生停電、電壓降、電壓升、斷電，使得機櫃運作不穩定，甚至減低機櫃使 用壽命。傳統機房內的設備會有無法有效散熱之現象，不過多數不是因為空調 系統製冷不足，而是風量、風壓或風道設計不正確，導致冷度夠但對流不佳， 進而使熱無法迅速傳遞，(表一)為各式散熱設計之優缺點。再加上對電力來源 品質好壞部分也無多加注意；此等不良之設計皆會對電子零件造成不良影響， 甚至發生燒毀的意外事件。現今電子設備越來越精密，所以對於此類不良影響 變得更加敏感。因此如何建構資訊中心裝備與環境狀況聯繫模式，執行智慧型 即時監控與裝備問題預警診斷，保持設備正常運作，便成為目前重點研究項目。 因此本計畫將針對整體監控系統做一整合規劃，研發資訊中心運作環境整合 監控暨問題診斷系統。本系統同時提供問題診斷與警報系統功能，可連結相關 設備自動啟動，達到全自動化並透過警報裝置通知管理人員處理相關狀況。

表一 各式散熱之優缺點 優點 缺點 氣冷式 ‧系統簡單 ‧相容性高 ‧可靠度高 ‧低維護成本 ‧散熱效益較低 ‧噪音高 水冷式 ‧散熱效益較高 ‧液體為媒介 ‧系統複雜 ‧高維修成本 ‧可靠度低 ‧需補充散熱媒介 熱管 ‧散熱效益高 ‧熱傳速率快 ‧毛細結構 ‧構造簡單重量輕 ‧無保養維修問題 ‧有接觸熱阻之問題(指傳統式之熱管)

二、研究目的

本計畫將研發一整合式環控管理暨環境診斷分析系統，針對傳統機櫃無法 完全散熱及電力品質不佳造成過熱與電子零件燒毀的問題進行改善，並將參考 多種的機櫃散熱方式，規劃本計畫之最佳設計，並且在機櫃內採用智慧型溫度 監控系統及智慧型諧波監控系統，利用溫感裝置及諧波紀錄器有效紀錄及儲存 機櫃內溫度起伏及電力諧波變化之歷程曲線，能適時的對維修人員提出警告。 藉由商用之 FLUENT 軟體、Labview 人機介面，模擬空間內所擺設之資訊設備 發熱量、散熱及電力供電之狀況，並分析指管裝備機殼內、機櫃內、機房內之 溫度分佈、冷熱對流效果及電力品質，本整合式環控管理暨問題診斷分析系統， 將提供資訊中心，用以監控、管理各項機敏裝備運作散熱狀況，並協助使用單 位即時掌握及改善有關環控，如：溫度、溼度、電力品質、裝備散熱及熱管理

等問題。相信此一系統將可提供機敏裝備運作散熱狀況參考，協助使用單位即 時掌握及改善有關環境控制的問題，維持裝備之妥善運作，提升裝備可靠度及 可用度。並協助使用單位即時掌握及改善有關環控問題，維持裝備高度妥善。

三、文獻探討

3.1電力品質 通常電力品質改善方法並非一成不變，無論如何需由現場實地調查，分析其 發生原因及諧波分佈情形，來擬定改善策略或設計適當的濾波器，為此，本研究 以實測為基礎發展出正確且簡單的方法來分析模擬，提供有效的改善方案。 由於近年來電力品質的問題逐漸受到重視，在工廠中非線性負載如不斷電系 統、整流器、變頻器等造成諧波污染，空壓器、加熱器、真空泵浦等間歇性負載 造成電壓閃爍，三相負載分配不均成之電壓、電流不平衡，以上問題都有可能導 致工廠設備當機造成生產損失。尤其以諧波污染問題最為嚴重，也因此成為本研 究的重點所在。 3.2諧波污染 電力系統諧波污染問題就像環保問題一樣，逐漸受到人們重視。電力電子轉換 設備愈被廣泛使用，電力污染就愈嚴重，如何有效抑制諧波污染，以維護電力 品質實為電力公司及用戶之共同目標。為了減少諧波污染所造成之損失，國內 外各電力公司與研究單位近年來不斷致力於諧波測量技術、諧波改善方法與諧 波管制標準等相關領域研究，亦有相當多之研究成果。本節首先將分別介紹諧 波定義、諧波污染源，諧波對系統設備之可能影響。

3.2.1 諧波及相關名詞定義介紹 1 非線性負載(non-linear load): 負載電壓與電流關係有非線性現象，如鐵心激磁 飽和特性及閘流體開關切換特性之負載，會形成諧波源，稱此類負載為非線性負 載。 2 諧波成分: 除基頻以外的的交流週期性信號。 3 整數倍諧波: 除基頻外之整數倍交流週期性信號,如2 級諧波為120Hz(基頻為 60Hz) 。 4 偶次級諧波:偶次級之整數諧波(如2,4,6 級等諧波) 。 5 基次級諧波:基次級之整數諧波(如1,3,5 級等諧波) 。 6 正序諧波(positive-sequence harmonics):級數為(3h+1)之整數諧波(h=1,2,3…) 。 7 負序諧波(negative-sequence harmonics):級數為(3h-1)之整數諧波(h=1,2,3…) 。 8 零序諧波(zero-sequence harmonics): 級數為3h 之整數諧波(h=1,2,3…)。 9 特性諧波(characteristic harmonics): 特性諧波為閘流體整流設備所引起的諧 波如12 脈波(12 pulse)整流設備齊特性諧波為(12k+1)及(12k-1)，k=1,2,3..。 10非特性諧波(non characteristic harmonics):非特性諧波為特性諧波以外之其他 整數諧波,不是閘流體整流設備在正常運作下所引起之諧波,如電源端發生三 相不平衡，閘流體觸發角不對稱或變頻器引起之諧波電源只含基頻成份， 如台電系統之基頻為60Hz。如果電力系統中含有非線性負載如電子轉換設 備、電弧爐及鐵心激磁類負載，會產生非60Hz 之電流成份，即造成諧波 污染。因不同種類之負載產生不同頻率之諧波成份;不同頻率之諧波造成不 同之事故，而針對不同之頻率諧波應採用不同之改善對策。 故波頻率分類有其必要，下列為由不同種類負載產生之對照不同頻率諧波： 1 次級諧波:旋轉電機(如馬達)所產生。 2 特性諧波:閘流體整流設備所產生。 3 偶次級諧波:電弧爐、三相不平衡、半波整流器與不對稱設備所產生。 4 三倍頻諧波:單相閘流體、變壓器、螢光燈。

5 間級或非整數諧波: 變頻器、電弧爐、脈寬調變設備(Pulse Width Modulation; PWM)。 電力系統諧波來源：電力系統諧波源起因於非線性負載，由於非線性負載設 種類繁多，依其負載特性可略分為下列三大類: 1 電力電子轉換類: 此類負載為目前電力系統最主要之諧波源，主要諧波成份為 h=Pk ±1級諧波，P為轉換器(Converter)或整流器(Rectifier)之觸發級數，k=l，2， 3…N。 (a)整流器(Rectifier): 如直流電源供應器、音頻放大器、電源充電器、電動門等。 (b)轉換器(Converter/Inverter): 應用於變速交流電動機驅動系統、感應式電爐、 不斷電供電系、備用電源供應器等。 (c)變頻器(Cycloconverter):如變速馬達、航/太空電源器、交流電動機脈動器等。 (d)截波器(Chopper): 如直流電壓調整器、電車、船用起重機、堆高卡車、直流 電動機之再生式制動器等。 2 鐵心激磁類: 此類負載產生之諧波起因於非線性磁飽和激磁電流。因電力系統 鐵心激磁類負載磁飽和現象不嚴重。故產生之諧波污染遠小於電力電子類。 常用之鐵心激磁類設備如下: (a)變比器: 如昇壓與降壓用電力變壓器，照明用起動變壓器，保護電驛與儀表用 比壓器(Potential Transformer; PT)，比流器(Current Transformer; CT)。

(b)馬達，發電機(建立電勢用旋轉變壓器)。 3 不規則非線性負載: 此類非線性負載因負載特性常具有不規則性或不對稱 性，故較不易分類，其中主要以煉鋼廠電弧爐瞬時短路負載特性，造成電力 品質污染最為嚴重。典型負載如點焊機、切割機、電弧．爐(鋼鐵業)。 諧波對電力設備之影響： 過量諧波成份，可能導致電力設備過電壓或過電流，使設備壽命減短，或發 生立即的事故。因此，認識諧波之定義與來源後，了解諧波可能造成之破壞亦是 認識諧波污染之重要一環。下列分別介紹目前常受諧波破壞與影響之電力設備:

(a)馬達和發電機: 感應與同步電機於轉動時，將會因諧波電壓與諧波電流產生額 外的鐵損與銅損進而影響旋轉電機之機械效率和穩定轉矩。馬達中的諧波電 流除了引起額外的轉動噪音外，轉子與定子至間氣隙之合成磁通亦會引起齒 槽(Cogging)現象，阻擾馬達之平穩啟動。 (b)變壓器: 諧波電流會增加變壓器銅損和漏磁損，而諧波電壓會增加變壓器鐵 損，同時電力諧波亦提高變壓器工作機械噪音和增加變壓器額外的溫昇。 (c)電力輸電線或電纜: 由於諧波電流為基頻電流以外之異常電流，輸電線或電纜 對高頻率之諧波電流有集膚效應與鄰近效應,使額定載流量減少。電纜中如有 過量之諧波電流會產生過熱，使電纜之絕緣層受熱而劣化，縮短電纜之使用 壽命。電纜最高容許電流即安全電流，當電纜中有諧波電流，電纜之安全載 流量必定降低，過量之諧波電流可能破壞導體之絕緣層，發生導體絕緣破壞 而燒毀。

(d) 電 容 器 : 依 據 日 本 JIS/C4901 、 JIS/C4902 、 lEEE/Std18-1992 及 台 灣 CNS-1179、CNS-I372 等標準，對高低壓電容器皆有過壓容許時間規定。電 容諧波事故常因電力系統並聯共振擴大諧波污染，以產生過大之諧波電壓所 致。 (e)計量表(Metering): 計量表和測量儀器可能因諧波污染而影響其正常運轉。特 別在發生諧波因共振而放大時，諸如瓦時表可能因諧波引起三相不平衡而造 成瓦時表的正誤差或負誤差，通常總諧波失要很大(>20%)才會造成表計明顯 誤差。計量表和測量儀器採用專用變比器可避免諧波干擾。 (f)開關設備和電驛(Relaying): 如其他電力設備一樣，諧波將會引起開關設備額 外損失，導致降低正常額定容量與絕緣壽命。保護熔絲因諧波污染會降低正 常額定容量。依據加拿大研究報告報導,部份電驛對小於5%之諧波電壓成份不 會有影響，但對於大於10%之諧波成分時，就必須考慮電譯是否能正常工作。

3.3 監控系統設計

一套完整的監控(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)系統與警 報訊號處理(Alarm Processing)系統，將有助於提升調度人員處理事故的能力，能 夠根據系統情況明確指示引起異常之原因，及提供系統必要的解決措施。本論文 主要發展協助故障與電力品質干擾事件偵測之輔助工具，而且能夠結合既有的監 控系統，直接由控制室內監控主機取回現場之資料，並利用電腦快速處理能力及 診斷演算法，以得到快速且正確之偵測結果，近年來，人工智慧(Artificial Intelligent)方法已被廣泛應用於電力工程領域，如故障區域估測(Fault Section Estimation)、變壓器故障診斷(Transformer Fault Diagnosis)、警報處理(Alarm Processing)及諧波偵測(Harmonic Detection)等，國內外先進前輩對於上述研究領 域所提出之方法，大致可歸納為下列幾項：

(1) 專家系統方法(Expert System)：專家系統方法係結合資深專家之豐富經驗建 立一套知識庫(Knowledge Base)，再經由推論機(Inference Engine)推理演算獲 得推論結果，此法需要大量的知識庫，欲從知識庫中設計出嚴謹有效的推論 規則並不容易，且整個知識庫維護相當麻煩。相關文獻應用於配電系統診斷 與警報訊號處理。 (2) 模糊邏輯(Fuzzy Logic)：模糊集合之觀念常用於處理因語言及智識上產生不 明確性特質上，模糊集合論可視為明確(Crisp)集合論的延伸，彌補二值邏輯 (非0即1)無法對不明確邊界事物描述的缺點，經歸屬函(MembershipFunction) 來表示集合元素對該集合之隸屬程度，然後由模糊規則庫推論其結果，此法 必須先從問題描述來定義歸屬函數，亦需設計出嚴謹有效的推論規則。相關 文獻應用於警報訊號處理、變壓器故障診斷。

四、研究方法

研究主題包括：系統設計、單機與機櫃之散熱、FLUENT輔助分析、Labview 人機介面、智慧型溫溼度監控系統、配置可移動式溫度感測器負責熱點感測、諧 波紀錄及完整資料分析。以下針對系統設計、單機與機櫃之散熱、FLUENT 輔 助分析、智慧型環境監控等研究主題說明如後。 4.1 系統設計 本計畫目的在發展一資訊中心運作環境整合監控暨問題診斷系統，針對機櫃 無法完全散熱造成過熱甚至裝備當機的問題，提供解決方案。首先利用計算流 體力學軟體，模擬資訊中心內資訊設備發熱量及熱散狀況，分析裝備機殼內、 機櫃內、機房內之溫度分佈及冷熱對流效果，以熱傳遞速率為標的，提供資訊 中心監控、管理各項機敏裝備運作散熱狀況，並協助使用單位即時掌握及改善 有關環控，諸如：溫度、溼度、電力品質、裝備散熱及熱管理等問題；同時開 發機櫃智慧型環境監控系統，利用溫溼度感測裝置及諧波記錄器有效紀錄及儲 存機櫃內溫濕度及諧波失真等資料，並在進行資料分析後適時對維修人員提出 警告並提供可能問題預先診斷功能。相信此一整合型式的系統，將可協助使用 單位即時掌握及改善有關環境控制的問題，以及維持單機裝備之妥善運作，提 升裝備可靠度及可用度。 4.1.1 LabVIEW 控制技術

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種可採 用圖型(graphics)物件與方式來進行程邏輯的規劃與建立程式執行的環境。 LabVIEW 這種程式語言與 C、Pascal 或 BASIC 等以文字撰寫的傳統程式語言 相較，有較顯著的差異。然而，LabVIEW 不只是程式語言，更是為一些工作上 需要撰寫程式的科學家與工程師所設計的程式規劃與操作系統。LabVIEW 可以

在微軟 Windows 為作業系統的 PC、MacOS、Sun SPARCstation 及 HP-UX 為作 業系統的 HP9000/700 細冽的工作站上執行。由於 LabVIEW 採用圖形化的方式 來進行程式編輯，因此 LabVIEW 亦可稱為“G 程式語言”。 LabVIEW 程式開發環境與市售 C 或 BASIC 等程式語言有相當大之差異。 後者需由龐大的文字來組成成千上萬行的程式編碼，而 LabVIEW 卻是使用圖 形程式語言，以稱為方塊圖的圖畫形式來創造開發程式，因而消除了許多傳統 程式語言語法上之細節。採用此種圖形化的方式，您可以在使用時，將注意力 集中在系統邏輯架構與資料流，不需要在程式語言之語法上的細節耗費太多心 力。然而此種較簡單的語法並不會使程式能做的事情變少或使效率變差，相反 的大大的提升程式開發之效率。這也此計劃選用 LabVIEW 來進行程式撰寫規 劃之原因。本文以 LabVIEW 設計溫溼度監控系統，藉由虛擬儀表即時顯示溫 溼度變化曲線，並可依據環境需求設定上下限值，當不符合需求時，發出警報， 通知維修人員進行修復，此外，本系統可顯示每分鐘各感測器變化曲線，並加 以儲存，以利資料庫建立。系統程式設計可分為兩部份而 LabVIEW 主要分為 兩個部份，分別為人機介面(Front Panel)圖二與程式方塊圖(Block Diagram)圖 三。

圖三、程式方塊圖(Block Diagram) 4.2 智慧型溫溼度監控 智慧型溫度、溼度監控系統，全系統方塊圖如下圖五所示，本系統可分成溫 度與溼度部份，搭配相容的資料擷取卡，將訊號傳至個人電腦，進行數據分析， 因此本系統由感測單元、資料擷取卡(DAQ)及個人電腦 PC 所構成，各單元之 結構說明如後。 圖四、系統方塊圖 4.2.1 溫度感測器 本研究選用 T-type 熱電偶，測量範圍為-200℃～350℃，由於熱電偶的作

動方式是不需要電力的，而是藉由前端的二條熱電偶線點銲在一起的端點來量 測。因為二條線的材質不同，在遇到溫度變化時會產生電位差，藉由電位差來 換算成溫度值，來完成感測的目的。 4.2.2 溼度感測器 溼度感測器由國內錫麟企業有限公司所生產，為電壓輸出式電容濕度感測 器。其外觀如圖五所示，長寬僅約為8×12mm。808H5V5的相關規格如表四所示， 工作電源為直流電源5V，訊號輸出0.8~3.9V代表相對溼度0%~100%，表五為操 作環境為25℃時，在不同相對溼度所對應的電壓輸出值，其溼度與電壓的關係 式，如下圖六所示。由圖七可得知當30%RH至80%RH是感測器表現最佳的工作 範圍，精度可達±4%RH，在此範圍外的操作環境則會有較大的誤差產生。 12 . 26 V 31.92 (%RH) Humidity   _out  (1) 圖五、電壓輸出式電容濕度感測器

表二、808H5V5 相關規格列表

Model 808H5V5

Measuring range 0~100%RH Signal output 0.8~3.9V@25℃

Accuracy < ±4%RH(at 25℃, 5VDC, 30~80%RH) Electrical current (Ic) Typical current: 0.38 mA; max current < 0.5mA

Power supply 5V DC ±5% Operating environment -40℃~+85℃

Storing environment -55℃~+125℃ Responding time <15s

Stability <1%RH per year

表三、808H5V5 相對溼度與對應之輸出電壓(25℃, 5.0V DC) 相對溼度(%) 30 40 50 60 70 80

808H5V5(V) 1.73 2.08 2.41 2.72 3.01 3.30

圖七、808H5V5 操作精準度範圍 4.2.3 資料擷取卡(DAQ) 本研究使用了 NI 公司所生產的資料擷取卡(DAQ)，在此選擇型號為 NI USB-9211A 及 NI USB-9201，如圖八至圖九所示。USB-9211A 適用於各型式熱 電偶，可輸入 4 個熱電偶，以及 24 位元的解析度與體積小，並且可透過 USB 的隨插即用連結。NI USB-9201 類比輸入訊號，具有 8 個通道，輸入電壓範圍 ±10V，為 12 位元的解析度，且具有過電壓保護，以及搭配 NI USB-9162 使其 具有 USB 隨插即用之功能。 圖八、NI USB-9211A

圖九、NI USB-9201

4.2.4 個人電腦

PC 端主要執行資料收集與分析，將感測器所測量之訊號，經由 LabVIEW 軟體進行分析及處理，藉由軟體將訊號轉成波形與數值資料，顯示在前置面板 上，此外，將數值資料儲存於電腦中，以便建立資料庫。

4.2.5 前置面板(Front Panel)

設計所需的虛擬儀表面板，而本文所設計之前置面板，如圖十所示；上下 限，定義所測量之溫溼度；歷程曲線，顯示各時間點溫溼度之變化。本面板功 能尚有設置每分鐘溫溼度曲線變化，並顯示其最大、最小及平均值；使用者可 在任何時間停止程式作動；面板尚有設計資料儲存功能，根據使用者來定義存 檔位置，能更方便掌控監測環境。

圖十、前置面板 4.2.6 圖示區(Black Diagram) 為圖形化程式設計環境，每一個前置面板皆對應一個圖示，即為 LabVIEW 內的 VI 圖形原始程式碼，以圖形化程式語言(G 語言)所撰寫。整個圖示區是由 許多的 VI、小圖示(ICON)及 0 節點連結而成，如圖十一所示，整體外觀如同一 個流程圖，透過節點的串聯，便可處理循環、順序和規則等程序控制的結構流 程圖。 圖十一、圖示區

4.3 智慧型諧波監控系統設計原理 4.3.1 諧波紀錄器 本次計劃諧波測量部份，採用 HIOKI 公司的諧波紀錄器，選用的型號為 8807 及 3284 交直流兩用勾表。圖十二為諧波紀錄器測量示意圖，其詳細規格如表四 所示。本儀器可藉由測量電力來源之正負端，進而長時間紀錄整個模擬機櫃運 作時之電力諧波狀況。而此紀錄之料將作為往後系統傷害評估之依據。圖十三 為系統紀錄資料之流程。 圖十二 系統之諧波紀錄流程 由諧波記 錄器紀錄 諧波記錄 資料存檔 Labview人機介面 分析系統 諧波電壓 諧波電流 資料內容: 奇次諧波 總諧波失 資料內容: 奇次諧波 總諧波失 Labview模糊理論運 算 諧波傷害 評估 分 析 目 標

圖十三 諧波紀錄器 HIOKI 8807 測量

4.3.2 奇次諧波說明 記錄奇次 n3~n19 諧波失真率，由於經過多次測試以及參考諧波相關文獻後， 發現偶次諧波對於機櫃所產生之諧波影響相當少，因此可忽略偶次諧波失真 率。左方可設定失真率上限值，其測試情況如圖十四所示，此上限值可參考機 櫃用電量及台電諧波管制進行設定。 圖十四 奇次諧波測量情況 4.3.3 諧波電壓與諧波電流說明 如圖十五所示，此視窗為紀錄諧波電壓及諧波電流知總失真率 THD_(V)％(式 2)、THD_{( I)}％(式 3) THD_(V) = 1 2 2 V V N N N



 × 100％ (2) THD_{( I)} = 1 2 2 I I N N N



 × 100％ (3)

圖十五 諧波電壓與諧波電流測量情況 4.3.4 諧波傷害評估 將諧波電壓總失真率與諧波電流總失真率進行模糊運算，以所得之值將做為諧 波傷害評估之依據。圖十六為 LabVIEW 內建之模糊邏輯判斷式，藉由此模糊 邏輯判斷式進行 Fuzzy 推演異常次數限制即為預警值，由使用者參考原廠使用 手冊及與技術人員商討後自行設定，右方量桶為系統異常之累積值。其測試情 況如圖十七所示。 圖十六 Fuzzy 模糊邏輯判斷式設定

圖十七 諧波傷害評估

4.4 智慧型環境診斷系統設計原理

依據上半年之成果，電腦資訊中心模擬模型，建立運作環境參數蒐整平台及初 步運作參數資料庫，後續下半年度將加入諧波測量及分析部份。藉由上半年度 環境資料蒐整與後半年度諧波失真等資料，進行模糊邏輯(Fuzzy)判斷式制定， 而此判斷式為智慧型環境診斷系統資料分析之重要依據。圖十八為整合後之系 統介面，而圖十九為環境診斷系統之紀錄流程。

圖十八 整合後系統介面 測量目標: 環境: 溫度 溼度 機櫃: 溫度 溼度 諧波: 電壓 電流 諧波失真率 諧波失真率 溼度 溫度 溼度 溫度 紀錄: 機櫃及環境溫度 與溼度 紀錄: 機櫃及環境溫度 與溼度 紀錄: 機櫃電源之諧波失 真率及奇次諧波值 紀錄: 機櫃電源之諧波失 真率及奇次諧波值 溫濕度計、 諧波記錄器 等儀器測量 溫濕度計、 諧波記錄器 等儀器測量 測量目標: 環境: 溫度 溼度 機櫃: 溫度 溼度 諧波: 電壓 電流 諧波失真率 諧波失真率 溼度 溫度 溼度 溫度 紀錄: 機櫃及環境溫度 與溼度 紀錄: 機櫃及環境溫度 與溼度 紀錄: 機櫃電源之諧波失 真率及奇次諧波值 紀錄: 機櫃電源之諧波失 真率及奇次諧波值 溫濕度計、 諧波記錄器 等儀器測量 溫濕度計、 諧波記錄器 等儀器測量 圖十九 診斷系統之資料紀錄流程

五、結果與討論

5.1 實驗設備 以FLUENT及LabVIEW兩套軟體，進行資訊中心之數值模擬分析與監控介面 建構。藉由FLUENT模擬後發現，機櫃與除濕機產生之發熱量，會使空間中幾處 位置的溫度較大部分位置溫度略高，例如除濕機相鄰之牆壁面之溫度，或者是機 櫃之外殼，而這幾處位置溫度較高，也就是因為熱堆積的產生，也可能是造成機 櫃中伺服器當機的原因；以LabVIEW建構資訊中心運作環境整合監控暨問題診 斷系統介面，並藉由內建Fuzzy邏輯資料庫，進行最後的資料庫分析及系統損壞 判斷。 本研究使用 FLUENT 軟體來模擬資訊中心空間的熱散分析，探討資訊中心 空間在發熱源(機櫃與除濕機)運作時溫度分布情形。並且於 Solid Works 軟體建 構模型和 GAMBIT 網格建立結合，可有效地縮短建立模組及分析的時間。 以電腦資訊中心為模型，量測管理機房（大環境）之溫度、溼度，以及依照 其管理機房實際尺寸量測，設計初期使用CAD繪圖套裝軟體solidworks建立其管 理機房(大環境)模型(如圖二十所示)，其中發熱體的尺寸，單一機櫃長、寬、高 分別為620×1075×2000㎜，除濕機則為640×605×1750㎜，其熱通量分別為390_{w s}2 (單一機櫃)、483w s2 (除濕機)；機櫃外殼與除濕機使用的材料為鋁，此模組是 由發熱體(兩個機櫃與除濕機)、一組空調系統所組成，然後轉檔使用套裝軟體給 gambit參考，再考慮並重新設定對熱分析有影響的物件及系統排列，在幾何模型 建構完成之後，必須建構網格(mesh)，網格大小與形狀對分析結果有很大的影 響，後而進行參數設定、網格之處理。由於FLUENT採用GAMBIT為前處理器， 因 此 我 們 先 將 機 房 空 間 的 IGES 檔 輸 入 到 GAMBIT 之 後 ， 其 餘 的 物 件 皆 在 GAMBIT 裡面建立，最後分別在相關的位置定義所需的邊界條件，其網格大小 和邊界條件。

圖二十 幾何形狀與其空間配置 建立完網格之後，經由FLUENT 載入後，設定所有邊界性質與演算模式， 則進行求解。室內流場模擬部份:空調室內送風氣流分佈，除了受送、回風設計 參數的影響，還有室內機櫃熱源產生及機櫃的擺設、與其他室內空間的氣流交換 都會對其造成影響，因此對室內空調氣流運動徹底了解，才能進一步改善空調設 備送風效益。 經由FLUENT之模擬分析後列出最適當環境測點，如圖二十一所示，而圖二 十二為內部機櫃感測點放置情況，藍色方塊為溫度感測點，紅色圓圈為濕度感測 點，並將所有感測器附上編號以利於後續資料歸類。 圖二十一 資訊中心示意圖

圖二十二 資訊中心機櫃示意圖 5.2 硬體設備 以下為本計劃中所用到的硬體設備: 1. 個人電腦:執行資料收集、儲存與分析、以及模糊計算。 2. 電源供應器:提供溼度感測器5V電源，而12V電源則提供達靈頓電晶體，作 為放大電流支用。 3. T-TYP電熱偶：溫度感測元件。 4. NI9201：溼度感測元件。 5. NI9211 : 用於溫度擷取，為類比輸入訊號。 6. NI9263：類比輸出電壓，作為控制風扇電壓支用。 7. 達靈頓電晶體：放大電流。因NI9263最大可供應電流為１ｍＡ，不足以啟 動風扇，所以必須進行電流放大。 8. 散熱風散：使機櫃內部產生強制對流，達到散熱效果。 9. 諧波紀錄器：進行機櫃之主要電源測量，測量對象為主電源之電壓及電流 諧波，(圖二十三)為完整模擬系模型圖。

圖二十三 環境問題診斷系統模擬模型 5.3 智慧型溫溼度監控系統 透過虛擬儀表圖控軟體 LabVIEW 8.2 版，進行人機介面設計，藉由軟體研 發出一套即時監控與顯示資訊中心之溫溼度變化情形，透過軟體建構人機介 面，軟體設計流程如圖二十四所示，程式啟動前，先行鍵入數據存檔位置、溫 溼度上下限以及警報預警次數，設置警報預警次數之目的，提供維修人員在感 測處之溫度或溼度，已達到預警的範圍，需要特別注意此處之散熱情況與除濕 機運作情形，或是感測器是否故障。圖二十五與圖二十六為本研究所研發之溫 溼度監控系統實際運作情形，其溫度設定範圍：15～25℃;溼度設定範圍：20 ～80%RH，各感測器之測量數據，皆可由監控螢幕得知，且可藉由視窗切換功 能，得知資訊中心環境及左右機櫃內溫濕度情況及風扇運轉電壓，達到有效之 人機介面監控功能。本系統設有數據儲存功能，將每分鐘 60 筆數據儲存為 EXCEL 檔，如圖 x 所示。本系統設置警報裝置，當機件的溫度及風扇電壓高於 臨界溫度時，警報單元發出聲響，並在訊息框中顯示超過上限、低於下限或者 正常，此訊息框可適時提供使用者維修訊息，更能加強系統的可用度。

圖二十四、軟體設計流程圖

圖二十六、溼度監測實際運用情形 圖二十七、 EXCEL 資料檔 5.4 智慧型環境診斷系統 同樣也是過 LabVIEW，進行人機介面設計。本系統藉由先前開發智慧型溫 濕監控與智慧型諧波監控系統所蒐整之資料庫，並以 LabVIEW 之 Fuzzy 邏輯 規則庫為主要判定準則，可進行資料庫分及環境不良因素所照成之損害評估。 分析軟體設計流程如圖二十八所示。其介面主要功能為奇次諧波、諧波電壓與 諧波電流、諧波模糊運算、溫度與溼度開檔資料、溫度與溼度模糊運算、總模

糊運算值。在開啟分析系統請先完成資料範圍、諧波模糊運算值上限、溫溼度 模糊運算值上限、總模糊運算值之受損百分比上限及運算值上限和測量時間等 設定。 隨後按下啟動鍵開始進行資料分析，當程式進行開檔動作會進行兩次開檔動 作，第一次開檔為溫度溼度紀錄資料，第二次開檔為諧波紀錄資料，開檔完成 後開始進行資料分析及顯示分析結果，其實際分析情況如圖二十九所示。 分別由諧波記錄器及溫 濕記錄器紀錄系統諧波 及溫度溼度資料 諧波記錄及溫度溼度 資料存檔 Labview人機介 面分析系統 諧波電壓 諧波電流 溫度 溼度 資料內容: 奇次諧波 總諧波失 真率 資料內容: 機櫃之溫度 與溼度 Labview模糊理論 運算 分 析 目 標 分 析 目 標 諧波模糊運算值。 諧波影響警示。 溫度與溼度整合模糊 運算值。 溫度與溼度影響警 示。 Labview模糊理論 運算 整體損害評估 分別由諧波記錄器及溫 濕記錄器紀錄系統諧波 及溫度溼度資料 諧波記錄及溫度溼度 資料存檔 Labview人機介 面分析系統 諧波電壓 諧波電流 溫度 溼度 資料內容: 奇次諧波 總諧波失 真率 資料內容: 機櫃之溫度 與溼度 Labview模糊理論 運算 分 析 目 標 分 析 目 標 諧波模糊運算值。 諧波影響警示。 溫度與溼度整合模糊 運算值。 溫度與溼度影響警 示。 Labview模糊理論 運算 整體損害評估 圖二十八 系統分析流程

圖二十九 問題診斷系統實際分析情況 5.4.1 系統功能介紹 1. 奇次諧波 : 紀錄該段時間內 n3~n19之奇次諧波，由於奇次諧 波至 n=19 時所測量之值已相當小，所以 n=19 之 後的值便不列入考量。 2. 諧波電壓與諧波電流 : 紀錄該段時間內之諧波電壓諧波電流，此紀錄資 料為往後諧波損害判定之重要依據。 3. 諧波模糊運算 : 以先前所紀錄之諧波電壓及諧波電流進行 Fuzzy 邏輯推演，此結果為初步諧波不良損害評估 4. 溫度與溼度開檔資料 : 紀錄該時間內環境及機櫃溫度與溼度資料。 5. 溫度與溼度模糊運算 : 同樣紀錄之溫度與溼度資料進行 Fuzzy 邏輯推演 ，此結果為初步溫度與溼度不良損害評估。 6. 總模糊運算值 : 將諧波模糊運算值與溫溼度模糊運算值數據進行 最後的 Fuzzy 邏輯推演。

5.5 總結 機櫃的散熱效率一直是存在的問題，除了現今電子元件的效率提高之外，元 件本身的溫度也相對提高，因此提高機櫃散熱效率為本研究主要目的之ㄧ。本文 所提到單機與機櫃散熱，為求不易受空間限制、施工容易以及系統簡單化，因此 選擇氣冷式散熱，加強機櫃之入口風速，由模擬分析也可得知，增加風速可有效 的帶走熱量。再者，若空間施工方便，本文建議可選擇熱管式散熱，更或者冷卻 效率較佳之水冷式散熱，本文相信透過散熱效率較佳的散熱機制，可在短時間內 將熱量由機櫃帶走，使熱囤積處之溫度能達到容許範圍。 本研究透過 LabVIEW 之人機介面的研發為另一研究重點，使用人機介面進 行多方控管，可使得原本測量時所需之龐大設備得以簡化，以達到經濟效益實 用的目的；藉由本研究所設計之介面，可即時掌握各單機伺服器，出風口、內 部及表面溫度、溼度、風散電壓、諧波效應等資料，讓使用者能輕鬆掌資訊中 心及機櫃內之運作情況，判斷是否超出設定範圍，提升智慧型系統之精確度； 問題診斷系統最後分析結果，可讓現場監控人員得知機櫃及環境受到溫溼度及 諧波等不良影響程度，以提供操作人員，排除因環境因素而導致機件故障之可 能性；本系統具有儲存各個感測器所擷取之數據的功能，能方便建立資料庫， 以提供維修人員，作為往後設備調整及維修之參考依據；系統設置警報裝置， 當設備超過使用者所設定之上下限時，警報單元發出聲響，並在訊息框中顯示 超過上限、低於下限等異常，此訊息框可適時提供使用者維修訊息，更能加強 系統的可用度。

六、計畫成果自評

本計畫預定完成之目標： 完成環境整合監控系統及警訊裝置建構，並透過可移動式的感測器，蒐整並 監控、管理機房（大環境）之溫度、溼度、電力品質狀況，及完成各單機監控點 之選擇和感測器安裝，蒐整並建置資電裝備運作時之相關性能參數，以有效掌握 資電裝備運作現況，降低環境因素所造成之裝備故障。 本計畫在學術研究及國家發展之貢獻： 本計畫以電腦資訊中心為模型發展一整合式環控管理系統，用以監控、管理 各項資電裝備運作時受到溫度、溼度、諧波等不良影響之狀況，俾應用於國軍作 戰中心通、資、電指管裝備運作環境及危險軍品（如油、彈庫）儲存設施之問題 診斷、預警分析，提供國軍單位即時掌握、改善有關環控因素所肇致之裝備故障 及潛在之危險因素。 相關研究議題包括： 1.機械熱流：指管系統運作環境溫度、溼度場域分析及通風空調分析。 2.微電子感測：溫度、溼度、電力品質、裝備散熱感測之整合感測技術。 3.自動控制：環境及裝備運作狀況即時監控、預警系統模式。 4.系統整合與運用：監控整合系統。 本研究成果可推廣致有特殊環控需求之單位（如作戰中心、彈藥庫、油庫）： 1.可運用於作戰中心即時蒐整、掌控通資電裝備運作環境及各項性能之 參數，改善有關環控因素所肇致之裝備故障。 2.可運用於油、彈庫等單位隨時掌控其儲存環境狀況，先期掌握危機因子 ，予以預防。

表五、自評表 預定完成項目 目的 進度 ％ 建立電腦資訊中心模擬 模型 模擬現場之機櫃及環境狀況 100 ％ 智慧型溫溼度監控系統 掌握模型之溫度溼度變化情況 100 ％ 諧波監控分析系統 掌握模型之電力品質變化情況 100 ％ 系統功能整合 將諧波、溫度、溼度監控系統進行整合 100 ％ 建立智慧型問題診斷系 統 整合系統並進行模擬數據分析 100 ％ 進行實際功能驗證 將蒐整之所有資料進行分析並展現分析 結果 100 ％

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