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工业自动化、智能化控制系统之发展方向

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从PLC被设计出来,它就在工业自动化领域中扮演不可或缺的角色,你能否想像,就这样一块机板,就可以控制比它大好几百倍的自动化机具?(摄影:张世文)
从PLC被设计出来,它就在工业自动化领域中扮演不可或缺的角色,你能否想像,就这样一块机板,就可以控制比它大好几百倍的自动化机具?(摄影:张世文)

PLC出现以前,在自动化控制上,必须要使用成百上千的继电器与计数器,才能组成具有相同功能的自动化系统;1969年代PLC被通用汽车使用以来,至今已接近半世纪,这半世纪以来,PLC始终站稳控制系统的核心,即便近年因PC技术提升,PC Based规格控制器被设计出来,也只能与PLC分庭抗礼,但接下来,工业控制会走到什麽地方呢?

美国通用汽车公司在1968年公开招标,要求设计新的控制设备以取代继电器控制装置,隔年美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC,在美国通用汽车自动装配在线试用成功,自此开启了PLC的自动化之路。时至今日,PLC在自动化控制系统中,仍有难以取代的地位,即便欧美大厂如西门子、GE等均投入发展相关系统,仍却持续不断精进PLC产品,维持市场的占有率。

当工业自动化逐步与系统管理做出更多整合时,数据要能管理与分析,就涉及了自动化设备与PC的结构性规划。(摄影:张世文)

当工业自动化逐步与系统管理做出更多整合时,数据要能管理与分析,就涉及了自动化设备与PC的结构性规划。(摄影:张世文)

任何技术的发展都有其内在的驱动力,产生于客户和终端市场的需求,对于工业控制尤其如此,从继电器逻辑到PLC是一个巨大的革命,这使得机器和装置控制真正迈入电气时代;在1990年代,基于总线的控制器使得分散式控制成为现实,并且也产生了汇流排之争。随着以太网技术在各个领域的成功应用,其低廉的成本和广泛的应用,也使得其成为工业领域最为快速发展的技术。

目前自动化已经不能仅是单纯的讨论单一的产品,而是必须以控制器为核心,进行软硬件平台的整合,从现场控制器的配置、相关生产信息的蒐集、管理,一直到后台与企业管理端的平台进行整合,都是在自动化规划时必需要考量的部分,如此才能协助使用者降低待机、开发与整合系统的时间,做到自动化真正可以达到的效益。

但工厂自动化架构不只要整合现场层与控制层,另还需向上增至操作与管理层。像是企业资源规划系统(ERP)、生产制造执行系统(MES)等架构,都要能彼此互相连接沟通生产设备与管理信息,这对企业来说,无需额外的工业硬件元件来进行转换,减轻负担后自然成为首选。

PLC变得更为强大,即使面对PC的竞争,今天,PLC仍然是主流的控制器应用,这样的趋势,也造成PLC的变形。这样的变形来自于两个需求,一方面是由于产线复杂化,数据蒐集、整合及可视化成为一项挑战,同样的由于复杂化需求,PLC必须处理更为繁多的信息及控制工作,核心的「强大化」需求也成为一个必要的发展面向。

Smart Machine

因应可视化的变形,首先就是PLC与HMI的整合。以传统观点来看,PLC属于系统控制的核心,其使用状况的「实时掌握」在产在线可说是必要要求,但由于PLC没有界面可以直接观察其应用状况,过去均必须要透过外接PC或HMI才能与设备进行沟通,整合HMI与PLC的产品将成为市场的主要趋势之一。

由于PLC以「控制」为核心,讲求的是「稳定」、「速度」与「重覆性」,整合了HMI的PLC不但可以让系统可以实时侦知,直线连结的信息也减少了转换的风险。有愈来愈多的厂商因应这项趋势做出设计,显示「信息可视化」的要求已然成为主流;由于过去在信息蒐集整合上,必须靠DCS来进行整合,整合HMI的PLC基本上可视为小型的DCS,让系统的信息整合进一步提升。

此外,在近年自动化趋势逐渐开始重视机台的智能化,尤其是可以自我检测其零件寿命与效能的Smart Machine浮现台面,这类需求主要来自于生产线大量使用或是不能出错的大型机具上。由于这类生产线对产能与人身安全有诸多要求,对于设备的状况监控(MCM)存在较高的要求,也形成另一层面的挑战。

由于IT技术带给工业生产数据库、信息传输等技术的发展,让生产系统的能力得以优化,通过对基础生产数据的采集来分析生产流程的整体状况,使得工厂不再是由单一机器构成,而是整合成为一个整体,因此必须对其进行全局的数据整合降低生产成本、消除浪费,以提升整体工厂运营效率。

PLC作为装置的控制中心,必须能够回馈更多的数据给管理系统进行决策,这使得PLC在今天被赋予更多的任务,而传统PLC的设计则无法胜任这一需求,因此,新一代的PLC逐渐开始将PC资源整并于其中。B&R所称的PCC,一般厂商所称的PAC设备,即是因应此需求而生的产品。

相较于PLC,PAC应用的软件可规划较为复杂的控制应用,同时可整合前述包括视觉及MCM的技术。此外,相较于IPC设备,PAC的优势则在于其分散式的架构及整合性较高的结构,PAC可达成IPC的所有应用规划,但PAC更为坚固与整合耐用,因此其价值将会呈现在更为复杂而弹性的整合性应用;至于较为单纯的运动控制应用,PAC的应用需求就存在于机台是否有必要导入MCM的规划,像是部分传统产业应用虽然较为单纯,但透过MCM的整合亦可延长机台的寿命,此时导入PAC架构也是合适的。

嵌入式系统的机会?

除了PLC,另一部分要谈的,就是嵌入式系统。以工业自动化为中心,嵌入式系统的发展,的确存在相当的重要性。这类应用领域,往往是空间散热不易、机构设计必须坚固的系统,像是工业自动控制、量测仪器、网络系统、安全监控系统、收售票系统、智能运输系统(ITS)、及军工规系统等,这类产品多要求低功耗、整合式设计及适合严苛环境应用,这类均是RISC架构的专长,可以说RISC架构系统与嵌入式系统的发展,具有相当密切的关系。

由于嵌入式系统着重定制化的弹性设计与应用,存在着多种不同的发展种类与分支,依处理器架构可分为RISC(Reduced Instruction Set Computing,精简指令集)与CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集)。RISC阵营的主力有ARM、MIPS、ARC等,而CISC架构则以Intel为首的x86系统为主。

对于注重产品稳定性的工业用户,「低功耗」是嵌入式系统处理器的重要需求,处理器的发热量变小,也可大幅减低系统散热需求,对应到嵌入式系统结构设计,当系统的发热量受到控制,也可进一步缩小整体的架构来节省成本。RISC架构系统的确具有这项优势,而其简化的基础也让其在工业应用领域占有一席之地。

为了成就低功耗,由于效能与功耗本来就一体两面,过去嵌入式处理器的效能常成为最直接的牺牲品。但随着制程持续演进,各种多核心、多执行序、动态电源管理、SoC技术的加持,低功耗与高效能兼具,已成为新一代嵌入式处理器的重要特点。

这让RISC系统与CISC系统所能呈现的效能愈趋接近,也让过去在工业自动化应用上泾渭分明的两者之间界线日趋模糊,两者在需求上与应用上的竞合关系,势必成为重要关注焦点,RISC架构系统如何在发展上从原有以站稳的立足点,走向更宽广的应用空间,在技术的持续发展下,的确是重要的议题。

然而最终这些令人看了眼花撩乱的系统架构及设计,仍将回归到由客户端的需求来作考量,一昧的强调低功耗、制程的先进、甚至是平台开发的优越等,并不见得就能获得工业用户的信赖。从客户需求的角度出发,并提供最弹性的定制化服务与解决方案,终究才是工业系统的本质与利基所在。