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工业 4.0改变自动控制架构的选择标准
采用IPC进行自动控制优於PLC和PAC缘由
[作者 英特蒙提供]   2021年08月31日 星期二 浏览人次: [1260]

本文描述机器控制运用可程式化逻辑控制器(PLC)?工业电脑(IPC) 和 可程式化自动控制器(PAC)之间的区别, 并探索工业 4.0 如何改变对机器控制架构的需求,进而解释和 PLC 或 PAC 相较之下,IPC能够提供迄今为止最隹化的机器控制架构。


20多年来,设备制造商不断地努力想寻找出最适合的控制器架构,以提供市场所需的性能和品质,同时也能保护其投资资产 及长期利益。过 去,可程式化逻辑控制器(PLC)?工业电脑(IPC) 和 可程式化自动控制器(PAC)皆各有所长和能保证一定的效能,因此, 决定使用何种系统取决於目标设备的需求。


然而,工业 4.0 和 lloT改变了选择的标准,转而偏好工业电脑(IPC)。现今的机器控制需要前所未有的整合性和相容性,而这只有全软体?采Linux或Wind ows 作业系统在 x86 硬体的IPC才能应付。在工业 4.0 时代,除了具备基本的设备控制器功能外,机器自动化现在还必须因应云端分析的回??来优化性能,以及采用 OPC-UA、Et herCAT 以及 PLCopen 等标准来简化设备通讯和构造,并且在控制器上运行同类最隹的第三方软体(例如端点分析软体)来提升价值, 缩短产品开发与上市时间。


设备控制器现在必须能够运行同性质最隹的第三方软体。 因为这项新的需求,彻底改变 了选择标准,PLC或PAC不再受青睐,IPC一跃成为新宠儿。因为只有具备 x86架构的IPC提供大量的第三方现成软体,而且这些软体可立即提供给设备制造商使用。这与大部份封闭式的PAC或PLC形成对比,供应商或设备制造商必须从头设计高品质的网路和分析应用程式,而这些都是IPC先天的优势。


本文描述机器控制运用PLC、PAC以及IPC之间的区别, 并探索工业4.0如何改变对机器控制架构的需求,进而解释和PLC或PAC相较之下,为什麽IPC能提供迄今为止最隹的机器控制架构。


基本机器控制架构的比较: PLC、PAC及IPC

跟过去相比,现今控制系统功能更加强大灵活,更容易配置和编程,而且提供多样化和简化的通讯机制。市场上控制器供应商众多,竞争非常激烈,各式控制系统架构的功能和价值差异对工程师而言,也更难以比较和了解。 过去 20 年来,工程师往往在机器里安装三种基本的机器控制架构:PLC ?IPC及 PAC。


1960 年代後期之前,控制系统是由控制各自分离设备的继电器组成,独立的??路控制器则负责监督和控制类比功能。这种结构造成不少困难,包括控制器之间的继电器占据不少空间、变动十分昂贵,以及出现问题时,故障排除手法也十分复杂。


PLC於1970年代初期发明,刚开始用於工业应用相关,从而取代了继电器系统。即使体积比原始的继电器要小,但最初研发的PLC仍然很大, 并需要使用专用端子和有限的指令集来编写程式。到1970 年代後期,分散式控制系统(DCS)开始取代单一??路控制器, 帮助集中类比控制环境的过程。历史上来说,DCS是由多个靠近终端控制设备及可视化工程用PC-based工作站的输入/输出机架所构成。所以为了与过程??圈相互作用,工程萤幕必须和DCS搭配使用。到了1980年代初, PLC系统开始叁照DCS且具备分散式组件和机架。


最初的概念开始,PLC就有许多较进步的地方, 包括处理能力变强?记忆体增大?能处理的位元数变多以及体积缩小。这些重大改进也为许多其他类别的自动化系统铺路。其中两个分别是PAC和IPC。尽管PLC品质良好, 但PAC和IPC 添加了一些新功能和能力使它们独树一格。要比较这三种系统架构,先要对每种架构的基本优点有个基本了解。


可程式化逻辑控制器(PLC )概述

现今的PLC控制器不仅威力强大且功能性隹,因此事实上一直是许多自动化项目的标准。PLC的用途 常见而广泛,包括代工生产(OEM)的机器在内, 但在物料运输上就仅有几个例子,像是包装机、堆栈机、填充机和输送带。PLC通 常与硬 体的人机介面(HMI)套件配对来处理视 觉化。PLC可处理高速1/ 0、数位和类比1/ 0以及进行序列;还能进行高速计数、网路介面和运动控制。


实际运用上,所有PLC都配有内建现场、设备或乙太网路级别的通讯系统,例如Et her CAT、Mo dbus、Profinet以及TCP。这 些网路全都用於PLC对PLC的通讯、分散式1/0功能以及HMI/SCADA(资料采集与监控系统)通讯。PLC通常也十分具有成本效益,相较於其他控制系统保有一定的竞争力,然而这套系统仅能处理有限的 1/0 数量。


程式的复杂度与逻辑设计也有限制。例如硬体架构的 PLC 不支援 或物件导向的逻辑。但基於物联网的需求,一些先进软体架构的PLC已能支援21世纪物件导向程式设计(OOP)技术, 而PLCo pen也被视为架构PLC的新OOP标准。


可程式化自动控制器(PAC)概述

PAC也是设计成与PLC系统完全相同的基本功能,但添加一些特点以增加功能性。也就是说,PAC 的设计目的是为了处理更大的分散式应用控制,像是大型包装生产线、分散制造控制系统以及大型栈板或工厂制程的制程控制等。PAC拥有更加先进和目的性的指令集,例如排序?设备控制?制程控制和批次处理;也可以为特定产业编程,提供专门针对石油、天然气、核能以及其他专业领域的指令集。


专业领域的指令集威力强大,所以要增强 PAC 的总线功能才能正确执行命令。 PAC可以与企业级SCADA并用, 控制整个工厂并撷取与处理数据。PAC通常架设於类似IPC的系统架构,甚至使用x86 晶片,但他们无法运行第三方电脑软体。设备制造商会被供应商绑在PAC模组中。


随着PAC指令集以及对应的HMI资料库逐步发展,PAC和DCS之间的区隔线也愈加模糊了。DCS的大多数功能性、整合性以及强度现在也由PAC的制造商提供。以前是大型DCS系统才能做到的先进控 制能力,PAC现在也具备了,还能在PlD 不足的不稳定或复杂的封闭??圈控制环境中使用。


PAC的主要优势也可能造成其最大的负担。大多数PAC是模组化硬体,所以易於扩展,并且具有强大的开发语言。但如果发生无法由PAC处理的任务,而供应商又将设备制造商「绑定」,那麽困难就出现了。例如在工业4.0时代,有越来越多的公司正寻求在设备控制器上进行边缘分析,而非仰赖云端。如果PAC无法加载第三方软体,该机器可能就会错失提供具竞争力和高性能的大好机会。


工业电脑(IPC)概述

IPC工业电脑於1990年代崛起,当时自动化公司刚起步设计软体,想模拟出可以在标准电脑上运行的PLC环境。一开始,由於主机作业系统(OS)有时不太稳定,导致使用电脑进行自动化并不是一个可靠的方法。


然而,透过使用加强後的IPC配合更稳定的作业系统,IPC领域已有重大进展。一些制造商甚至使用即时作业系统(Real-Time OS)核心,制作出自己的IPC进行自动化。即时作业系统能让自动控制与作业系统环境分工处理,并在运行某些工作和功能时,能比作业系统优先进行(例如使用 I/0介面)。l nt ervalZe ro上的RTX 64就是一个即时作业系统的实例。RTX 64能将微软Wi ndows系统转换为即时作业系统(Real-Time OS)。


因为IPC是在个人电脑平台上运行,所以与标准PLC相比,IPC具备更现代化处理器和更大的记忆体。IPC的重大优势之一,就是在同一台机器能同时运行HMI应用程序与自动化程式,从而大大降低了设备成本。OEM机器和其他没有太大空间的小型专案也会广泛使用IPC。设备制造商还可以在同一台IPC上同时使用第三方软体和机器控制;像是使用於云端连接的安全通讯协定OPC-UA或在数据发送到云端之前汇整和分析数据的第三方分析软体。


工业 4.0 的需求改变决定最隹控制架构的选择标准

直到最近,要从PAC、 PLC或IPC之间挑选一种来使用时,还是有许多因素要列入考虑,例如预算多寡、规模大小、支援度、复杂程度以及未来的扩展性。特别重要的是,也不能忽略需要安全完整性等级(SIL)认证以及平均故障间隔(MTBF)的相关系统。


此外,控制系统的品牌通常会由设备设计工程师决定。客户现有的编程许可证类型、维护和技术培训以及区域承包商的支援也都息息相关。这些要素都会影响总拥有成本(T ot al Cost of Ownership) ;品牌愈熟悉,也能减少重新培训的时间,并且保持品质一致。


因为工业4.0彻底翻转了最隹机器控制架构,可见其重要性并非夸大其辞。亚马逊翻转零售业和谷歌主宰广告的手法,是将深度整合的数位策略套用到传统业界。工业4.0应用了相同的概念,将类似的数位策略植入制造业的环境,期??能够打破传统思维。采纳工业4.0的技术并将其应用到工厂的设备制造商和制造业者已经蓄势待发,准备主导各自的垂直市场;没有接受工业4.0概念的业者, 将在这场战役中淡出。


由德国政府发起,工业4.0运动的焦点在於把价值链数位化,以建立智慧制造设备。这对世界各地的制造业产生了深远的影响。事实上,多数人都知道制造业早已兴起了第四次革命。



图1 : 制造业从第一次革命到已兴起的第四次革命,在不同阶段都有其重要的影响力。(source:英特蒙)
图1 : 制造业从第一次革命到已兴起的第四次革命,在不同阶段都有其重要的影响力。(source:英特蒙)

再者,顾能公司(Gartner)曾引证,十分重要却常被忽略的工业4.0的元素是「智慧」设备控制器。设备控制器与云端功能一样重要,或者可以说更重要,因为它是真正突破架构的来源:集结资讯後将其安全导入和导出云端,简单来说,就是实际运用了那些有效的讯息。顾能公司也相信,端点分析会随着时间变得极度复杂且具预测性,以改善系统的回应。如果设备控制器没有「聪明」到能够根据有效讯息 或控制器自行产生的讯息,来适应不断变迁的制造环境, 工业4.0的愿景将无法实现。


此外,正如德勤(Deloitte)在其2019年的观点论文中指出软体确实在『蚕食』(科技)世界, 最有效的解决方案是在一台工业电脑运行所有软体,不需要专属硬体设备。他们记录了超过25年的趋势,市场已从硬体为主的经济转变为软体和数位化。对於一直拒绝改变的设备控制器而言,工业 4.0 的需求使其无法再墨守成规。


工业4.0改变了一切,因为所有机器控制架构如果想在软体主导的世界占一席之地,都必须考虑工业4.0的需求。工业4.0观念尚未出现之前,大多数的设备制造商和用户都认为机器会成为一座座自动化的孤岛。然而,工业4.0要求前所未有的连接性,以求在品质、生产性能和价值上有所突破。而且不仅仅是与云端的连接,也是产线机器之间的连接,因此一个控制器可与其他控制器分享资讯,进而改善整个产线的生产性能。工业4.0的目标是智慧设备控制器架构和智慧边缘装置,最终能成为构建智慧工厂的基础。



图2 :  工业4.0改变一切,所有机器控制架构如果想在软体主导的世界占一席之地,都必须考虑工业4.0的需求。(source:Vogel Italia)
图2 : 工业4.0改变一切,所有机器控制架构如果想在软体主导的世界占一席之地,都必须考虑工业4.0的需求。(source:Vogel Italia)

但是,工业4.0也不仅仅着重在单一机器的单一控制器。如今紧密整合工厂的工业网路可於同一部电脑上支援多个控制器,当成网路中掌控多台设备的主要控


制器。随着技术的发展,工厂的整合让客户更能弹性运用,在我们朝着工业 4.0 的未来发展路上,一切都能加以整合。


因此,在选择机器控制架构时要考虑的因素,像是预算多寡、规模大小、支援度、复杂程度以及未来的扩展性,在决定时仍都是息息相关的,但所有这些因素还必须透过额外的条件加以审视,才知道是帮助还是损害设备制造商迈向工业4.0的能力。最後,工业4.0添加了三个原则,作为在挑选理想的机器控制架构时必须考虑的重点。


首先,工业4.0要求以全软体的方式达到自动化,才能让传统控制器升级为「智慧控制器」。唯有「全软体」的方式, 才能提供从云端或其他控制器撷取讯息所需的灵活性,进而即时做出变更机器作业的相关决策。其次,要采用即时作业内核的全软体架构,才是关键所在,但不是任何一套软体都能做到。理想的全软体系统架构会要求开放性,能在单一平台上运行多个控制器,并且直接在控制器上运行第三方软体,例如数位双胞胎(digit al t win) 或分析软体。 第三,理想的机器控制架构必须包含行业标准,以减少整合和数位化制造业价值链时会碰到的障碍。


最後,正如德勤所记录和资料来源之一的马克·安德森(Marc Andreessen)所预测,只有全软体才能策略性的有效满足未来需求,因此唯有IPC-based的控制器才能将传统控制器转变为智慧控制器。在开放性或设计上,PLC和PAC既无法支援全软体,也无法运行第三方软体。PAC 和 PLC无法预见或适应未来工业4.0需要的更多连接需求。从一开始就选择在IPC上运行的控制平台,将增加设计项目成功的机率,最终也能为相容工业4.0的未来做好准备。


结论

现今更灵活?运转速度更快?更智慧?相互通讯?即时处理/分析数据的机器创造了足以改变世界格局的经济和生产力机会。其中重要的是,透过结合人工智慧的工业4.0的讯息共享将只会提高对系统要求的处理速度。能提供功能最灵活、作业最精确和最高性能的设备自动化和机器控制系统公司,将为他们的客户创造最大的利益价值。


直到最近,PLC、PAC和IPC架构在独立设备或自动化孤岛的情况下,提供了相似的功能性,而努力升级的公司可能会陷入难以选择最适架构的泥沼之中。靠着消除自动化孤岛,替换为云端连结的控制器网路而打下智慧制造 的基础,工业4.0翻转改变 了这一切。基於工业4.0 的需求,配 置PLC和PAC 的机器控制架构将不会再有相同的使用年限,因为这些网路和智慧控制器都要求全软体的途径, 而只有使用 IPC 工业电脑的控制架构才能办到。


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