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工业4.0催化转型 驱动PLC智慧变革
[作者 王明德]   2019年09月11日 星期三 浏览人次: [3083]

自从蒸汽机发明,推动第一次工业革命後,全球制造界快速起飞,之後又连续出现几次的工业技术变革,包括电力进入生产设备,取代过去的机械力、福特汽车创立的流水线生产模式,让工厂量产成为常态,



图1 :  工业4.0是制造业近年来最重要的趋势,在智慧化需求下,PLC也必须与时俱进,启动新一波转型。(source:SIEMENS)
图1 : 工业4.0是制造业近年来最重要的趋势,在智慧化需求下,PLC也必须与时俱进,启动新一波转型。(source:SIEMENS)

而1969年的PLC被发明出来,则被视为现代化工业控制技术的里程碑,1970年後,微处理技术被导入PLC中,PLC从此具备了运算与数位讯号的输出入,并可以阶梯图做为程式编写,经过各自动化大厂的不断改良,PLC架构一路应用至今,成为现在制造现场中最稳定的设备,不过面对近年来的工业4.0浪潮,PLC也必须与时俱进、再次进化。


从近几年的演化过程来看,半导体技术的精进与导入,是PLC效能提升的关键,半导体技术带动了CPU的快速发展,摩尔定律的屡屡实现,让运算速度以几何速度成长,而运算速度的加快且价格不断下跌,让PLC厂商有了比以往更隹的运算核心选择。


半导体技术强化PLC效能

由於PLC的程式逻辑是透过CPU扫描执行用户程式,如果一个逻辑线圈被接通或断开,该线圈的所有接点并不会立即动作,必须等扫描到该接点时才会动作,因此在大型PLC上,高速的CPU有其价值。



图2 :  运动控制是PLC的重要应用。(摄影/王明德)
图2 : 运动控制是PLC的重要应用。(摄影/王明德)

此外,在PLC的CPU扫描後,CPU会撷取所有输入点的讯号先暂存在记忆体中,随後执行程式逻辑运算时,直接取用输入讯号暂存区内的资料做判断,而非即时从现场撷取讯号。同样的,要输出的控制讯号也不是产生一个就输出一个,而是先存放在记忆体中的输出讯号暂存区,扫描周期结束时再将讯号集中输出,因此除了CPU外,记忆体对PLC而言也相当重要,以往PLC多采用EPROM或EEPROM作为可程式记忆体,在快闪记忆体大量普及後,PLC的元件价格不但更低廉,而且也进一步强化效能。


除了运算功能,半导体技术也让PLC增加更多的可能性,以往PLC多只负责单纯的控制,在高速CPU的加持下,类比讯号处理、闭环控制、网路通讯或高速I/O等,单颗CPU即可解决,不必再像以往,必须内建特殊功能模组来完成。单一强大效能的CPU,降低了PLC的架构复杂度,大幅提升了稳定性与运作速度,同时也缩小了PLC的外观体积,当然连带也降低了成本。


经过现在半导体技术加持过的PLC,不再只局限於传统的开环顺序控制领域,而能比较广泛应用於闭环的制程控制中,随着扩充性与通讯能力的提高,PLC已经成为各种复杂的分散式控制系统的重要组成部分。


不过在此需要一提的是,尽管PLC的效能提升了一个层次,这类强大效能CPU多只应用於大型PLC上,中小型PLC由於应用领域不需复杂控制,对运算速度的要求也不高,高效运算核心并不见得实用。


而大型PLC多必须与整体自动化系统搭配,只属於整体系统的一部分,一部份零配件效能的大幅提升,未必是整体系统的同等提升,必须有其他周边零配件的支援才会有效果,因此使用者必须从整体系统面来评估,才不会陷入见树不见林的盲点。


PC Based与PLC各擅胜场

不过,半导体技术的受益者并不只有PLC,过去以消费性市场与商用领域为主的PC Based,在相容性与运算效能优势下,也开始将应用目标指向工业控制,经过将近10年的竞争,PLC以稳定优势持续成为工业市场的控制器主流,但PC Based也非战败的一方,在制造现场仍以一定比例存在。


近年来工业4.0概念兴起,此概念要求IT与OT系统全面整合,PC Based控制器本就是IT架构,相容性更胜PLC一筹,因此近年来声势再起,就目前市场状态来看,以PLC为主的欧洲的西门子、施耐德,美国的洛克威尔、艾默生、日本三菱等大型自动化厂商,都搭配本身的智慧化策略,让旗下PLC持续进化,工业电脑厂商更是善用PC Based的相容性与高运算优势,快速与周边技术整合,针对不同应用推出对应的产品,进一步强化产品线。



图3 : 随着智慧制造的落地,PLC与其他技术的整合需求快速浮现。(摄影/王明德)
图3 : 随着智慧制造的落地,PLC与其他技术的整合需求快速浮现。(摄影/王明德)

从近年来的市场状态来看,工业电脑厂商对工业4.0、智慧制造与企业联网等同类型议题的操作,不亚於全球自动化大厂,尤其是与企业上层IT系统整合更是不遗馀力,不过这一切并非起始於这波智慧制造趋势,在PC Based进入工业领域之初,整合就已经开始。


工业电脑在2000年启动时,发展了一段时间的IT系统也开始步入成长期,在制造业,为了有效整合与管理制造现场资讯,ERP、MES等软体系统陆续出现在企业管理者的电脑中,再加上工厂新的自动化设备出现,如视觉检测、高速撷取资料、资料统计分析、快速定位等,这些软硬体均为PC Based,在此情况下,工业电脑厂商开始思考PC Based控制器与各类IT软体平台的整合性。


PC Based问世後,引起机电市场的一阵瞩目,PC Based控制器厂商号称此类产品功能强、周边技术支援多、相容性隹,与管理层的管理软体可以轻松互连,不过PC Based控制器的不稳定,终究将使它在工业环境的发展受到限制。


PC技术的不稳定众所皆知,以办公室的使用经验,光是无预警当机,就常让未及时存档的使用者跳脚,更何况在制造流程中,设备若忽然停摆,不但有可能造成原物料半成品报废、延挎交期,部份高危险产业如核电厂,更可能造成重大公安意外。


虽然工业电脑厂商一再宣称,已针对PC Based控制器的不稳定问题进行改善,不过这未必能说服既定印象已深的制造业者,至少就後来发展来看,PC Based控制器在制造业,并未获致工业电脑厂商当初号称的成果。


PC Based控制器发展至今,虽未能全面攻占PLC地盘,不过也已切割出另一领域,尤其是在单纯的加工环境,如实验室、半导体前段制程、替代某一部分CNC工具机、中央监控系统等。


就现况来看,PC Based控制器与PLC已共存於市场,一套自动化系统中,不太可能像以往只选择使用PLC作为控制核心,而是两者均用,在单纯控制以PLC为主,若有分析资料、网路、统计等需求,则由PC Based 控制器负责,两者在一套大型系统中的应用比例约为7(PLC):3(PC Based)。


到了2003年,PC Based控制器化身为PAC再次挑战PLC,虽然部份PLC厂商认为这是换汤不换药,不过这次的PAC来势汹汹,不但有ARC背书,多数老牌PLC大厂开始正视此一技术,後来自动化大厂GE甚至还宣布将全转向生产PAC。


PAC的外观与PLC相同,不过可以外接萤幕与键盘来使用,这次的PAC强化了稳定性,以往容易造成当机的风扇、硬碟,都被以无风扇设计与Flash取代,在市场对高度整合的需求,以及资讯技术成熟的影响下,促成PAC控制器兴起。


不过即便PAC在功能与硬体规格上,远胜於PLC,但市场接受度仍旧不及PLC,主要原因在於工业生产高度重视稳定性,而使用者普遍认为PLC稳定度大於PAC,这不是控制器品质的问题,而是因为PLC已有50年的历史,早就建立起囗碑,使用习惯加上品质稳定两项优势,让PLC面临两次挑战而不失市场,这次的工业4.0浪潮,PLC的架构虽难以变动,自动化大厂也纷纷投入资源强化自身产线的智慧化设计,透过云端与通讯的优化,PLC也将会有另一波变革。


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