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智慧型中水回收设备 不只节能更要有效率
[作者 王明德]   2019年12月19日 星期四 浏览人次: [2398]

资源再利用是各国环保政策的重点推动工作,水资源也是其中之一,不过台湾水价过於便宜,几??只有瑞士日内瓦的1/10、巴西圣保罗的1/2、香港的3/4,造成此一议题,难以受到多数人重视。



图1 : 资源再利用是各国环保政策的重点推动工作,水资源也是其中之一。
图1 : 资源再利用是各国环保政策的重点推动工作,水资源也是其中之一。

从整体来看,「水太多」、「水太少」和「水太脏」并列为造成水灾害的三大元凶,其中又以水太少的问题最为严重,由於水太少会引起缺水和乾旱,甚至造成民众恐慌及社会问题,最可行且有效的解决方法就是节约用水与中水再利用。


资讯需求增加 中水回收面临升级挑战

「中水再利用」意指排放的生活污水、工业废水和雨水,经过回收处理後,可以再利用的回收水。因为台湾地形起伏变化大,储水不易的关系,内政部卫生署及教育部纷纷鼓励学校与企业投入节水行列。



图2 : 「中水再利用」意指排放的生活污水、工业废水和雨水,经过回收处理後,可以再利用的回收水。(source:Zening Resorts)
图2 : 「中水再利用」意指排放的生活污水、工业废水和雨水,经过回收处理後,可以再利用的回收水。(source:Zening Resorts)

中水回收再利用的应用广泛,不论是在学校或是一般的工业厂房皆可应用。然而,中水回收设备因空间的考量,往往设置在人烟较为稀少的偏僻角落,若要取得与设备相关的运作资讯,就得派遣工作人员前往现场,不过这种做法会有几个缺点。


首先是这类系统的终端设备散置各地,巡查所需的时间相当长,浪费人力资源,其次是用纸本抄写纪录,不但即时性不隹、容易出错,而且难以管理,透过物联网系统,管理者可即时监控并集中管理中水回收设备的运作状态,也可将资料数位化,不但便於储存管理,而且所有数位化後的数据可以被延伸应用,创造出更多的价值。


现阶段中水回收设备多采用PLC或PAC作为控制系统的核心,该架构能满足初期中水回收设备达成单纯回收再利用的目的,现在的中水回收设备则被要求进一步记录每个运作状态的数据资料,用以分析效能及管控,达成最有效率的运作。


然而多数初期建置的系统并无资料记录的功能,且当时设置的厂商未必有能力协助升级,或者找不到原厂商来协助。若重新建构中水回收设备系统,成本庞大,对单位预算是个挑战。


针对产业升级的困境,现在已有业者推出专属的物联网架构,在可保留原有设备的前提下,透过物联网的感测网路作为中介传输管道,达到资料搜集及储存的目的,将现有中水回收设备升级为智慧型中水回收设备。


整体解决方案 升级中水回收设备

从架构面来看,现在中水系统所使用的物联网架构包括通讯、控制、处理软体与HMI等几个层面。在通讯方面,这类型架构由於资料传输量不高,多会采用低耗电的通讯标准,以无线传输方式,将感测数据即时传送回控制中心的智慧控制器,控制器内则会建有因应特定的资料处理模组,主动撷取中水回收设备的运作与数据,除了将数据转换为Excel、Access、TXT等格式,并存入资料库外,也会以HMI显示各端点设备的运作状态,打造出可视化架构。


中水回收架构所选择的通讯标准,必须考量几个层面,由於终端设备散置各地,难以布建电源与通讯缆线,因此不仅要低耗电,而且必须采用无线传输模式,此外,这类型终端设备并不需要传回大量资料,因此通讯标准的频宽不需太高。


对此,5G发展协会国际行动通讯组织(International Mobile Communications;IMT)已对此类应用制定出mMTC(Massive Machine Type Communications)发展情境,不过其标准仍在制定中,各方也认为mMTC仍要好几年才会成熟,因此发展多年的ZigBee会是目前最适合的通讯标准。


在中水回收架构里,无线传输ZigBee IO模组可以准确侦测雨水采集状况和蓄水槽的水位。ZigBee无线传输模组可将RS-485/RS-232转换成ZigBee通讯方式,接收现场端各类ZigBee模组传回的资料,再将资料送回中央控制中心。


然而,讯号传回中央控制中心的途中,往往容易受到地形关系而影响,此时可以再加装无线延伸器(Repeater)来增强讯号。当所有的数据传回位於控制中心的智慧控制器时,使用者可以再配合控制器中的资料处理软体,整合及记录资料。


在控制器中的资料处理软体又可分为两种,一种是透过标准Modbus通讯协定或是DCON通讯,主动撷取汇整前端资料,中控中心人员可藉由简易的HMI,即时查看中水回收设备的现场数据,业主即便不在现场,也可依据终端传回的数据作即时的判断,减少问题产生。


另一种类软体则可透过OPC Client机制,提供完整的资料库纪录与管理功能,不仅可以在控制器的储存元件记录前端资料,也能同时提供远端资料库的登入与存取,随时随地都可以查看任何历史时间的资料或数据;此外,针对异常状态或是特殊情形,也可以进行另外的记录和警报。


节能议题发酵ZigBee发展备受期待


图3 : 透过物联网的运作,水资源将可被有效管理,让这些「中水」或「灰水」的水资源可再次利用,达到环境永续目标。(source:NASA Technology Transfer)
图3 : 透过物联网的运作,水资源将可被有效管理,让这些「中水」或「灰水」的水资源可再次利用,达到环境永续目标。(source:NASA Technology Transfer)

这类型的物联网架构,不只在中水回收系统,更已经被应用於鱼??监测、桥梁监测、隧道监测和家庭自动化监测等各垂直产业,而节能议题已成显学,各国政府无不积极推动,纷纷投入人力与物力以研发各种有效的节能方案,因此是目前可见的成功案例,透过物联网的运作,水资源将可被有效管理,让这些「中水」或「灰水」的水资源可再次利用,达到环境永续目标。


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