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WiFi無線通訊應用於氣壓執行元件順序控制之實作研究

摘要"

隨著科技日新月異,現今5G網路傳輸逐漸朝向具有大容量傳輸、低延遲、巨量物連網的特性發展,物聯網更可藉由高速網路通訊,進行設備與廠區監控快速掌握各機台設備運作情況,以往控制器只需高速處理內部程式速度,但現今控制器也開始加入無線網路傳輸功能介面,不但能接受遠端調整後的參數,並能藉此改變受控體的運作狀態。其基本原理是透過通訊位址IP以及通訊埠,就可以利用WiFi連接到控制器內部調整設備參數與資料擷取。
本文將以WiFi無線通訊結合手機/平板介面作為元件間的訊號傳遞技術,本文所實作研究的控制架構可分為三個部分:無線傳輸模式、雲端網路通訊以及元件硬體控制等。另外,在氣壓執行元件順序控制模式中則包含三種控制模式,分別是作動次數控制模式、作動次數及終點計時延回控制模式以及利用手機遠端輸入參數達成多氣壓缸順序控制模式等。

關鍵詞:氣壓、順序控制、WiFi、無線控制、氣壓執行元件

緒論

現今無線通訊科技廣泛應用,智慧型設備已經成為生活中不可取代的物品,網路通訊逐漸由有線傳輸轉變為無線傳輸發展。西元2011年,德國在漢諾威工業博覽會提出工業4.0計畫,其中物聯網IoT是一項非常核心的技術基礎,物聯網的基本概念是將時間、地點、物品透過通訊將其連接在一起進行訊息交換,形成一個巨大的網路。工業4.0的核心意義,由三個技術高度整合的數據服務。分別為資訊系統(IT)、操作系統(OT)與通訊系統(CT),現今已有部分工廠走向智慧化生產,但IT與OT的整合,若能再加入CT的話,工程師就可以藉由無線網路,例如:藍牙(Bluetooth)、Wi-Fi、4G/5G、LoRa、ZigBee等等無線通訊技術,將IT與OT的數據傳送至運算能力強大的智慧型手持式裝置,透過接收或發送數據至後端資料庫進行資料分析,形成大數據(Big Data)。
目前工業界應用的氣壓執行元件皆是利用可程式邏輯控制器PLC來執行順序控制,主要是透過硬體I/O接點及有線之配線方式傳輸控制訊號驅使氣壓執行元件作動。本研究則將使用WiFi無線通訊技術並結合手持型手機/平板,再搭配成本低的微電腦單晶控制器來達到無線控制與監控的功能。
智慧型手機硬體效能日新月異,可媲美一台個人電腦運作狀態,在全球行動裝置的持有率已經超越桌上型電腦。在手機普及的時代中,若行動裝置手機可取代電腦成為下一代的分析工具,不僅攜帶方便,成本低,更可為工廠帶來生產力。現代工廠規模擴張越大,部門分工越來越細,當管理者或工作人員想知道一些資訊時,通常必須找某位當事者詢問所求資訊,然而現在如果用手機就可以方便知道所求資訊,不僅可以增加工作效率也可使資訊流通更為便捷,不論對工作者或管理者皆有幫助。另外,物聯網設備在工業界已逐漸普及,各種通訊規格與介面也越來越多樣化,但它的主要架構基本上還是包含二大部份,亦即無線通訊模組與處理晶片。因此本文希望透過WiFi模組與微電腦單晶控制器的結合,透過實作可以針對氣壓執行元件達成監控與控制的雙重功能。

軟硬體系統架構

本小節介紹開迴路順序控制氣壓執行元件之硬體架構以及使用軟體。開迴路硬體主要是使用兩個電磁閥、兩個氣壓缸與兩個紅外線測距感測器組成。其中電磁閥供電為DC +24V、紅外線測距感測器為DC +4.5-5V,所以電磁閥與紅外線測距訊號端雖然都接到WiFi模組,但因24V電源會將控制器(含WiFi模)組燒毀,所以會用電晶體開關隔離輸入與輸出端點,圖1為開迴路氣壓執行元件硬體架構。
圖2為開迴路WiFi無線控制系統架構,利用手機傳輸HTTP訊號給WiFi整合模組來控制氣壓電磁閥作動,當氣壓缸移動時紅外線感測器會將訊號,傳輸給WiFi整合模組再透過HTTP將訊號傳輸給手機,以便達成氣壓缸的虛實同步顯示功能,在控制期間輸出訊號與迴授訊號是同步進行的,達到微串流的無線控制模式。
圖3所示為自行開發的WiFi整合模組實體圖。接下來介紹WiFi整合模組,包含WIFI訊號傳輸、感測器類比訊號擷取、電磁閥驅動電路等功能。其中類比轉數位IC 為MCP3008,其為10位元的ADC。如圖1所示,因本實作研究必須抓取2組紅外線感測訊號,但因為ESP8266 WIFI模組只提供1組ADC,故須使用MCP 3008進行擴充。另外,7432為邏輯或(OR)閘,使用此一IC的原因是因驅動電磁閥的場效電晶體IRF540N的導通電壓為4.5V,故電路設計時使用7432將ESP8266的通用輸出入接點GPIO升壓成5V以利其作動。
最後,因為本實作研究是使用手持式之Android手機/平板來執行氣壓執行元件作動之監控與控制,故必須撰寫App程式,因此以下二軟體:App Inventor 2與Lua Explorer將是必須的,然而本文因篇幅限制而無法詳細說明監控及控制App程式撰寫,尚請讀者自行研讀相關程式撰寫技巧之書籍或文獻。

WiFi無線傳輸開迴路順序控制實驗結果

本小節主要介紹開迴路順序控制實驗平台的虛實同動情況以及相關實驗結果說明。以下將分成三個控制模式進行說明,分別是:作動次數控制模式、作動次數及終點計時延回控制模式以及利用手機遠端輸入參數達成多氣壓缸順序控制模式等。

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