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制造业掀起智慧浪潮 运动控制同步进化
 

【作者: 王明德】2019年11月04日 星期一

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制造业近年来掀起智慧化浪潮,希??透过OT与IT系统的整合,让制造体系更具智慧化,不过智慧化根基於自动化,唯有精准的自动化控制,才能落实制造系统的智慧化愿景,而在自动化制程中,运动控制是系统核心,制造业界对此技术早已全力投入,近年来制造系统的架构渐趋复杂,运动控制技术也需同步进化。



图1 :  运动控制是自动化系统的基础,近年来制造市场掀起智慧化浪潮,运动控制技术也需与时俱进,让制造系统兼具效能与弹性。(source:Machine Design)
图1 : 运动控制是自动化系统的基础,近年来制造市场掀起智慧化浪潮,运动控制技术也需与时俱进,让制造系统兼具效能与弹性。(source:Machine Design)

从架构面来看,运动控制可分为以单晶片或微处理器为核心的运动控制器和采用专用晶片(ASIC)处理器的运动控制器,後期又出现使用DSP、FPGA等运算单元的开放是运动处理器,其应用也从传统的数控加工行业专用运动控制技术,发展为更具开放性、可因应具体应用需求而快速重组的先进运动控制技术。


不过无论是哪一类型架构,高速、高精度始终是运动控制的必要前提,透过处理器的强大运算能力,进行复杂的运动规划、高速即时多轴??补、误差补偿等运算,强化其精度与速度更快,并让运动轨迹更平稳。


三大类型 建构运动控制系统

观察运动控制的历史发展,其技术起源於早期的伺服控制,主要是针对机械运动部件的位置、速度等进行即时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动叁数进行动作,後来美国等先进国家的工业迅速发展,通用运动控制技的技术与应用也随之起飞。



图2 : 智慧化根基於自动化,唯有精准的自动化控制,才能落实制造系统的智慧化愿景。(source:Siemens)
图2 : 智慧化根基於自动化,唯有精准的自动化控制,才能落实制造系统的智慧化愿景。(source:Siemens)

就架构面来看,目前常见的通性型运动控制可分为PC汇流排、软体开放式与嵌入式等3种类型。PC汇流排大多采用DSP或微处理器作为控制单元,可进行运动规划、高速即时??补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部I/O之间的标准化通用介面功能,其开放的函式库可因应使用者需求,在Windows平台下自行开发应用软体,组成各种控制系统。


软体运动控制也是制造业近年来的重点,其作法是充分利用CPU中的每个核心来从事指定的功能,纯粹以软体的方式并透过一条网路线/EtherCAT即可来控制各种马达、机器,以节省电缆、AD/DA转换电路等成本,且降低空间占用与噪音量。


软体运动控制,适合用在规划大型系统的应用环境,在大型系统的应用上,可进行较为复杂的动作规划,除了弹性应用之外,另外一个重点在於「智慧制造」的最终目标,使用者可以依任意调整产线的产能与制程项目,让运动控制可以依需求进行调整,不过美商英特蒙台湾分公司亚太区业务与行销??总裁洪育浩指出,过去工业通讯标准仍处百家争呜的情况,像要透过系统达成即时性控制需求的设定会有一定困难,这也是现在此架构在技术发展上必须克服的挑战。



图3 : 近年来制造系统的架构渐趋复杂,运动控制技术也需同步进化。 (摄影/王明德)
图3 : 近年来制造系统的架构渐趋复杂,运动控制技术也需同步进化。 (摄影/王明德)

最後一种则是嵌入式运动控制器,其架构是将PC技术嵌入至运动控制器,使之独立运行。在此架构中,运动控制器与电脑是靠特定的工业通讯标准传输,因此可视为汇流排结构的运动控制器的变种,不过相较於标准汇流排的电脑模组,这类型产品采用了更稳定的工业通讯标准传输,更加适合工业应用。在使用中,采用如工业乙太网路、EtherCAT、PROFINET等即时通讯介面联接上层系统或人机介面,在智慧化制造系统中,嵌入式的运动控制器也可配置PC周边元件,并透过网际网路进行远端诊断。


由於市场上新设备的控制需求、传统设备技术升级、换代,对运动控制器的市场需求越来越大,另外,由於市场日益竞争的压力,系统整合商和设备制造商要求运动控制系统向开放式方向发展。


PLC与IPC的竞合趋势

再就目前市场走向来看,不论哪一种类型的运动控制架构,都面临了生产线渐趋复杂的挑战,因此如何整合出最适化应用,也成为各厂商经营市场的严苛挑战。分析运动控制的不同架构,PLC透过运动模组的整合进行运动控制的应用,目前仍为市场的主流应用模式;相较於PLC,运动控制器则无须整合运动模组,是以运动控制为主,程序应用为辅的控制器。


至於IPC架构,则有标准化的PC-Based系统加装运动轴卡,可在Windows系统下规划运动模式的控制,或是透过硬体CPU的运算能力进行运动控制规划,由於与後端的管理系统的架构相同,所以具有整合性的弹性,让运动控制与系统管理有更完整的连结,也提升相关的便利性。


运动控制近年来走向智慧化,其需求是由消费性电子产业而来,以IPC架构为例,由於智慧手机之类的消费性电子,其在制程需要整合包括视觉、感测及统整後端资料库等装置及系统,在後端连结要求较高的情况下,透过IPC整合运动控制卡的做法,是这类厂商在运动控制上的通用方案,在不同的应用模式上,需求仍是系统选择重点。


再从技术发展来看,运动控制已是发展成熟的技术,从传统透过PLC架构的应用,到进行以易设定、扩充及修改的特色为前提的IPC架构,其进化轨迹相当明显,再加上渐趋稳定的运作与合宜成本,现在越来越多厂商将之应用於运动控制规画;IPC厂商近年来对这此部分的着力也越来越深,包括硬体的轴卡等均有相当完整的产品。


而近年来硬体发展已渐至顶峰,简化应用的需求也逐渐开发,包括像是Smart Controller之类的产品,让使用者无须进行繁复的程式及逻辑设计,不过此类系统因需大量整合性,因此在技术层面仍需克服不少挑战。


智慧化趋势明显

观察市场走向,虽然PLC等自动化装置仍是目前运动控制的市场主流,但IPC在此应用的重要性也逐步强化之中,业界人士认为,此一趋势主要来自於包括像科技厂商开始加重工业领域的布局力道,除了Intel、AMD等CPU厂商透过低功耗处理器的推出,取代传统专用设备的控制器外,MCU厂商的工业产品问世速度也正加快中。



图4 : 无论是哪一类型架构,高速、高精度始终是运动控制的必要前提。 (source:StarFish Medical)
图4 : 无论是哪一类型架构,高速、高精度始终是运动控制的必要前提。 (source:StarFish Medical)

由於在CPU的制程技术上,多核心的架构成为主流,加上即时作业系统跟着多核处理器的推展扩张了多工处理的效能,因此可以处理项目的复杂度也跟着提升;此外工业通讯的蓬勃发展,让资讯的流通更快速稳定,这都助长了IPC架构在工业自动化市场的扩张,这些整合,让多点I/O与多轴控制的应用得以落地实用。


另一业者也指出,工业通讯标准因进化所带来的高度连结性,让业者在生产线规画之时,就可让设备透过各种通讯标准整合,以相同的通讯介面进行系统配置,更可以针对未来的预期预留扩充的空间或缩小的整备,让系统可以以最适化的方式运作,相较於过去PLC多以封闭网路进行规画,现在的开放式架构将使系统更具弹性。以行动电话的机壳为例,过去是透过CNC制作母模後再依样画葫芦大量制造,但现在智慧手机则改变制程,让机壳直接在产线上作加工,因此衍生出其他需求,要整合这类类型多元介面,工业乙太网路会是最隹选择,而这也是IPC业者的强项。


此外,近几年的云端运算,更让IPC业者在运动控制领域的优势倍增,尤其近年的智慧控制思维,强调与资料库管理系统进行整合,透过云端运算的技术,让生产线良率与产可在远端被控管,强化管理效能。


至於IPC架构的未来,业者认为将会走向两个不同的面向。在高阶应用部分,IPC可以透过软体运动控制的技术扩大应用弹性,将函式库与控制平台应用於复杂的多轴控制,加上与後端管理系统的无缝连结,让系统的运动控制更精准,并整合生产线的产能资讯,强化市场竞争力。


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