提升 PLC 系统：FPGA 程序设计
- 李佳玲
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过去数十年来，PLC 透过稳定且离散的逻辑/简易类比I/O，控制大多数的生产与自动化系统。虽然许多工业级应用均可利用这些功能，但目前的工业机器均试图进一步整合传统PLC的效能。身为自动化系统工程师，您绝对碰过下列问题：控制循环的执行速度不足，或传感器/致动器的客制化数码界面无法支持传统 PLC。 NI可程序化自动控制器(PAC)的核心–创新的FPGA芯片，可同时满足上述2个需求以及您更多功能需求。
可程序化逻辑控制器(PLC)，为工业级制程控制与自动化应用的心脏。PLC稳定、价格低廉、简单易用，且已成功运作数年。其离散式的类比与数码I/O功能，可于数百个赫兹的范围中关闭控制循环，可满足多种应用的需求。但可惜的是，并非所有应用均可满足这些限制。在许多新的机器建置方式之中，均必须以创新架构搭配高效能控制器。NI CompactRIO即属于PAC，整合电脑的Real-Time运算功能，还有FPGA的稳定度与弹性。RIO架构部分中的FPGA，共有3个超越传统控制系统的重要优势：高效能平行处理、客制化硬件弹性，与硬件逻辑的稳定度。
执行如无刷DC马达磁场导向控制(FOC)的高端演算法时，即可降低耗电量并提高元件的使用寿命。这些控制演算法虽然可提高机器的效率，但若于PLC上执行时，却往往占用过多运算功能。举例来说，FOC控制器必须以10~100 kHz的速率，连续运算矢量控制演算法。而在控制演算法执行时，亦必须同时执行额外的功能元件组块(IP)–如高速PWM输出，且不能影响控制演算法的时序。透过FPGA本身的平行架构，则可达到最高数百个kHz的循环速率以执行控制演算法，另有余力可处理多重轴线的控制演算法、人机界面(HMI)的数据通讯，或可衔接主要的微控制器。除此之外，FPGA亦具备可重设的特性，随时依需要调整控制演算法。
在考虑为PLC系统新增FPGA架构的PAC时，高端/高速的控制演算法并非唯一考量要点。其实亦可使用可程序化FPGA建置客制化逻辑，用于时序、触发，或通讯协定，可沟通几乎所有的传感器/致动器。以传动机器为例，使用者可监控/分析机器振动的强度与频率，以了解轴承、齿轮，或其他机械元件的状态。由于CompactRIO上的FPGA是特别置于I/O模块与高端Real-Time控制器之间，因此可依需要重新取样、筛选，或预先处理I/O数据，藉以减少数据量并降低处理器的负载。针对客制化数码通讯协定，FPGA亦可衔接PAC与任何传感器。
最后，因为在FPGA上的逻辑，均是直接编译至硬件电路中，所以其稳定性相等于直接连至控制系统的实体逻辑闸。针对操作系统架构的控制器，FPGA并非存储器泄漏、多执行绪优先顺序错乱，或其他问题的主要原因。若安全逻辑或激发/响应逻辑必须达到亚微秒 (Submicrosecond)的反应时间，即可利用FPGA。
玻利维亚(Bolivia)的C L Consulting SPRL公司，必须改良欧洲区轧钢机的生产过程，避免产线前端在焊接金属薄板时损坏。焊接薄板必须连续作业，而发生瑕疵的焊接可能损坏轧钢机，且更换零件的过程可停机最长72小时。当然，在这种轧钢作业中，绝对需要自动化焊接程序以确保品质。
C L Consulting SPRL并选择CompactRIO做为焊接控制器。该公司并透过FPGA快速控制电阻焊接机与油压钳。在此作业中，必须透过电网同步化电阻焊接机中的电流，仅限输入电流波形发生过零(Zero crossing)时，才会开启/关闭焊接机；否则可能损坏闸流体并影响一般电网。C L Consulting SPRL亦针对流入的电力信号，以FPGA架构的滤波器同步化焊接机，且达10 ns之内的正确切换时间，进而去除公司电网上的高频率谐波与干扰。
C L Consulting SPRL的新型控制系统，可将旧型系统约2%金属焊接断裂情形，透过CompactRIO降低至0.05%，而大幅提升了产能。NI所提供的软、硬件工具，将协助您整合PLC架构的自动化系统，进一步提升效率、降低能源、维护成本，并保有杰出的竞争力。(本文由美商国家仪器股份有限公司提供，记者李佳玲整理)
