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智慧型中水回收設備 不只節能更要有效率
 

【作者: 王明德】   2019年12月19日 星期四

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資源再利用是各國環保政策的重點推動工作,水資源也是其中之一,不過台灣水價過於便宜,幾乎只有瑞士日內瓦的1/10、巴西聖保羅的1/2、香港的3/4,造成此一議題,難以受到多數人重視。



圖1 : 資源再利用是各國環保政策的重點推動工作,水資源也是其中之一。(source:Yale E360)
圖1 : 資源再利用是各國環保政策的重點推動工作,水資源也是其中之一。(source:Yale E360)

從整體來看,「水太多」、「水太少」和「水太髒」並列為造成水災害的三大元兇,其中又以水太少的問題最為嚴重,由於水太少會引起缺水和乾旱,甚至造成民眾恐慌及社會問題,最可行且有效的解決方法就是節約用水與中水再利用。


資訊需求增加 中水回收面臨升級挑戰

「中水再利用」意指排放的生活污水、工業廢水和雨水,經過回收處理後,可以再利用的回收水。因為台灣地形起伏變化大,儲水不易的關係,內政部衛生署及教育部紛紛鼓勵學校與企業投入節水行列。



圖2 : 「中水再利用」意指排放的生活污水、工業廢水和雨水,經過回收處理後,可以再利用的回收水。(source:Zening Resorts)
圖2 : 「中水再利用」意指排放的生活污水、工業廢水和雨水,經過回收處理後,可以再利用的回收水。(source:Zening Resorts)

中水回收再利用的應用廣泛,不論是在學校或是一般的工業廠房皆可應用。然而,中水回收設備因空間的考量,往往設置在人煙較為稀少的偏僻角落,若要取得與設備相關的運作資訊,就得派遣工作人員前往現場,不過這種做法會有幾個缺點。


首先是這類系統的終端設備散置各地,巡查所需的時間相當長,浪費人力資源,其次是用紙本抄寫紀錄,不但即時性不佳、容易出錯,而且難以管理,透過物聯網系統,管理者可即時監控並集中管理中水回收設備的運作狀態,也可將資料數位化,不但便於儲存管理,而且所有數位化後的數據可以被延伸應用,創造出更多的價值。


現階段中水回收設備多採用PLC或PAC作為控制系統的核心,該架構能滿足初期中水回收設備達成單純回收再利用的目的,現在的中水回收設備則被要求進一步記錄每個運作狀態的數據資料,用以分析效能及管控,達成最有效率的運作。


然而多數初期建置的系統並無資料記錄的功能,且當時設置的廠商未必有能力協助升級,或者找不到原廠商來協助。若重新建構中水回收設備系統,成本龐大,對單位預算是個挑戰。


針對產業升級的困境,現在已有業者推出專屬的物聯網架構,在可保留原有設備的前提下,透過物聯網的感測網路作為中介傳輸管道,達到資料搜集及儲存的目的,將現有中水回收設備升級為智慧型中水回收設備。


整體解決方案 升級中水回收設備

從架構面來看,現在中水系統所使用的物聯網架構包括通訊、控制、處理軟體與HMI等幾個層面。在通訊方面,這類型架構由於資料傳輸量不高,多會採用低耗電的通訊標準,以無線傳輸方式,將感測數據即時傳送回控制中心的智慧控制器,控制器內則會建有因應特定的資料處理模組,主動擷取中水回收設備的運作與數據,除了將數據轉換為Excel、Access、TXT等格式,並存入資料庫外,也會以HMI顯示各端點設備的運作狀態,打造出可視化架構。


中水回收架構所選擇的通訊標準,必須考量幾個層面,由於終端設備散置各地,難以佈建電源與通訊纜線,因此不僅要低耗電,而且必須採用無線傳輸模式,此外,這類型終端設備並不需要傳回大量資料,因此通訊標準的頻寬不需太高。


對此,5G發展協會國際行動通訊組織(International Mobile Communications;IMT)已對此類應用制定出mMTC(Massive Machine Type Communications)發展情境,不過其標準仍在制定中,各方也認為mMTC仍要好幾年才會成熟,因此發展多年的ZigBee會是目前最適合的通訊標準。


在中水回收架構裡,無線傳輸ZigBee IO模組可以準確偵測雨水採集狀況和蓄水槽的水位。ZigBee無線傳輸模組可將RS-485∕RS-232轉換成ZigBee通訊方式,接收現場端各類ZigBee模組傳回的資料,再將資料送回中央控制中心。


然而,訊號傳回中央控制中心的途中,往往容易受到地形關係而影響,此時可以再加裝無線延伸器(Repeater)來增強訊號。當所有的數據傳回位於控制中心的智慧控制器時,使用者可以再配合控制器中的資料處理軟體,整合及記錄資料。


在控制器中的資料處理軟體又可分為兩種,一種是透過標準Modbus通訊協定或是DCON通訊,主動擷取彙整前端資料,中控中心人員可藉由簡易的HMI,即時查看中水回收設備的現場數據,業主即便不在現場,也可依據終端傳回的數據作即時的判斷,減少問題產生。


另一種類軟體則可透過OPC Client機制,提供完整的資料庫紀錄與管理功能,不僅可以在控制器的儲存元件記錄前端資料,也能同時提供遠端資料庫的登入與存取,隨時隨地都可以查看任何歷史時間的資料或數據;此外,針對異常狀態或是特殊情形,也可以進行另外的記錄和警報。


節能議題發酵ZigBee發展備受期待


圖3 : 透過物聯網的運作,水資源將可被有效管理,讓這些「中水」或「灰水」的水資源可再次利用,達到環境永續目標。(source:NASA Technology Transfer)
圖3 : 透過物聯網的運作,水資源將可被有效管理,讓這些「中水」或「灰水」的水資源可再次利用,達到環境永續目標。(source:NASA Technology Transfer)

這類型的物聯網架構,不只在中水回收系統,更已經被應用於魚塭監測、橋樑監測、隧道監測和家庭自動化監測等各垂直產業,而節能議題已成顯學,各國政府無不積極推動,紛紛投入人力與物力以研發各種有效的節能方案,因此是目前可見的成功案例,透過物聯網的運作,水資源將可被有效管理,讓這些「中水」或「灰水」的水資源可再次利用,達到環境永續目標。


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