TWI474161B - A process controller with a power regulation function - Google Patents

Description

具有電量調節功能的製程控制器

本發明係關於一種製程控制器，尤指一種具有電量調節功能的製程控制器。

製程控制系統(Process Control System)，係通常用於各種藥品、化學品、精密電子甚至大規模建築工程中，用來即時監控並調節工程現地或廠房的溫度、氣壓、各種液體的水位及流量等。

請參閱圖4，現有的製程控制系統包含有複數製程控制器81及一監控主機82，該複數製程控制器81係設置在各種工程現地或廠房各處，並透過有線或無線的網際網路與該監控主機82連結，本圖式以有線網際網路為例，各製程控制器81會電連接一個現場裝置83(Field Device)，該現場裝置83可為各種偵測器(Sensor)，用來偵測現地各種環境條件，如溫度、氣壓、液位及流量等，或可為各種制動器(Actuator)，如馬達、比例閥或開關，用來驅動灑水器灑水、水閥門開閉或各種電子設備運作，而各種製程控制器81會周期性地輸出電量給現場裝置83以驅動現場裝置83作動，並於驅動該現場裝置83作動後輸出一回報訊息予該監控主機82，該回報訊息可為測量訊息(如驅動偵測器後側得的溫度值、液位值)或作動訊息(如馬達正在運轉與否、開關為開啟或關閉)，如此，可藉由現場裝置83偵測到現地環境，並由各製程控制器81回報給監控主機82，供操作人員從監控主機82遠端得知各種現地環境，不必親臨現地測量，或可以一手持式通訊裝置84與該監控主機82無線連結，更可隨時隨地即時得知現地環境。

由於上述的製程控制系統中的製程控制器需設置於現地，而多半的現地不易取得電量來源，例如各種建築工程會用到水位偵測器來測量溪水的水位，而水位偵測器通常設置再橋墩上，較不易以市電供應其電量，因此，現有的製程控制器通常會設置有一備載電源單元，該備載電源單元包含有一非穩態電源模組及一充電電池，該非穩態電源模組通常為太陽能板，於白天時吸收太陽能以供應製程控制器及現場裝置作動所需的電量，並同時對該充電電池充電，無太陽能時則以充電電池供應電量，使製程控制器與現場裝置可以設置在不易連接市電電源的各種現地，然而，由於製程控制器在任何時間下都會不斷周期性地放電而驅動現場裝置，但是非穩態電量單元所能供應的電量卻會受氣候影響，因此，製程控制器容易在陽光微弱的天氣時將電量消耗殆盡，必須等待又有充足陽光時才能運作，例如，設置在橋墩上用來偵測水位高度或流量的現場裝置，常在颱風天因長時間陽光微弱，致使製程控制器將電量快速消耗完畢而無法驅動現場裝置，使得迫切需知道溪水水位時反而無法得知，相當不理想，故上述現場裝置需有所改良。

有鑑於上述製程控制器會於非穩態電量來源不足時無法運作之技術缺陷，本發明的主要目的係提出一種具有電量調節功能的製程控制器。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該具有電量調節功能的製程控制器用以連接一現場裝置，並包含有：一傳輸單元；一備載電源單元，係包含有一非穩態電力模組、一電源轉換模組及一充電電池，該非穩態電力模組係透過該電源轉換模組連接至該充電電池，以對該充電電池充電，且該非穩態電力模組及該充電電池係用以供應製程控制器及外部現場裝置所需之電量；一控制單元，係與該傳輸單元、該備載電源單元及外部之現場裝置電連接，且內建有一電量檢測暨驅動頻率調節程序，並執行該電量檢測暨驅動頻率調節程序以檢知該備載電源單元可提供的電量及驅動現場裝置所需的電量後，增減每單位時間內驅動該現場裝置的次數，並於驅動該現場裝置後透過該傳輸單元輸出一回報訊息。

本發明主要係於該控制單元內建電量檢測暨驅動頻率調節程序，先檢知備載電源單元可提供的電量及驅動現場裝置所需的電量，再增減每單位時間內要驅動現場裝置的次數，如此，縱使該備載電源單元受天候影響而無法提供足夠的電量時，藉由減少每單位時間內驅動現場裝置的次數，可節約備載電源單元電量的消耗，避免快速將備載電源單元的電量耗盡。

以下說明中的單位時間係以一小時為一單位時間。

請參閱圖1，本發明具有電量調節功能的製程控制器係用以連接一現場裝置，並包含有：一傳輸單元10；一備載電源單元20，係包含有一非穩態電力模組21、一電源轉換模組22及一充電電池23，該非穩態電力模組21係透過該電源轉換模組22連接至該充電電池23，以對該充電電池23充電，且該非穩態電力模組22及該充電電池23係用以供應製程控制器及外部現場裝置80所需之電量，於本實施例中，該備載電源單元20進一步包含有一切換開關24及一檢流電路25，且該非穩態電力模組21係透過該切換開關24而分別連接至該檢流電路25及該電源轉換模組22；一控制單元30，係與該傳輸單元10、該備載電源單元20及外部之現場裝置83電連接，且內建有一電量檢測暨驅動頻率調節程序，並於執行該電量檢測暨驅動頻率調節程序以檢知該備載電源單元可提供的電量及本製程控制器的耗電量後，增減每單位時間內驅動現場裝置的次數，並於驅動該現場裝置後透過該傳輸單元輸出一回報訊息，於本實施例中，該控制單元進一步內建一高驅動次數值及一低驅動次數值，該高、低驅動次數值係代表每單位時間內驅動現場裝置的次數，且該高、低驅動次數值可由使用者透過傳輸單元10對該控制單元30設定。

再請進一步參閱圖2，係為該電量檢測暨驅動頻率調節程序的流程圖，係執行以下步驟：驅動一次現場裝置，並檢知每驅動一次該現場裝置所需之電量S10，且依據該現場裝置所需之電量建立一耗損功率值；檢知備援電源單元可提供的電量S11，係檢知非穩態電力模組21可提供的電源功率及充電電池23的蓄電量，並依據非穩態電力模組21可提供的電源功率建立一非穩態電功值及一非穩態單位供電量值，而依據該充電電池23的蓄電量建立一蓄電飽和度值，於本實施例中，該控制單元30係切換該備援電量單元20的非穩態電力模組21連接至該檢流電路25中，以檢知非穩態電力模組21所提供電源的電壓值及電流值，並該電壓值及電流值相乘後，判斷非穩態電力模組21所提供電源的電源功率，以建立該非穩態電功值，再將該非穩態電功值乘上一單位時間而得到該非穩態單位供電量值。至於檢知充電電池23的蓄電量，該控制單元30係檢知該充電電池23提供電源的電壓，並依據蓄電池23電源的電壓建立該蓄電飽和度值；判斷充電電池23的蓄電量是否已達飽和S12，若是則切斷該非穩態電力模組21對充電電池23充電S13；若否，則使非穩態電力模組21繼續對充電電池23充電S14；於本實施例中，係於控制單元30內建立一飽和百分比值，本實施例以95%為例，於判斷充電電池23蓄電飽和度值超過該飽和百分比值時將該非穩態電力模組21切換連接至檢流電路25，以切斷該非穩態電力模組21對充電電池23充電，若該蓄電飽和度值未超過該飽和百分比值，控制單元30則使該非穩態電力模組21繼續對充電電池23充電；評估可供電量及需消耗電量以增減每單位時間內驅動次數S15，係依據所檢知的備援電源單元20可提供的電量，及每單位時間驅動現場裝置所需的電量，增減每單位時間內驅動現場裝置的次數，並據此驅動現場裝置。

請進一步參閱圖3，上述評估可供電量及需消耗電量以增減每單位時間內驅動次數步驟S15係進一步包含以下步驟：分別計算每單位時間內以高、低驅動次數來驅動現場裝置83所需消耗的電量，係將分別將該高、低驅動次數乘上該耗損功率值，以分別得到一高電量消耗值及一低電量消耗值，並計算充電電池23可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間S151；判斷充電電池23可維持以低驅動次數驅動現場裝置83的時間是否大於一第一時間值S152，本實施例以36小時為例，若是則每單位時間內以高驅動次數來驅動現場裝置83(S153)；若否，則進入下一步驟；判斷充電電池23可維持以低驅動次數驅動現場裝置83的時間是否介於該第一時間值及一第二時間值之間S154，本實施例該第二時間值係以24小時為例，若否，則進入下一步驟；若是，則依據該非穩態單位供電量值決定以高驅動次數或低驅動次數來驅動現場裝置S155，若非穩態單位供電量值大於或等於高電量消耗值，則以高驅動次數來驅動現場裝置83；反之若非穩態單位供電量值小於高電量消耗值，則以低驅動次數來驅動現場裝置83；判斷充電電池23可維持以低驅動次數驅動現場裝置83的時間是否介於該第二時間值及一第三時間值之間S156，本實施例該第三時間值係以12小時為例，若是，則每單位時間內以低驅動次數來驅動現場裝置83(S157)；若否，則進入下一步驟；每單位時間內以低驅動次數來驅動現場裝置83，並判斷該非穩態單位供電量值小於高電量消耗值，則令該控制單元30透過傳輸單元10輸出一警告訊號S158。

上述傳輸單元10可包含一網際網路連接模組11、一資料轉換模組12、一射頻訊號調變解調模組13、一收發模組14及一天線15，其中，該網際網路連接模組11係用以與外部之橋接器70連接，以透過該橋接器70連接至網際網路，並與該控制單元30電連接，供該控制單元30透過有線的網際網路傳輸該回報訊息，該資料轉換模組12則與該控制單元30電連接，以接收該控制單元30輸出的回報訊息，該射頻訊號調變解調模組13係與該資料轉換模組12電連接，以將該回報訊息轉換為一無線射頻訊號，並透過該收發模組14電連接致該天線15，以將該無線射頻訊號透過該收發模組14及該天線15發射出，可於有線的網際網路無法通訊時藉由該無線射頻訊號輸出該回報訊息，以避免通訊失效而無法回報。

本發明主要係於控制單元30內建該電量檢測暨驅動頻率調節程序，使該控制單元30可於周期性驅動現場裝置83前先評估於當時的環境下，非穩態電力模組21可供應的電量及充電電池23的蓄電量，再決定每單位時間內要用高或低驅動次數來驅動現場裝置83，可使控制單元30於非穩態電力模組21供應電量較不足或充電電池23蓄電量少時減少每單位時間內驅動現場裝置83的次數，以節省消耗備載電源單元20的電量，避免如颱風天等緊急狀況發生前將電力耗盡，使現場裝置83仍可於颱風天等環境狀況下作動；且當非穩態電力模阻21可供應的電量增加或充電電池23蓄電量已逐漸飽和後，控制單元30便會自動恢復每單位時間以高驅動次數來驅動現場裝置83。

綜上所述，本發明可使控制單元在備載電源單元電力供應量較不足時減少每單位時間內驅動現場裝置的次數，藉此達到節約電量的消耗，而能備於各種緊急狀況，如颱風天時雖無法自備載電源單元獲得充足的電量，但仍可維持足夠長時間分次驅動現場裝置，讓遠端監控中心持續獲得現場資訊。

10．．．傳輸單元

11．．．網際網路連接模組

12．．．資料轉換模組

13．．．射頻訊號調變解調模組

14．．．收發模組

15．．．天線

20．．．備載電源單元

21．．．非穩態電力模組

22．．．電源轉換模組

23．．．充電電池

24．．．切換開關

25．．．檢流電路

30．．．控制單元

70．．．橋接器

81．．．製程控制器

82．．．監控主機

83．．．現場裝置

84．．．手持式通訊裝置

圖1：為本發明連接橋接器及現場裝置的電路方塊圖。

圖2：為本發明電量檢測暨驅動頻率調節程序的流程圖。

圖3：為圖2評估可供電量及需消耗電量以決定每單位時間內驅動次數之步驟的詳細流程圖。

圖4：為現有製程控制系統的系統方塊圖。

10．．．傳輸單元

11．．．網際網路連接模組

12．．．資料轉換模組

13．．．射頻訊號調變解調模組

14．．．收發模組

15．．．天線

20．．．備載電源單元

21．．．非穩態電力模組

22．．．電源轉換模組

23．．．充電電池

24．．．切換開關

25．．．檢流電路

30．．．控制單元

70．．．橋接器

83．．．現場裝置

Claims (8)

1. 一種具有電量調節功能的製程控制器，係用以連接一現場裝置，並包含有：一傳輸單元；一備載電源單元，係包含有一非穩態電力模組、一電源轉換模組及一充電電池，該非穩態電力模組係透過該電源轉換模組連接至該充電電池，以對該充電電池充電，且該非穩態電力模組及該充電電池係用以供應製程控制器及外部現場裝置所需之電量；一控制單元，係與該傳輸單元、該備載電源單元及外部之現場裝置電連接，且內建有一電量檢測暨驅動頻率調節程序，並執行該電量檢測暨驅動頻率調節程序以檢知該備載電源單元可提供的電量及驅動現場裝置所需的電量後，增減每單位時間內驅動該現場裝置的次數，並於驅動該現場裝置後透過該傳輸單元輸出一回報訊息。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有電量調節功能的製程控制器，該電量檢測暨驅動頻率調節程序係執行以下步驟：驅動一次現場裝置，並檢知每驅動一次該現場裝置所需之電量，且依據該現場裝置所需之電量建立一耗損功率值；檢知備援電源單元可提供的電量，係檢知非穩態電力模組可提供的電源功率及充電電池的蓄電量，並依據非穩態電力模組可提供的電源功率建立一非穩態電功值，並依據該非穩態電供值評估該非穩態電力模組每單位時間可提供的，而依據該充電電池的蓄電量建立一蓄電飽和度值；判斷充電電池的蓄電量是否已達飽和，若是則切斷該非穩態電力模組對充電電池充電；若否，則使非穩態電力模組繼續對充電電池充電；評估可供電量及需消耗電量以增減每單位時間內驅動次數，係依據所檢知的備援電源單元可提供的電量，及每單位時間驅動現場裝置所需的電量，增減每單位時間內驅動現場裝置的次數，並據此驅動現場裝置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具有電量調節功能的製程控制器，該備載電源單元進一步包含有一切換開關及一檢流電路，且該非穩態電力模組係透過該切換開關而分別連接至該檢流電路及該電源轉換模組；該電量檢測暨驅動頻率調節程序中，檢知備援電源單元可提供的電量，係由該控制單元係切換該備援電量單元的非穩態電力模組連接至該檢流電路中，以檢知非穩態電力模組所提供電源的電壓值及電流值，並該電壓值及電流值相乘後，判斷非穩態電力模組所提供電源的電源功率，以建立該非穩態電功值，並將該非穩態電功值乘上一單位時間而得到該非穩態單位供電量值；檢知充電電池的蓄電量，則由該控制單元檢知該充電電池所提供電源的電壓，並依據充電電池所提供電源的電壓建立該蓄電飽和度值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有電量調節功能的製程控制器，該電量檢測暨驅動頻率調節程序中，判斷充電電池的蓄電量是否已達飽和，係於控制單元內建立一飽和百分比值，於判斷充電電池蓄電飽和度值超過該飽和百分比值時將該非穩態電力模組切換連接至檢流電路，以切斷該非穩態電力模組對充電電池充電，若該蓄電飽和度值未超過該飽和百分比值，控制單元則使該非穩態電力模組繼續對充電電池充電。
5. 如申請專利範圍第2項所述之具有電量調節功能的製程控制器，該控制單元係進一步設定一高驅動次數值及一低驅動次數值，該高、低驅動次數值分別代表每單位時間內驅動現場裝置的次數，且該電量檢測暨驅動頻率調節程序中，評估可供電量及需消耗電量以增減每單位時間內驅動次數的步驟包含有：分別計算每單位時間內以高、低驅動次數來驅動現場裝置所需消耗的電量，係將分別將該高、低驅動次數乘上該耗損功率值，以分別得到一高電量消耗值及一低電量消耗值，並計算充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間；判斷充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間是否大於一第一時間值，若是則每單位時間內以高驅動次數來驅動現場裝置；若否，則進入下一步驟；判斷充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間是否介於該第一時間值及一第二時間值之間，若否，則進入下一步驟；若是，則依據該非穩態單位供電量值決定以高驅動次數或低驅動次數來驅動現場裝置，若非穩態單位供電量值大於或等於高電量消耗值，則以高驅動次數來驅動現場裝置；反之若非穩態單位供電量值小於高電量消耗值，則以低驅動次數來驅動現場裝置；判斷充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間是否介於該第二時間值及一第三時間值之間，若是，則每單位時間內以低驅動次數來驅動現場裝置；若否，則進入下一步驟；每單位時間內以低驅動次數來驅動現場裝置，並判斷該非穩態單位供電量值小於高電量消耗值時，令該控制單元透過傳輸單元輸出一警告訊號。
6. 如申請專利範圍第3項所述之具有電量調節功能的製程控制器，該控制單元係進一步設定一高驅動次數值及一低驅動次數值，該高、低驅動次數值分別代表每單位時間內驅動現場裝置的次數，且該電量檢測暨驅動頻率調節程序中，評估可供電量及需消耗電量以增減每單位時間內驅動次數的步驟包含有：分別計算每單位時間內以高、低驅動次數來驅動現場裝置所需消耗的電量，係將分別將該高、低驅動次數乘上該耗損功率值，以分別得到一高電量消耗值及一低電量消耗值，並計算充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間；判斷充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間是否大於一第一時間值，若是則每單位時間內以高驅動次數來驅動現場裝置；若否，則進入下一步驟；判斷充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間是否介於該第一時間值及一第二時間值之間，若否，則進入下一步驟；若是，則依據該非穩態單位供電量值決定以高驅動次數或低驅動次數來驅動現場裝置，若非穩態單位供電量值大於或等於高電量消耗值，則以高驅動次數來驅動現場裝置；反之若非穩態單位供電量值小於高電量消耗值，則以低驅動次數來驅動現場裝置；判斷充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間是否介於該第二時間值及一第三時間值之間，若是，則每單位時間內以低驅動次數來驅動現場裝置；若否，則進入下一步驟；每單位時間內以低驅動次數來驅動現場裝置，並判斷該非穩態單位供電量值小於高電量消耗值時，令該控制單元透過傳輸單元輸出一警告訊號。
7. 如申請專利範圍第4項所述之具有電量調節功能的製程控制器，該控制單元係進一步設定一高驅動次數值及一低驅動次數值，該高、低驅動次數值分別代表每單位時間內驅動現場裝置的次數，且該電量檢測暨驅動頻率調節程序中，評估可供電量及需消耗電量以增減每單位時間內驅動次數的步驟包含有：分別計算每單位時間內以高、低驅動次數來驅動現場裝置所需消耗的電量，係將分別將該高、低驅動次數乘上該耗損功率值，以分別得到一高電量消耗值及一低電量消耗值，並計算充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間；判斷充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間是否大於一第一時間值，若是則每單位時間內以高驅動次數來驅動現場裝置；若否，則進入下一步驟；判斷充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間是否介於該第一時間值及一第二時間值之間，若否，則進入下一步驟；若是，則依據該非穩態單位供電量值決定以高驅動次數或低驅動次數來驅動現場裝置，若非穩態單位供電量值大於或等於高電量消耗值，則以高驅動次數來驅動現場裝置；反之若非穩態單位供電量值小於高電量消耗值，則以低驅動次數來驅動現場裝置；判斷充電電池可維持以低驅動次數驅動現場裝置的時間是否介於該第二時間值及一第三時間值之間，若是，則每單位時間內以低驅動次數來驅動現場裝置；若否，則進入下一步驟；每單位時間內以低驅動次數來驅動現場裝置，並判斷該非穩態單位供電量值小於高電量消耗值時，令該控制單元透過傳輸單元輸出一警告訊號。
8. 如申請專利範圍第1至7項任一項所述之具有電量調節功能的製程控制器，該傳輸單元係包含有：一網際網路連接模組，係用以與外部之橋接器連接，以透過該橋接器連接至網際網路，並與該控制單元電連接，供該控制單元透過有線的網際網路傳輸該回報訊息；一資料轉換模組，係與該控制單元電連接，以接收控制單元輸出的回報訊息；一射頻訊號調變解調模組，係與該資料轉換模組電連接，以將該回報訊息調變為一無線設頻訊號；一收發模組，係與該射頻訊號調變解調模組電連接，並將該無線設頻訊號透過一天線發射出。