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工业4.0浪潮来袭 新世代控制器现身
[作者 王明德]   2017年04月17日 星期一 浏览人次: [12030]

过去的制造系统中,控制器向来是核心元件,近年来工业4.0掀起浪潮,智慧生产成为未来趋势,智慧生产系统诉求高整合,感测网路成为制造架构中的重要子系统,在此趋势下,无论是PLC或PC Based的PAC,都已不只单纯将控制做为唯一功能,各厂商的都开始着手进化及其下的相关产品。



图一
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各厂商的控制器产品,在各部位都已开始强化其中,台达AS系列PLC是个相当典型的案例,此产品可以看出目前业界的PLC趋势,AS系列PLC采用了SoC CPU,大幅提升运算能力(基本运算指令可达25ns),其产品定位介于小型DVP系列与中高阶的AH系列之间,拥有台达DVP系列小体积设计、AH系列的强化结构与多样化功能,最高可支援1,024点I/O与32个扩充模组,适合应用于高阶机械控制系统。


新世代PLC经典规格


AS系列PLC主机的设计采用SoC CPU,大幅了提升运算能力(基本运算指令可达25ns),同时支援多样化的功能卡插槽设计,可以依照实际的需求直接在主机上扩充多种的通讯介面以及AIO介面,具有节省安装空间以及成本上的优势,AS全系列采用无背板设计,同时以垂直滑动的方式进行模组的安装与移除,除了减少控制盘的安装空间之外,也增加模组更换时的便利性,通讯部分,除了基本的Ethernet介面外,搭配CANopen功能卡还可以支援多种不同的模式,台达此一系列产品主要的市场目标为中高端的OEM市场,所以在设计上考量速度、安装空间、更换便利性、通讯介面之外,也具备基本的运动控制能力(6个高速计数器+6个200KHz脉冲输出+8个CANopen伺服)。


从台达的AS系列PLC可以看出几个趋势,包括CPU的强化、多通讯介面等,先从CPU来看,PLC过去面对的自动化系统,所需处理的制程相对较为简单,因此CPU效能需求不需太高,但近年来消费性产品不但体积逐渐缩小,且内建功能一再增加,所需的制程越来越精细,在此态势下,CPU的效能必须快速提升,Maxim(美信半导体)系统与应用行销总监Mr. Duc Ngo就指出,现在PLC需要更高的分辨率(Resolution)、更快的速度、更小的尺寸、更低的耗电与更多的安全认证。


无论是智慧工厂或工业4.0,对制造业而言都是革命性的概念,未来的制造系统下的各式设备将不再只是单独的个体,透过各类感测器与通讯技术,设备中所有设备将全面串连,各设备设置感测器撷取的数据,可无缝流动,汇整至后端管理系统,形成Big Data,作为上层管理者的决策依据,同时底端的设备将有自我诊断功能,面对不同的产能需求,相互沟通、自行调整状况,以维持最佳产能,面对新世代产线需求,PLC也须同步进化,输出监控、能量控管方面,有更佳表现。


PLC控制与通讯并重


对于PLC的控制晶片,多数人认为PLC的控制晶片要进化,需要在数位技术部份着手,减少数位元件的体积,不过其实数位晶片只占PLC电路板不到25%的面积,其他的离散元件与类比元件则占了其他接近75%的面积,因此要缩小PLC的尺寸,必须由这两类元件着手,但这两类元件的技术不像数位元件容易扩展,因此其难度相当高,对此难题,现在市场上已有厂商推出整合晶片,将多数元件整合为单一晶片,降低尺寸、成本与功耗,透过整合,PLC的速度更快、散热更佳,且体积更小。


PLC的控制晶片有两类,一为PLC厂商自行设计,另一种则是晶片厂商提供,自行设计的控制晶片可贴合厂商本身需求,整合性与效能表现都较佳,不过这必须厂商的产品量有一定规模,方能分摊高昂的晶片设计成本,目前台湾PLC厂商多采用自行设计的控制晶片,至于晶片厂商的产品,其优势是可快速取得、整体成本较低,效能也高,缺点则是PLC整机设计必须受制于控制晶片,整合性较弱,大陆厂商目前多采用这类型晶片。


第二个重点是多通讯模组,智慧工厂强调整合性,将各制造设备纳为同一系统,系统内的每一设备都必须能相互连结,此外制造系统还须与后端的IT管理系统链接,透过通讯,让设备与设备、系统与系统都能互送讯息,让各环节的资讯价值可以最大化,目前市场上的PLC,多已有Ethernet通讯埠,台达的AS系列PLC也将之作为标准设计,在现场总线方面,AS系列PLC选择了CANopen标准,此一标准兼具易配线与高效率优点,在工控市场上已然普及,由于现在的PLC需与马达、I/O模组互连,CANopen的普及,可使PLC与其他设备的连接更容易,整合性也更高。


台商往中小型PLC方向发展


台达AS系列PLC主打中高阶OEM市场,台湾另一家老牌PLC厂商永宏电机的近来虽然推出的微型的PLC–B1系列,不过永宏经理许禄沛指出,未来该公司的产品策略会往中小型方向走,许禄沛表示,永宏电机成立初期的产品即是中大型PLC,当年的技术如今仍在,因此难度不高,而之所以会往中小型方向发展,最大的原因在于小型PLC后进者的技术已然跟上,市场竞争过于激烈,且因其架构简单,应用与功能都受限。


对于小型PLC的竞争态势,台达也指出,产品的发展到了一定的阶段时,就会遇到市场上价格竞争的问题,如果只是注重成本的降低与控制,势必会受到很大的发展限制,面对这样的市场竞争,台商必须要找出市场的新需求,并且进行垂直与水平的产品与技术整合,发挥一加一大于二的效果,同时提供全方位的服务与完整的解决方案,「价格」只是客户购买时的其中一项考量因素,唯有同时满足客户多种需求的产品与服务,才能够获得客户的青睐,也才能在市场上稳定成长。


目前台湾业者在小型PLC市场,遇到最大的竞争者来自大陆厂商,近年来全球大厂如西门子,也推出小型PLC,让此一领域的竞争日趋激烈,台湾厂商一直以来的优势在于高性价比,台湾厂商的产品品质与大厂相近,但价格更为亲民,因此一直以来在自动化领域都占有一席之地,不过随着大陆厂商的价格进逼,台湾厂商产品品质虽仍维持,不过价格方面的优势逐渐流失,因此现在多数台湾业者都已开始往中小型PLC方向发展。


亚洲的中小型PLC最主要的竞争者为日商,另外西门子在此领域也有布局,与小型PLC以单一产品为主的做法不同,中小型PLC必须搭配周边的自动化设备,以解决方案模式提供给客户,以永宏为例,就将旗下的HMI与PLC整合,永宏的解决方案有多种选择,HMI萤幕有4.3吋、7吋、10.2吋,CPU则为600MHz,已于2016年上市,许禄沛指出,此一产品的特点在于,其HMI与PLC可结合在一起,除了精简制造系统空间外,通讯缆线也更稳固、成本当然也更佳。


FPGA让PAC效能与弹性兼具


除了PLC外,PC Based的PAC也是自动化系统的主流控制器之一,PLC与PAC之争已超过10年,PAC的主要优势是相容性高,不过在问世初期,稳定度一直为市场所质疑,经过长年发展,此以问题已逐渐克服,台达认为,随着时间与技术的演进,PLC与PAC的差异会越来越小,或应该说两者的融合程度会越来越高,以目前的技术与市场来看,PLC为OEM市场与简易的系统中的主流,而PAC则借助着高速处理能力、庞大的资料存储及优越的系统扩展能力,在大型的系统整合市场中获得青睐,以目前来看,PLC强调的仍是稳定性以及适宜的价格,而PAC则着重在较高的硬体规格与软体功能。


PAC市场的主要厂商为工业电脑业者,其中美商国家仪器(NI)的CompactRIO是业界的指标性机种之一,与PLC和一般PAC采用控制晶片或CPU不同,CompactRIO的控制单元使用FPGA(现场可程式逻辑门阵列),NI行销工程师吴维翰表示,FPGA的最大特色就是效能与弹性兼具,使用者可根据身需求,定义FPGA的应用,例如现在多数控制器的处理器都采用多核架构,以平行运算让PLC可以多工运作,不过多核CPU的运作方式只是运算核心的转换,并不会有专属的固定运算核心,FPGA则可以由设计者自行设计切分不同的功能区块,因此控制器会有固定的运算与其他功能区块,此一作法可以完全贴合该控制器的需求。


不过FPGA的缺点在于其程式语言如VHDL或Verilog,都有相当门槛,一般工程师要上手并不容易,而CompactRIO之所以能够采用FPGA而仍顺利推广,最主要的原因在于,NI的LabVIEW提供了相对简程式易的图形化设计介面,让工程师在设计时更容易上手。


未来PLC的功能发展


在工业4.0浪潮中,「资讯的收集、整合与分析」无疑是未来制造系统的重要方向,台达指出,控制器负责搜集相关的设备运作资料并进行储存,同时向上位监控系统传送资料,而企业的ERP与MES等系统则可以读取资料中心的讯息,然后进行分析,再根据分析数据拟定相关的决策与处理,由此架构中可以看出,未来控制器必须要加强与IT介面的整合能力,同时具有大量资料存储与无线/4G网路连接的能力,方能因应这波工业革命的趋势。


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