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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: [1086]

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,在全球已广泛应用於钢铁、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

一般对於PLC的理解,往往都仅限於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对於资讯传送、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,工厂对於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。对於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,通常仅限於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,所以对於工程师来说,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??所有自动化控制设备的相关工程师都期??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後,後送提供给IT层的进行分析以及AI处理。


此外每个数据的效用性,通常是在分析之後才能以逻辑、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。由於这个原因,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,透过基於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、传输提供给後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。


因此对於数据的发送和接收,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。由於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,对於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,并将其作为叁数合并。


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,那麽性能和数据正确性的问题风险也将随之增高。


对於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,最後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,对於文字型(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,随後,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叁数,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,转换成电压或电流後输出,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。


当然对於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,因此相当易於处理,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。


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