無線射頻通訊於能源管理之應用

前言

建立全廠能源管理系統與晶圓廠房生產機台現場之網路基礎架構，作為日後進行機台耗能量測，直接與能源管理系統進行資料連結，使廠內能夠建立所需的系統和程序以持續改善能源績效，使用無線射頻(Radio Frequency，以下簡稱RF)技術可降低施工成本與風險，簡易且安全的安裝方式取代傳統硬線拉線方式，無線比流器(Current Transformer, CT)直接安裝於需量測之電力線上，無須外接電源，藉由量測之電力線提供傳輸訊號的能量，可將耗能資料立即回傳，故能更有效率且快速的建置能源管理系統。

射頻(RF)與無線通訊系統

就無線通訊的運用發展而言，迄今已近半個之久，在製程上：究因於半導體製程的進步，使得能夠以更微小的晶片組產生更高的通訊效能，如SoC(System on Chip)，加上利用低溫共燒陶瓷的技術(LTCC)，建立起前端(Front-End)模組及功率放大器(PA)模組等，使得通訊產品，能夠傳輸距離更遠、傳輸資料更多、通道頻寬更大，而在產品的本身則成本與體積的改善。在電磁波頻率低於100khz時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高於100khz時，電磁波可以在空氣中傳播，並經大氣層外緣的電離層反射，形成遠距離傳輸能力，我們把具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻(RF)， 表1概要列出了頻帶的各項術語。

RF的接收部份：由天線(Antenna)將空氣中傳播的頻率接收下來，而在天線的設計上，是將特定的頻率接收下來，例如：GSM手機是900、1800 MHZ的頻率，WLAN則為2.4G、5.2GHZ的頻帶。之後經由濾波器先將不必要的雜訊及頻率濾除，再經由LNA (Low Noise Amplifier)將把空氣中微弱的信號放大處理。由於空氣中無法傳送高頻信號，是故必須將基頻與高頻信號做解調變的動作。另外加上頻率屬於類比信號，而電子產品屬於數位信數，是故必須再進行A/D (類比/數位)的轉換。

RF的發射部份：同理，發射與接收的程序恰好相反，先行做D/A (數位/類比)的轉換，再經所謂的基頻調變，形成載波的形式以備發射，如何信號在空氣才不致於衰減失真，造成資料傳遞的錯誤。另外發射時必須使用在特定BW (Bandwidth)中，是故使用VCO (Voltage Control Oscillator)去控制固定的頻率。另一部份為PA (Power Amplifier)功率放大模組，將微弱的電波信號放大，最後再將由天線的部份將信號發射出去。

無線通訊架構建置

藉由RF無線傳輸方式，取代原先使用RS485硬線通訊，透過無線通訊模組，如 表2所示，將RS485硬線訊號轉為429MHz的無線數據傳輸，採用透明傳輸的方式將RS485的資料轉成ISM無線頻段的429MHz無線訊息並傳送出去，直接與能源管理系統進行資料連結，且無線通訊模組提供在9600bps的無線鮑率與直線可視的環境下可達到1000公尺的傳輸距離，為了克服在惡劣環境中可能會遇到的干擾，無線通訊模組可以調整無線傳輸鮑率最低到650bps，以增強抗雜訊與抗干擾的能力，此外，可調整無線頻道與群組ID的特性，可有效的避免相鄰的兩個無線通訊模組網路互相干擾，使用者可以透過簡單的調整16段的頻道與8個群組來實現區分與控制不同的無線通訊模組網路，大部分的設定方式都是透過旋鈕與指播開關完成，也因為這個特性使得系統維護需要更換無線通訊模組的這件事變得簡單。

現場機台與廠務設備耗能則使用無線CT來量測其耗能，無線CT將耗能資料以433MHz傳送至資料收集器，再藉由無線通訊模組依群組來接收機台耗能資訊，回傳至現場能源監控電腦，如此一來可建置出一套完整無線通訊的能源管理平台，如 圖1所示為無線通訊架構圖， 圖2為能源管理平台架構圖。

圖1、無線通訊架構圖

圖2、能源管理平台架構圖

無線通訊模組與無線CT規格

如 表2所示，為無線通訊模組規格，有多個無線頻段可使用，在建置無線通訊架構時，可避免使用相同頻段發生衝突，頻段設定方式使用旋鈕以及指撥開關即可，並可提供兩種通訊埠(RS-232與RS-485)，通過EMS保護檢測，防止通訊過程中遭受干擾， 圖3則為實體圖。

圖3、無線通訊模組實體圖與硬體介面

表3為無線CT規格， 圖4為實體圖，無線頻段為固定，但有多個頻道與群組編號可供使用，搭配出多種組合方式，而傳輸天線使用PCB天線，有體積較小、輕量和平面組態等優點，適合於小型結構體上，但天線增益較低，傳輸距離與穿透力較差，需搭配無線通訊模組作為中繼站，而無線CT供電方式取自於量測的電力線，無須外接電源，但量測電力線之電流需大於二安培，才能提供無線CT傳足夠的傳輸能量，且支援多種口徑CT種類，但不支援羅氏線圈。

圖4、無線CT 實體圖

設計一架構來驗證無線CT精準度，將無線CT感測器安裝於電盤內，如 圖5所示，

圖5、無線 CT 安裝於電盤內

使用資料收集器將感測器量測值回傳給主站顯示器，如 圖6所示，其功能如 表4所示，

圖 6、無線 CT 測試架構圖

無線CT量測回傳值與電錶實際量測值相比，量測誤差值均小於±5%，符合規格，量測結果如 表5所示。

無線通訊系統架構圖

使用無線發送器來量測廠內點對點RF訊後強度，藉此來評估無線通訊平台架設方式，由 表6我們可得知，機台區內距離資料收集器半徑27公尺內訊號強度可達127(>127)，故機台區以半徑27公尺作為群組劃分的依據。穿樓層則因會受到管路與電力tray阻礙，所以群組劃分皆以水平方式進行。

建置區域已樓層來劃分，每層樓可分為四大區域，以單一區進行說明，該區目前架構有3組資料收集器，可接收90組機台與廠務耗能資訊，如 圖7所示。使用Hub總共可擴充至16組資料收集器，接收480組機台與廠務資訊，如 圖8所示。使用無線通訊進行能源管理，可快速地擴充需監測的點位，除了硬線的人力費用，以更加靈活和廉價的方式來收發資料與維護設備，可大幅減少建置成本，但機台區內易受管路阻礙而影響無線通訊的有效傳輸距離，故設置時須妥善評估現場安裝位置。

圖7、單一區系統架

圖8、系統擴充架構

能源管理平台用電資料建置

硬體規劃方面，本系統系統主機區分為兩部分：

• 現場資料收集中繼站(CIP-D)，規劃在一樓廠房中佈置8台，在HPM四樓及CUP二樓中各佈置1台，合計共10台，採用嵌入式主機(Embedded system)，以ethernet連結現場，另以10G光纖將資料轉送耗能資料收集平台(CIP-M)
• 耗能資料收集平台(CIP-M)，F14P5建置一台server主機，收集全廠現場資料收集中繼站(CIP-D)之資料，位於CUP監控中心能源管理專用機櫃中。

軟體規劃方面，我們採用開源分散式NoSQL資料庫系統Apache Cassandra。因其具有良好的可延展性、可配置的資料一致性、採用與SQL語言類似的CQL語言來實現資料模型的定義和資料的讀寫、記錄檔型資料庫可輕鬆複製及備援資料等特性，因此在一致性、可用性和分割耐受能力(CAP)的折衷問題上，它可以根據具體情況來選擇一個最佳的折衷，來滿足特定操作的需求。

當一個新的監控點要加入時，我們必須在CIP-D上為其新增tag點位來收值再傳送至CIP-M，並存入NoSQL數據庫中，為此需修改到5個設定檔，各設定檔之功能說明及修改流程，分別如 表7及 圖9所示。

圖9、Tag 設定檔修改流程

以下以一個案例說明來說明建點流以下以一個案例說明來說明建點流程(修改流程如 圖9所示)。

• 為了確認設備是否有連接到CIP-D，先使用OPCDA.NET Test Client程式至實體層讀取設備傳送過來的數值，如 圖10所示，Quality顯示BAD且Value無數值，則表示設備無確實連接到CIP-D；反之，如Value讀值與現場設備一致，則表示設備連線正常。

  圖10、測試連線狀況之程式

  
• 修改DM-DriverManager.xml，設定設備所使用之傳輸通訊協定包含DriverType、鮑率及DataBits等參數，如 圖11所示，另外依據不同的Relay設定，所要讀取的資料Address及DataType不盡相同，需參考各Relay的使用手冊，以本文所使用的RF無線CT之平均電流值為例，Address為40321、DataType為DWord_R。

  圖11、設備所使用之傳輸通訊協定設定檔

  
• 修改OPC DataCollector-tagconfig.json，此處主要要定義所收到的設備數值TagName以及Protocol，RF無線CT採用的Protocol為Modbus，如 圖12所示。

  圖12、CIP-D 上設備數值TagName 以及Protocol 之設定檔

  
• 修改 Data Transform-transform.xml是由於各廠牌Relay之數值單位不同，因此這裡可根據管理者的需求做數值的權重計算， 圖13所示，已本文RF無線CT之平均電流值為例，需經過weight = 0.1的轉換才是我們所要的數值。

  圖13、定義計算權重之設定檔

  
• 修改IISWebServer-tagconfig.json則可參照步驟(3)，此處是為了在CIP-M上建立Tag來接收CIP-D傳送過來的數值，如 圖14所示。

  圖14、CIP-M 上設備數值TagName 以及Protocol 之設定檔

  
• 為因應CIPM傳值至SI Intouch之需求，於CIPM安裝OPC_LINK供SI Intouch取值，其取值標籤需於DANSrv.Items.xml設定定義。
• 建置好的Address，可立即於能源管理平台呈現量測用電量之即時數據，如 圖15所示。

  圖15、能源管理平台

  

結論

使用無線通訊對於現場設備是個符合經濟效益的能源管理方案，比起硬線配置工程更具彈性與機動性，無線CT可直接安裝於各類電箱內部，內建電池可儲能來發送訊號，可持續對於用電資料進行監控，每組無線CT安裝費用與硬線配置相比，可省下六成經費，但須考慮電箱遮蔽問題對於無線訊號的影響，與現場環境考量，故規劃前須藉由訊號發送器來評估現場施作可行性。安裝後的無線模組，工程師可由遠端電腦進行用電資料的建置，直接抓取設定好的位址，可直接於能源管理平台即時監控數據。並培養工程師NoSQL系統(無license費用問題)建點及除錯技能，可節省維護費用 (每點300元)及時程 (由三天減為兩小時)，故對運轉廠來說，是最有效益的管理方案。