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智動化 / 文章 /

軟體運動控制成業界新選項
因應智慧製造趨勢
[作者 王明德]   2020年04月29日 星期三 瀏覽人次: [1877]

既有軸卡式運動控制的精準度高、商業模式也已成熟,仍會是製造業的主流選擇,軟體運動控制雖然仍處觀察期,不過其高彈性與相容性特色也為智慧製造系統所需,未來將持續存在,成為市場應用的多元選項之一。


運動控制是自動化系統的基礎,近年來因應工業4.0所掀起的智慧化浪潮,若要成功落實在製造業中,精準的控制技術將是系統能否穩定運作的關鍵因素。在自動化領域中,運動控制技術發展已久,目前市場的主流作法是以硬體卡控制馬達,其精準度早已獲得市場驗證,不過由於運動控制架構的控制核心,目前多為全球大廠掌握,導致使用企業的自動化系統架構受制於人,近年來有廠商推出軟體運動控制,此架構透過工業電腦與RTOS的軟硬結合,打造出高彈性與高即時性的控制平台。


多元處理器迎來開放式架構時代

目前自動化市場所採用的運動控制架構,是以CPU作為運算核心,再以運動控制卡負責處理運動控制訊號,用以分散CPU的運算負載。後來DSP與FPGA兩種運算技術開始被應用到運動控制領域中,開啟了開放式運動控制時代,與SoC、微處理器、ASIC相較,DSP與FPGA不但效能相當,而且更具彈性。


其中DSP由於資料處理能力強大,即便在複雜的控制環境中,依然可取得極小採樣周期,且其即時運算效能可進行複雜運動學、動力學運算,在誤差補償、運動規劃與高速即時多軸插補方面的表現相當出色,在此特色下,運動控制的動作可更平穩、精準、快速,因此其應用相當廣泛。



圖1 : 軟體運度控制架構透過工業電腦與RTOS的軟硬結合,打造出高彈性與高即時性的控制平台。(source:KINGSTAR)
圖1 : 軟體運度控制架構透過工業電腦與RTOS的軟硬結合,打造出高彈性與高即時性的控制平台。(source:KINGSTAR)

至於FPGA的優勢則在於可程式特色,設計者可依本身需求改變電路組態,除了適用於有變更設計需求的產品外,產品數量不多或開發期偏短者也可採用FPGA,藉此加速產品上市時程、降低開發成本,而在此類運算核心下,軟體運動控制技術也有了發揮的空間。


與現行的軸卡控制技術相較,軟體運動控制的發展歷史較短,廠商坦言,目前市場接受度仍有限,不過自動化技術多應用於企業運作系統。在此類系統中,穩定度向來是第一要求,除非既有技術出現重大缺陷才有機會更換,否則自動化市場對於新技術的觀察期一直都較長,而觀察產業現況,傳統軸卡並未出現需要立即更換的缺陷,軟體運動控制的導入觸因也未發生,因此過去一段時間,市場仍未出現大幅成長。


軟體運動控制兼具即時與高彈性特色

即便發展不如預期,軟體運動控制廠商還是看好此技術的未來潛力。製造業向來是各國的經濟主力,作為全球製造重鎮,台灣業者也致力打造產業供應鏈,不過在整體佈局中,控制器仍是台灣廠商力有未逮的關鍵零組件。由於控制器需以深厚的自動化技術為基礎,而此技術現在都掌握在西門子、三菱、發那科等全球大廠手中,台廠在此的實力有限,自製的控制器產品相當少,因此在這方面過去往往受制於人。


雖然在傳統的自動化技術跟大廠有一段距離,不過這不代表無法可解,如果將高運算效能工業電腦與高即時性RTOS加以整合,不但可打造出足以媲美自動化大廠的控制器,而且其高彈性更適合應用於工業4.0時代所需的製造系統。



圖2 : 智慧化要成功落實在製造業中,精準控制技術將是系統能否穩定運作的關鍵因素。(source:Motion Control & Motor Association)
圖2 : 智慧化要成功落實在製造業中,精準控制技術將是系統能否穩定運作的關鍵因素。(source:Motion Control & Motor Association)

軟體運動控制的作法,是整合具備高度開放特色的PC Based軟硬體,使用者不須加裝運動控制卡或影像擷取卡,只要安裝軟體,就可在市場上已有的工業電腦上運行機器視覺與運動控制。至於在作業系統與通訊協定部分,此類系統會採用RTOS與EtherCAT,以滿足自動化系統所需的即時性與高彈性。


RTOS解決了過去PC Based控制器為市場詬病的即時性問題,其精準的循環時間,讓工業電腦達到與全球大廠的控制器相同效益。至於EtherCAT則是近幾年市場最熱門的工業通訊標準之一,目前各大廠商紛紛推出支援此一標準的產品,因此選用EtherCAT的運動控制架構,可以避免過去不同工業廠牌產品之間難以相容的問題。


EtherCAT由德國自動化大廠Beckhoff制定,主張藉由軟體控制器技術,搭配單一線路,用以取代傳統控制器硬體及複雜佈線結構,由於Beckhoff角色相對於一干大廠更顯中立,較不涉及商場間利益衝突問題,輔以協定深具資料同步過程的訊號抖動量低、資訊傳輸延遲時間低,及硬體成本低等諸多優勢,確實甚具誘因,遂讓全世界眾多廠商趨之若鶩,群起加入支援行列,相關產品相繼問市,影響所及,也一步步將EtherCAT推向主流地位。


這幾年、美、日與台灣各大工業電腦供應商都陸續端出EtherCAT解決方案,包括研華、凌華、新漢、台達電…等,都有相關布局,這幾年的自動化大展,各廠商皆推出EtherCAT產品,成長也逐漸加速,主要原因在於ETG協會開放技術給會員,目前全球會員與產品數量都快速增加,再加上EtherCAT有快速、多軸同步性高、可控制從端數量多等特色,熱潮從歐美市場逐漸進入亞洲。


滿足工業4.0數位需求

除了高效能與高彈性之外,PC Based也為軟體運動控制帶來另一優勢,此一優勢在工業4.0所帶來的數位化革命中尤為明顯。工業4.0核心訴求是讓製造資訊的價值最大化,要達到此願景,就必須連結工廠內的OT與企業中的IT兩大系統,讓OT系統的數據得以無縫傳送到IT系統中,加以儲存、分析,並讓資訊以可視化方式呈現在使用者面前,藉此提升管理效益。


此一機制的第一步,是先擷取機台運作數據,而目前軸卡式運動控制的作法,必須先在底層建置感測器,取得上述數據後,再傳送至上層平台,這種疊床架屋的架構過於複雜,不僅會拖長導入期,複雜架構也會影響系統運作的穩定性,而軟體運動控制原本就可即時記錄,因此架構會更為簡潔,穩定性也會更高。


觀察市場發展趨勢,既有的軸卡式運動控制,不但精準度高,而且商業模式早已成熟,因此仍會是製造業的主流選擇,至於軟體運動控制雖然仍處觀察期,不過其高彈性與相容性特色也為智慧製造系統所需,因此市場人士認為,此技術未來將持續存在,成為市場應用的多元選項之一。


*刊頭圖(source:Motion Control & Motor Association)


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