基於工業物聯網的節能控制器之設計與實務

摘要：本文設計具物聯網通訊服務之節能控制器，物聯網通訊服務以工業常規通訊協定取得底層設備數據，並在控制器內部建置MQTT Broker，經由物聯網通訊服務及MQTT Broker，控制器能取得底層感測數據並進行控制策略的優化演算，同時將計算結果以推播方式回傳至MQTT Broker，最後由物聯網通訊服務修改現場端的底層控制器參數，並將資料傳輸到雲端平台。經由水泥業集塵設備的實際測試，成果效益為粉塵濃度降低38.9%、空壓系統節電30%。
Abstract：This article introduces how to design an energy-saving controller with IoT communication service. The controller connects sensors or devices by using the industry standard communication protocol, and publishes the data to the MQTT Broker, so the application or web services can exchange data through publishing and subscribing MQTT Broker. The controller’s program executes optimization calculation and publishes the results to the IoT communication service to modify the device’s parameters. Practical tests were performed on the dust collection equipment in a cement plant and the results have shown that the particles reduced by 38.9%, the air compressor’s power saved by 30%, and the device life extended by 50%.

關鍵詞：物聯網通訊服務、節能控制器、推播及訂閱
Keywords：IoT communication service, Energy-saving controller, MQTT publish and subscribe

前言
全球工業因資通訊技術的成熟發展，已朝工業4.0與物聯網時代邁進，傳統工廠也逐漸轉型成為智慧化的生產管理的智慧工廠，以工廠生產設備為例[1]，廠內設備保養策略從以往人力巡檢轉變為預知保養策略(PdM)，並建置整廠設備輔助管理平台以即時掌握主要生產設備運轉健康狀態，以降低生產過程中非預期跳車情形發生。控制器也不再是現場單一封閉式設備單元，透過物聯網通訊模式以及基於即時預測資訊的智慧化控制策略，讓受控制系統可以操作更具效率與節能的運轉狀態。
圖1顯示2023年物聯網市場的成長可達到1兆1000億美元，2027年市場規模估計將會超過2兆美元，因此全球企業投入大量的資金在物聯網的技術開發及服務供應，估測2022年投資金額約為1兆美元，市場獲利將超過5200億美元。

圖1 2018-2023年全球物聯網市場成長趨勢[2]

預期目標
本文實現了具備物聯網(Internet of Things, IoT)通訊之節能控制器設計，其中透過(1)設備物聯網通訊模式，以及(2)基於即時預測資訊的智慧化控制策略，讓受控制系統可以操作更具效率與節能的運轉狀態，並在工廠進行實務應用；首先將既有控制系統(如現場粉塵循序控制器)、感測資訊(如粉塵濃度計)能與商用公司的IoT (Internet of Things of Control Platform)雲端平台進行即時雙向資料交換，讓管理者在雲端平台上監測場域運轉數據；其次是未來能接收從IoT平台的空氣品質分析訊息，依據此資訊即時計算優化的控制策略，並將決策回傳至底層控制系統進行操作，如圖2架構設計內容。

圖2 物聯網節能控制器之通訊架構示意

方法設計
圖3呈現節能控制器的內部功能模組方塊圖，以MQTT Broker作為不同遠、近端程序間資料交換機制，大幅簡化節能控制程序、使用者介面顯示及控制命令即時資料傳輸過程，各功能模組綱要敘述如下：
   •物聯網通訊模組：透過Modbus RTU/TCP通訊方式連結底層控制器與表計，並將所擷取的資料發佈給有訂閱的其他模組，而部分關鍵的系統資訊則有專用的服務程式透過Web API方式傳輸至外部平台並接受有關外部環境之預測結果與調度命令。
   •應用程式功能模組：節能應用程式包含資料儲存、指標計算與節能控制邏輯演算功能，透過MQTT通訊進行資料的接收和資料庫的儲存，其中使用檔案型資料庫，優點在於輕便好移植，而應用程式相關的設定參數則會有一個設定檔紀錄。
   •網頁通訊與視覺化模組：網頁呈現方式則是透過WebSocket通訊協定，能即時將MQTT Broker相關資訊顯示在相關頁面上。

圖3 節能控制器內部功能模組方塊圖