账号:
密码:
智动化 / 文章 /

PLC未来将延伸自动化控制设备感测讯号传输
持续朝向小型化与网络化
[作者 盧傑瑞]   2019年09月18日 星期三 浏览人次: [16263]

经过50年的发展,PLC的工作性能、速度和可靠性,以及其具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、网路通讯等诸多功能,已经成为自动控制系统不可或缺的重要关键次系统。


也就因为PLC的应用技术已经相当成熟,在全球已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保、水处理及文化娱乐等各个行业。在目前趋势来说,PLC的功能性不断朝着两方面发展:除了让PLC本身架构能更小型化、低成本、简单易用之外,另一个重要的方向则是朝向网络化、高可靠性、多功能方向发展。


以目前的自动控制架构来说,透过PLC来进行基本通讯已经是相当常见的应用,更进一步的在目前设备联网、智慧工厂的期待下,在PLC、运算单元和其他智慧设备之间的资料交互传送,就变得非常重要。


工厂中相异的设备造成数据的获取和传输的混乱

一般对于PLC的理解,往往都仅限于强大的自动控制编程能力,虽然PLC持续朝向更专业化、客制化的趋势发展,但是PLC对于资讯传送、大数据应用却往往被忽略。


不过,伴随着物联网与大数据应用的观念被重视,使得自动控制设备的数据处理与传输,就更显现出PLC能够在此一结构下的能力值,因此无论是智慧工厂还是工业物联网,PLC无疑都是最好的传输介面,因此利用PLC的机制来做为自动控制设备的数据中心,系统性地将各种控制设备中,从感测器所获得的原始数据转换为物联网数据。


而在整体物联网中,利用PLC作为自动控制设备的数据中心,其中最重要的就必需建立起设备数据资料库。在这个设备数据资料库中,包括了设备数据规范和进行格式工具的软体,利用这样的软体来产生PLC的程式,再深入地进行设备数据资料库所需的数据收集和转换,而所产生的程式传输到PLC中,并且进行整合数据校正、转换和上传到IT层。


在自动控制领域的发展过程中,受到各种环境的变迁、技术的演进,以及各相关业者技术能力的差异,长久以来使得自动控制设备的传输介面标准,与数据讯号格式呈现着相当大混乱的情况。以传输介面标准来说,在众多工厂里现下仍旧在使用的自动控制化设备中,从数十年前所采用的类比式讯号输出入,一直到目前最新的IO-Link等等的数据格式,都还在被使用中。


但是和IT产业所不同的是,工厂对于设备运转最为重视的是「运作稳定性」,除非有其无法逃避的必要性,否则,绝对不会轻易的对设备中的任何一项次系统、软体,或数据介面进行变换、升级等。对于设备中的资料讯号传输介面软硬体也就不会出现立即性、快速的淘汰或更新,因此也就使得在同一个工厂中,有可能出现各种不同的传输介面与机制,使得数据的搜集和传输变得相当的混乱。


利用PLC的机制来做为原始数据转换

在传统的设备开发中,利用PLC或工业电脑等控制单元为中心的设备,在进行讯号或数据传输的作业,通常仅限于同一系列或同一生产商所开发的设备,因此数据格式的不一致很少被视为问题,所以对于工程师来说,负担并不是太大。


然而面对正在加速发展的第四次工业革命,几乎所有自动化控制设备的相关工程师都期望尽可能地获得更多的感测数据,甚至包括那些与控制并无直接关系的资料数据,提供设备内外的运算单元来分析和使用,使得资料数据进行有效处理和传输的必要性就大大地增加了,例如设备的整体效率、电力使用和纪录的可追溯性。


因此,透过PLC的基本机制,来进行各种的数据收集与传送,也就成了PLC能力再演进的一个重要服务需求,以及推动力量。因为在这样的应用中,资料数据并不仅能及时获得各种形式资料的能力,而是还需要增加一些功能性,例如再进行单位和准确度之类校正的原始资料之后,后送提供给IT层的进行分析以及AI处理。


此外每个数据的效用性,通常是在分析之后才能以逻辑、规律性的方式呈现,再加上,从设备中所获得的资料数据量是相当的庞大,很难再初始时就能缩小收集目标。由于这个原因,会出现从大量感测器获得数据的编程成本不断增加,造成了利用原始数据来进行一些更高精度、大范围的使用上门槛。


所以,如何利用PLC来成为资料的数据中心,透过基于资料库中的设备规范资讯,甚至包括还在使用类比式感测器的各种控制设备中获得数据,并且可以自动产生数据收集/转换来整合、传输提供给后端运算中心进行分析,并且经由物联网的机制进行资料交换,这已经是现阶段PLC开发工程师所积极投入研发的目标。


OT-IT间资料模式的不同

为了充分利用使用IT技术,例如人工智慧。现在已经逐渐形成主流的趋势是,从自动控制设备中的感测器来获得各种不同数据,再透过感测器的传送模组将数据发送到可支援某些IT技术的暂存单元或介面,例如关联式资料库(Relational Database)、数资料湖泊(Data Lake)和Message Broker等等。


因此对于数据的发送和接收,就必须让PLC或IPC所发送的数据模式(Data Mode)与接收它的IT端的数据模式相同,虽然PLC和IPC程序是由具有OT背景的工程师所建立的,但接收器却是由IT领域的工程师设计。


这样一来,在OT和IT之间的物联网数据交换中,就会出现在不同领域的工程师所设计的单元之间的通信需求。由于这两方面领域的工程师,无论在专业术语或特定知识等等都存在相当大的差异性,因此就会产生资料数据交换中的通讯协定不同,不正确数据的使用之类的问题。


此外,自动化控制设备是其系统工程师利用CAD和PLC工具所设计开发,为了能将自动化控制设备端的讯息正确的传送到IT端,因此系统工程师就会将系统所得到的原始资讯,转换成IT端所需要的数据模式,但是就如前述,因为OT和IT工程师的专业背景有着先天上的差异性,因此就会在转换时的技术和方式出现不合适的结果,使得资料发生传送中断的情况。


当已经内建网路能力PLC的程式在获得原始资料时,就如前述,会因为开发商的观念、能力、策略性不同,而发生所获得数据的格式不同、协定不一致等等的问题,导致数据名称、数值类型、精度和单位等等都不一样。


将感测器连接到PLC来进行数据获得和转换

在自动控制设备中的PLC和IPC可以根据所预设的程式集来执行各种处理,以及回应操作者的各种需求,另一方面,对于数据获得等等的简单作业,当然也需要透过程式集来进行。因此在建立程式库时,需要从预设的数据表中,读取经由PLC和IPC的介面端与感测器所获得的原始资料,并将其作为参数合并。


这样的数据收集/转换程序具有很强的相似性,假设是熟练的工程师,可以在一定程度上进行作业,即使是面对为数庞大的生产设备时,也不会对成本造成负担就随之增高,但是如果是由技术能力较差的研发设计工程师来设计的化,那么性能和数据正确性的问题风险也将随之增高。


对于先前所描述的种种风险或问题,有部分业者提出了在PLC上建立一个「设备资料库」。这个资料库储存了控制设备的规范资讯和「Formatting Tools」软体,透过这个设备资料库,可以自动产生PLC程式集,并且在设备资料库中,登录每一个感测器、输入/输出单元,并且连接到PLC的通讯单元,最后再利用设备资料库来进行数据获得和转换。


但是所产生的程式语言最好是以文字型(text-based)的基础,同时需要和自动产生技术具有高度的相容性,更进一步的被要求能够执行转换处理所需的逻辑运算和数值计算,这一方面,在进行「设备资料库」设计时,对于文字型(text-based)的选择就必须加以考量。


有日本自动控制业者是透过Formatting Tools所产生的程式,连接到PLC的设备,并且进行资料数据的接收,随后,可以规划出一个暂存的区域结构「A变量区块」,并储存所接收到的工业值数据。此外再另行规划一个「B变量区块」的储存区域来暂存从自动化控制设备中感测器接收到数据,但是其数据值和「A变量区块」并不相同,「B变量区块」中的数值大多是经由AD转换值的替代值。在这种情况下,就可以透过前述产生的程式来进行转换成工业值并存储在「A变量区块」中。工业值变量可以从PLC外部读取,或使用PLC的数据库连接功能发送到外部数据库(图一 )。



图一 : 从程式产生到数据接收的流程。 (source:日本OMROM)
图一 : 从程式产生到数据接收的流程。 (source:日本OMROM)

Support Tools是针对连接到PLC的I / O单元和通信单元来进行管理。 Formatting Tools接收到来自PLC的设备资讯,并通过将其输入到终端设备(图二)。



图二 : 树状结构的元件方块概念(source:日本OMROM)
图二 : 树状结构的元件方块概念(source:日本OMROM)

图二的元件方块图利用树状结构来定义,其中PLC作为起始点,利用每个设备作为节点,并且每个设备都设有一个以上的输入,和一个以上的输出,这样就不用依赖连接介面,并且连接介面的差异,可以作为每个输入/输出的属性管理,被登录在设备资料库中。利用这样的架构,就可以透过PLC来进行数据输出入的管理和传送。


为了每个单独的设备所产生的数据进行接受和转换,可以对每个连接介面区分出为共通原始程式和设备特定参数,并且在设备资料库中进行登录注册。


以下就简单地利用类比式感测器来做为案例,利用PLC的程式将类比式感测器所侦测到的工业值数据,转换成电压或电流后输出,并且透过AD转换器,将这些电压或电流再转换成有判读比较意义性的数位讯号。例如图三就是所获得的测量值50kPa,经由电压值3V储存在AD转换单元中,并且转换成1200的数值。



图三 : 将类比式感测器所侦测到的工业值数据,转换成电压或电流後输出(叁考资料:日本OMROM)
图三 : 将类比式感测器所侦测到的工业值数据,转换成电压或电流後输出(叁考资料:日本OMROM)

在自动化控制讯号处理方面,设备资料库是OT领域的知识库,可以称为控制设备基准规范。利用Support Tools来保持的设备结构资讯,可以视为设备的设计资讯的一部分。透过这些来进行主要资讯,Formatting Tools自动产生标准结构,该结构表示了从感测器所转换来的数据,以及进行接收,转换和传输所需要的程式。并且还可以自动产生数据库表定义,作为IT层的数据模式。


换句话说,透过在OT和IT的两个不同领域中,所使用知识和技能作为工具,只需要一位工程师就可以完成数据库传输的设计开发,这可以预期避免通讯延迟和错误,并减少OT和IT之间的资讯传输的中断。


当然对于从感测器所接收的数据进行标准化作业,并非只有利用Formatting Tools和设备资料库的技术方式,其他还可以利用闸道器(Gateway Device)的专用Data Hub,以及利用云端在IT系统上进行数据资料的转换和处理。


但是,前述的这两种方式都有可能将整个作业复杂化,远不及利用现场就内建在设备中的PLC,因为PLC除了提供设备的控制功能外,还可以透过PLC本身来接收数据资料,因此相当易于处理,比且和设备的作业周期,将数据接收的工作予以同步化,更可以活用设备中的部分设计。


透过使用设备资料库,Formatting Tools可以简单地进行操作,来指定产生程式所需的资讯。因此,不需要从传统方法,从数据表中读取规格资讯,此外,更可以降低因为误读规范而导致的编程错误,以及减少试产的调整时间,来达到降低成本。


相关文章
智慧节点的远端运动控制实现可靠的自动化
HMI与PLC━将智慧工厂带向新境界
PLC稳固智能化之路
运用SWM-G运动控制软体 实现高精度即时控制
Wi-Fi HaLow将彻底改变工业控制面貌
comments powered by Disqus
  相关新闻
» Embedded World 2024:德承全面展示Edge AI运算解决方案
» 帆宣与隹世达合组「达宣智慧」公司 启动智慧医疗引擎
» 经济部提供融资协助工具机拓展海外市场
» 海大与法国浜海大学合作推升智慧永续海洋
» 国研杯智慧机械竞赛成绩揭晓 联合大学机器人挑战高尔夫夺冠
  相关产品
» 凌华支援第14代 Intel处理器用於先进工业与 AI 解决方案
» 智慧监测良方 泓格微型气象站提供资讯面面俱到
» 凌华新款5G IIoT远端边缘网路闸道器采用Arm架构
» SICK W10直接反射式光电感测器提升物体检测多样性
» igus为医疗技术合作专案提供免润滑微型滑轨


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2024 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北数位产业园区(digiBlock Taipei) 103台北市大同区承德路三段287-2号A栋204室
电话 (02)2585-5526 #0 转接至总机 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw