The Design and Implementation of a Graphic Supervisory Control System: A Case Study on Toxic Gas Monitoring of a Chemical Factory

[[abstract]]隨著科技不斷的進步，偵測儀器及通訊傳輸環境，已具備快速計算、大容量記憶、傳輸快速的能力，電腦圖形監控系統透過人機界面操作，可以即時得知目前被監控設備之運轉狀態，以資料庫儲存自動量測的監控數據，可節省人力並提高人員工作安全。因其快速精確的計算能力及程序控制的設計，可避免人為的疏忽，增加監控自動化的可靠度，並提高生產效率及品質，使電腦圖形監控系統在工業生產應用上，扮演舉足輕重的角色。 本論文所建立之電腦圖形監控系統是以生產氫氧化鈉的化工廠之氣體偵測為研究主題。針對工廠之生產製程，設置氣體偵測器。本論文研討可程式邏輯控制器(PLC)訊號收送及處理的運作原理、建構PLC之軟硬體，編輯階梯圖程式，以順利收集廠區內氣體偵測儀器所傳送的偵測訊號數值。本研究使用In-touch圖形監控軟體製作人機界面，建立PLC與電腦圖控軟體間的通訊協定以擷取資料，建立圖形顯示畫面，於電腦監控畫面即時產生動態的數值並提供即時警報、趨勢圖，歷史資料查詢等功能。將氣體偵測儀器所偵測到的數值做電腦監控的整合，以節省傳統方式所佔用之龐大儀錶空間，及不必要人力成本，並提昇監控效能及人員操作的效率。 本研究依環保法規設定有害氣體接受的濃度範圍值。當偵測到所排放氣體濃度超過範圍值之時，本系統會自動送出警報訊號至該區域，以警示現場操作人員。亦可及時發現洩露之管路及設備之位置，以降低有害氣體外洩擴散的工安事件發生。[[abstract]]As modern technology advances, detection sensors and communication devices have reached enough capacity for high-speed-computing, high-capacity-memory, and high-speed-transmission; it is possible to obtain the operational status of the monitored devices in real time through a Man-Machine-Interface (aka MMI), and by automatically storing accurate monitoring data into a database, it can help to reduce labor cost and enhance working safety. Furthermore, by combining powerful computing speed and accurate design of control sequences, it can help to avoid human errors in operation, increase reliability of automatic monitoring, and enhance production efficiency and quality. Henceforth, it is obvious that Computer Graphic Supervisory Control System play an important role in the area of industrial manufacturing applications. This thesis focuses on such a Computer Graphic Supervisory Control System of toxic gas detection in a chemical manufacturer of sodium hydroxide. These gas detectors are set up in accordance with production processes. In this article, the following topics will be discussed: the fundamental concepts of digital signal transmission and processing via a Programmable Logical Controller (aka PLC), the hardware and software selection criteria when using a PLC, the programming logic, and the application of all these concepts to the target environment for collecting the data from the gas detectors. During the study, the software tool “Wonderware In-Touch” was used to transmit data using a common communication protocol between the PLC and the graphical monitoring system, to build graphical display, to generate dynamic data in real time and to provide functions such as alarms, trend diagrams, and historical data inquiry. The integration of raw data from gas detectors and computer aided system helps to save physical space occupied by traditional equipments, reduce unnecessary labor cost, increase monitoring performance and operational efficiency. In this study, the compliance to environmental protection regulations of harmful gas is taken into consideration by setting up appropriate thresholds. An alarm system is designed to detect and alert when harmful gas goes over a predefined threshold for a certain working area. It may also locate the precise position where the leakage occurs, and reduces the possibility of disastrous leakage events

Improvement of an Auto - transplanting System for Phalaenopsis Tissue Culture Plantlets

本研究之目的是結合自動化移植視覺機器人，自行設計一套換瓶機構及搬運系統，使蝴蝶蘭組織培養苗在移植過程中能趨於自動化，減少因人工接觸而感染黴菌等污染的機會，進而提昇蝴蝶蘭在國際上之競爭力。 自動化移植系統包括：自動供苗裝置、機器視覺系統、自動扦插移植系統、搬運機構、開蓋及封蓋機構、作業程序控制系統及電腦圖形監控系統等。本研究特別注重於開蓋、封蓋及搬運機構之設計及製造，使之適用於蝴蝶蘭苗之移植作業。並改良電腦圖形監控系統，內容包含撰寫PLC程式、Visual Basic監控程式及通訊程式，透過RS232通訊埠傳輸與PLC交握連接，達到即時監控之目的。 蝴蝶蘭組織培養苗自動化移植機性能測試結果顯示，供瓶輸送帶上感測定位之誤差，並不會影響扦插移植點；以荷蘭進口圓形培養瓶為基準，開蓋成功率為92.8 %，封蓋成功率達100 %，平均移植週期為557.35秒/瓶。The objective of the research is to design a bottle feeding system which integrates an auto-vision robot system for transplanting phalaenopsis tissue culture plantlets. It would be able to reduce the influence of transplanting on pollution from workers. The system consists of an automatic seedling feed device, an image processing system, an auto transplanting system, a bottle conveying system, an open and cover up mechanism, operational program control system and image monitor with computer. This study focuses on the design and development of an open and cover up mechanism of the bottle's lid. A preliminary experiment result shows that 92.8 % of the bottle is opened successfully and 100 % of the bottle is covered up successfully and the average period of transplantation is 545.65 seconds per bottle.目 錄 謝誌 Ⅰ 摘要 Ⅱ ABSTRACT Ⅲ 目錄 Ⅳ 圖目錄 Ⅶ 表目錄 Ⅸ 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 研究目的 6 第二章 文獻探討 7 2-1 植物組織培養 7 2-1-1 植物組織培養技術 7 2-1-2 植物組織培養歷史簡介 7 2-1-3 植物組織培養方式 9 2-1-4 植物組織培養步驟 10 2-2 蝴蝶蘭簡介 11 2-2-1 蝴蝶蘭繁殖方式 12 2-2-2 組織培養在蝴蝶蘭栽培上之應用 14 2-3 機器人於農業上之應用 15 2-4 電腦監控系統在農業上之應用 19 第三章 蝴蝶蘭組織培養苗移植機之設計與製造 22 3-1 機器視覺系統 23 3-2 自動扦插移植系統 25 3-3 搬運系統 27 3-3-1 供瓶及移瓶作業流程設計與製造 27 3-3-2 供瓶及移瓶輸送帶馬力及速度的計算 31 3-3-3 搬運機器人之設計與製造 35 3-3-4 搬運機器人位置計算及電子齒輪設定 39 3-4 開蓋及封蓋機構 39 3-4-1 開蓋及封蓋機構設計 43 3-4-2 開蓋及封蓋機構各部份功能解說 44 3-5 作業程序控制系統 47 3-6 電腦圖形監控系統 53 第四章 蝴蝶蘭移植機基本性能試驗 54 4-1 培養瓶之準備 54 4-2 供瓶定位試驗 55 4-3 開蓋及封蓋試驗 56 4-4 蝴蝶蘭移植機系統改良試驗 57 第五章 結果與討論 59 5-1 供瓶定位試驗 59 5-2 開蓋及封蓋試驗 60 5-2-1 開蓋及封蓋機構 60 5-2-2 開蓋試驗結果 61 5-2-3 封蓋試驗結果 63 5-3 蝴蝶蘭苗移植機系統改良試驗 63 5-3-1 系統效益 63 5-3-2 系統改良結果 64 第六章 結論與建議 70 6-1 結論 70 6-2 建議 71 參考文獻 72 附錄一 Visual Basic自動化程式 76 附錄二 PLC階梯圖程式 107 附錄三 培養瓶定位數據 118 附錄四 開蓋試驗數據 124 附錄五 封蓋試驗數據 131 圖 目 錄 圖3.1 影像處理流程圖 24 圖3.2 移植機器人各軸定義示意圖 26 圖3.3 供瓶（左）及移瓶（右）輸送帶 28 圖3.4 近接開關感測器 28 圖3.5 供瓶輸送帶作業流程規劃 29 圖3.6 移瓶輸送帶作業流程規劃 30 圖3.7 搬運機器人之機構圖 36 圖3.8 搬運機器人供瓶階段之作業流程規劃 37 圖3.9 搬運機器人移瓶階段之作業流程規劃 38 圖3.10 開蓋機構之作業流程圖 41 圖3.11 封蓋機構之作業流程圖 42 圖3.12 開蓋及封蓋機構示意圖 43 圖3.13 開蓋氣壓缸位於下死點之構造圖 45 圖3.14 開蓋氣壓缸位於上死點之構造圖 45 圖3.15 中心旋轉機構圖 46 圖3.16 外殼及底座機構圖 47 圖3.17 自動化移植作業流程圖 48 圖3.18 移植機器人面板控制配置圖 52 圖4.1 實驗用之標準培養瓶 55 圖4.2 移植機器人之實體圖 58 圖5.1 開蓋及封蓋機構示意圖 60 圖5.2 電腦圖形監控系統圖 65 圖5.3 離開選擇視窗電腦監控畫面 66 圖5.4 供瓶輸送帶發生錯誤之警告視窗 67 圖5.5 開蓋機構發生錯誤之警告視窗 67 圖5.6 封蓋機構發生錯誤之警告視窗 68 表 目 錄 表1.1 近年來蝴蝶蘭出口情況 5 表2.1 蝴蝶蘭培養基之配方 15 表3.1 摩擦係數F與中心距離修正值 之關係 32 表3.2 輸送帶以外之運動部份的假定重量W 32 表3.3 PLC輸入點配置表 50 表3.4 PLC輸出點配置表 51 表3.5 選擇開關及按鈕功能對照表 52 表5.1 培養瓶於不同重量條件下之開蓋試驗結果表 62 表5.2 培養瓶於不同重量條件下之封蓋試驗結果表 63 表5.3 移植系統各行程時間分佈表 69 表A.1 110公克之培養瓶定位誤差值 118 表A.2 120公克之培養瓶定位誤差值 119 表A.3 130公克之培養瓶定位誤差值 120 表A.4 140公克之培養瓶定位誤差值 121 表A.5 150公克之培養瓶定位誤差值 122 表A.6 160公克之培養瓶定位誤差值 123 表B.1 110公克之培養瓶開蓋試驗數據 124 表B.2 120公克之培養瓶開蓋試驗數據 125 表B.3 130公克之培養瓶開蓋試驗數據 126 表B.4 140公克之培養瓶開蓋試驗數據 127 表B.5 150公克之培養瓶開蓋試驗數據 128 表B.6 160公克之培養瓶開蓋試驗數據 129 表B.7 140公克之培養瓶開蓋試驗數據 130 表C.1 110公克之培養瓶封蓋試驗數據 131 表C.2 120公克之培養瓶封蓋試驗數據 132 表C.3 130公克之培養瓶封蓋試驗數據 133 表C.4 140公克之培養瓶封蓋試驗數據 134 表C.5 150公克之培養瓶封蓋試驗數據 135 表C.6 160公克之培養瓶封蓋試驗數據 136 表C.7 140公克之培養瓶封蓋試驗數據 13