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软体运动控制成业界新选项
因应智慧制造趋势
[作者 王明德]   2020年04月29日 星期三 浏览人次: [1860]

既有轴卡式运动控制的精准度高、商业模式也已成熟,仍会是制造业的主流选择,软体运动控制虽然仍处观察期,不过其高弹性与相容性特色也为智慧制造系统所需,未来将持续存在,成为市场应用的多元选项之一。


运动控制是自动化系统的基础,近年来因应工业4.0所掀起的智慧化浪潮,若要成功落实在制造业中,精准的控制技术将是系统能否稳定运作的关键因素。在自动化领域中,运动控制技术发展已久,目前市场的主流作法是以硬体卡控制马达,其精准度早已获得市场验证,不过由於运动控制架构的控制核心,目前多为全球大厂掌握,导致使用企业的自动化系统架构受制於人,近年来有厂商推出软体运动控制,此架构透过工业电脑与RTOS的软硬结合,打造出高弹性与高即时性的控制平台。


多元处理器迎来开放式架构时代

目前自动化市场所采用的运动控制架构,是以CPU作为运算核心,再以运动控制卡负责处理运动控制讯号,用以分散CPU的运算负载。後来DSP与FPGA两种运算技术开始被应用到运动控制领域中,开启了开放式运动控制时代,与SoC、微处理器、ASIC相较,DSP与FPGA不但效能相当,而且更具弹性。


其中DSP由於资料处理能力强大,即便在复杂的控制环境中,依然可取得极小采样周期,且其即时运算效能可进行复杂运动学、动力学运算,在误差补偿、运动规划与高速即时多轴??补方面的表现相当出色,在此特色下,运动控制的动作可更平稳、精准、快速,因此其应用相当广泛。



图1 : 软体运度控制架构透过工业电脑与RTOS的软硬结合,打造出高弹性与高即时性的控制平台。(source:KINGSTAR)
图1 : 软体运度控制架构透过工业电脑与RTOS的软硬结合,打造出高弹性与高即时性的控制平台。(source:KINGSTAR)

至於FPGA的优势则在於可程式特色,设计者可依本身需求改变电路组态,除了适用於有变更设计需求的产品外,产品数量不多或开发期偏短者也可采用FPGA,藉此加速产品上市时程、降低开发成本,而在此类运算核心下,软体运动控制技术也有了发挥的空间。


与现行的轴卡控制技术相较,软体运动控制的发展历史较短,厂商坦言,目前市场接受度仍有限,不过自动化技术多应用於企业运作系统。在此类系统中,稳定度向来是第一要求,除非既有技术出现重大缺陷才有机会更换,否则自动化市场对於新技术的观察期一直都较长,而观察产业现况,传统轴卡并未出现需要立即更换的缺陷,软体运动控制的导入触因也未发生,因此过去一段时间,市场仍未出现大幅成长。


软体运动控制兼具即时与高弹性特色

即便发展不如预期,软体运动控制厂商还是看好此技术的未来潜力。制造业向来是各国的经济主力,作为全球制造重镇,台湾业者也致力打造产业供应链,不过在整体布局中,控制器仍是台湾厂商力有未逮的关键零组件。由於控制器需以深厚的自动化技术为基础,而此技术现在都掌握在西门子、三菱、发那科等全球大厂手中,台厂在此的实力有限,自制的控制器产品相当少,因此在这方面过去往往受制於人。


虽然在传统的自动化技术跟大厂有一段距离,不过这不代表无法可解,如果将高运算效能工业电脑与高即时性RTOS加以整合,不但可打造出足以媲美自动化大厂的控制器,而且其高弹性更适合应用於工业4.0时代所需的制造系统。



图2 : 智慧化要成功落实在制造业中,精准控制技术将是系统能否稳定运作的关键因素。(source:Motion Control & Motor Association)
图2 : 智慧化要成功落实在制造业中,精准控制技术将是系统能否稳定运作的关键因素。(source:Motion Control & Motor Association)

软体运动控制的作法,是整合具备高度开放特色的PC Based软硬体,使用者不须加装运动控制卡或影像撷取卡,只要安装软体,就可在市场上已有的工业电脑上运行机器视觉与运动控制。至於在作业系统与通讯协定部分,此类系统会采用RTOS与EtherCAT,以满足自动化系统所需的即时性与高弹性。


RTOS解决了过去PC Based控制器为市场诟病的即时性问题,其精准的循环时间,让工业电脑达到与全球大厂的控制器相同效益。至於EtherCAT则是近几年市场最热门的工业通讯标准之一,目前各大厂商纷纷推出支援此一标准的产品,因此选用EtherCAT的运动控制架构,可以避免过去不同工业厂牌产品之间难以相容的问题。


EtherCAT由德国自动化大厂Beckhoff制定,主张藉由软体控制器技术,搭配单一线路,用以取代传统控制器硬体及复杂布线结构,由於Beckhoff角色相对於一干大厂更显中立,较不涉及商场间利益冲突问题,辅以协定深具资料同步过程的讯号抖动量低、资讯传输延迟时间低,及硬体成本低等诸多优势,确实甚具诱因,遂让全世界众多厂商趋之若??,群起加入支援行列,相关产品相继问市,影响所及,也一步步将EtherCAT推向主流地位。


这几年、美、日与台湾各大工业电脑供应商都陆续端出EtherCAT解决方案,包括研华、凌华、新汉、台达电…等,都有相关布局,这几年的自动化大展,各厂商皆推出EtherCAT产品,成长也逐渐加速,主要原因在於ETG协会开放技术给会员,目前全球会员与产品数量都快速增加,再加上EtherCAT有快速、多轴同步性高、可控制从端数量多等特色,热潮从欧美市场逐渐进入亚洲。


满足工业4.0数位需求

除了高效能与高弹性之外,PC Based也为软体运动控制带来另一优势,此一优势在工业4.0所带来的数位化革命中尤为明显。工业4.0核心诉求是让制造资讯的价值最大化,要达到此愿景,就必须连结工厂内的OT与企业中的IT两大系统,让OT系统的数据得以无缝传送到IT系统中,加以储存、分析,并让资讯以可视化方式呈现在使用者面前,藉此提升管理效益。


此一机制的第一步,是先撷取机台运作数据,而目前轴卡式运动控制的作法,必须先在底层建置感测器,取得上述数据後,再传送至上层平台,这种叠床架屋的架构过於复杂,不仅会拖长导入期,复杂架构也会影响系统运作的稳定性,而软体运动控制原本就可即时记录,因此架构会更为简洁,稳定性也会更高。


观察市场发展趋势,既有的轴卡式运动控制,不但精准度高,而且商业模式早已成熟,因此仍会是制造业的主流选择,至於软体运动控制虽然仍处观察期,不过其高弹性与相容性特色也为智慧制造系统所需,因此市场人士认为,此技术未来将持续存在,成为市场应用的多元选项之一。


*刊头图(source:Motion Control & Motor Association)


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