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技术内外提升 PLC与PC各司其职
 

【作者: 王明德】2014年01月22日 星期三

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PLC近半世纪的历史,在硬体发展上已相当成熟,尤其在半导体技术的进步,同时让PLC的效能全面升级;在此同时,PC Based控制器则对PLC带来威胁,市场普遍相信PC Based控制器与PLC将会共存而各司其职,使自动化系统效能更全面。


就技术面言,有两项议题对PLC有较大影响,一为内部技术的大幅提升,二是外部技术的威胁​​。


先从内部技术提升分析,PLC在1969年问世后,在各自动化厂商相继投入下,技术发展相当快,但经过一段时间后,陷于当时科技水准,PLC的架构一度停滞,没有大幅变动;但直到半导体技术成熟后,PLC因此再次升级,成为目前日趋精致的架构。


由于半导体技术带动了CPU的快速发展,在摩尔定律加持之下,CPU的运算速度成几何成长,运算速度加快且价格不断下跌,让PLC厂商得以透过较以往更佳的运算核心,增加PLC的能力。



图一 : PLC近半世纪的历史,在硬件发展上已相当成熟。
图一 : PLC近半世纪的历史,在硬件发展上已相当成熟。

另一方面,在PLC的CPU扫描后,CPU会撷取所有输入点的讯号先暂存在记忆体中,随后执行程式逻辑运算时,直接取用输入讯号暂存区内的资料做判断,而不是即时从现场撷取讯号。同样的,要输出的控制讯号也不是产生一个就输出一个,而是先存放在记忆体中的输出讯号暂存区,扫描周期结束时再将讯号集中输出,因此除了CPU外,记忆体对PLC而言也相当重要,以往PLC多采用EPROM或EEPROM作为可程式记忆体,在快闪记忆体(Flash)大量普及后,PLC的元件价格不但更低廉,而且也进一步强化效能。


半导体产业加持 PLC效能大幅扩充


除了运算功能,半导体技术也让PLC增加更多可能性,以往PLC多只负责单纯的控制,在高速CPU的加持下,类比讯号处理、闭环控制、网路通讯或高速I/O等,不必再像以往,必须内建特殊功能模组来完成。


单一强大效能的CPU,降低了PLC的架构复杂度,大幅提升了稳定性与运作速度,同时也缩小了PLC的外观体积,当然连带也降低了成本。这也造成目前小型PLC的功能日益加强,直逼中型装置,但体积亦逐渐「精致」,也造成PLC的应用,不再仅局限于传统工厂自动化环境。


经过现在半导体技术加持过的PLC,不再限缩于传统的控制领域,而能比较广泛应用于制程控制中;加上随着扩充性与通讯能力的提高,PLC已经成为各种复杂的分散式控制系统的重要组成部分。


不过在此需要一提的是,尽管PLC的效能提升了一个层次,这类强大效能CPU多只应用于大型PLC上,中小型PLC由于应用领域不需复杂控制,对运算速度的要求也不高,高效运算核心并不见得实用,因此部分厂商将高效CPU的技术转型研发功能完整的SoC,将CPU及硬体处理电路(HLS)、记忆体、周边电路等整个系统整合到一个BGA包装之晶片,让一颗IC就是整套系统,不但使体积大为缩小,可靠度也大幅提高。


相较于以现有商用CPU组合其他元件所制成之PLC,其稳定度、处理速度及精度自然大幅提升;但这类研发SoC的模式,时间与金钱的大幅度损耗,除非是专业PLC以长期眼光规画,此类设计模式仍有其困难度。


挟工业电脑气势 PC Based控制器来势汹汹


外部的威胁,主要来自于PC Based控制器的挑战。 PC技术成熟后,厂商开始将触角延伸到各个角落,在制造业,为了有效整合与管理制造现场资讯,再加上工厂新的自动化设备出现,如视觉检测、高速撷取资料、资料统计分析及快速定位等,这些软硬体均为PC Based架构,因此工业电脑厂商开始思考,以PC Based控制自动化设备的可能性。


PC Based稳定度仍有疑虑


PC Based控制器问世后,由于厂商号称此类产品功能强、周边技术支援多、相容性佳,与管理层的管理软体可以轻松互连,不过PLC厂商则指出,PC Based控制器的不稳定终究将使它无法存活于工业环境。


虽然工业电脑厂商一再宣称,已针对PC Based控制器的不稳定问题进行改善,不过这未必能​​说服既定印象已深的制造业者,至少就目前来看,PC Based控制器在制造业,并未获致工业电脑厂商当初号称的成果。


PC Based控制器发展至今,虽未能全面攻占PLC地盘,不过也已切割出另一领域,尤其是在单纯的加工环境,如实验室、半导体前段制程、替代某一部分CNC工具机、中央监控系统等,就现况来看,PC Based控制器与PLC已共存于市场,一套自动化系统中,不太可能像以往只选择使用PLC作为控制核心,而是两者均用,在单纯控制以PLC为主,若有分析资料、网路、统计等需求,则由PC Based 控制器负责,PLC与PC Based控制器两者在一套大型系统中的应用比例约为7:3。


界线逐渐模糊 PC与PLC有机会并肩合作


PC Pased控制器将电脑强大的资料处理和网路能力、使用者介面及程式设计环境,整合传统PLC的高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、故障查找方便等特点,通过软体的方式,来实现传统PLC的PID控制、离散控制和模拟控制等功能。


在过去关于PLC和PC Based的控制系统二者间相较,孰优孰劣的辩论的确相当激烈。在推出近半世纪,PLC已经发展至包含类比I/O、网路通讯,以及像是IEC 61131-3的程式标准,但工程师亦利用数位I/O、类比I/O点等,以及简单的程式设计技术,创造出百分之八十的工业应用程式。因此可以说,PLC与PC Based控制器的界线,的确是愈来愈模糊。


此外,由于PLC等自动化元件多必须与整体自动化系统搭配,一部份零配件效能的大幅提升,未必是整体系统的同等提升,必须有其他周边零配件的支援才会有效果,因此使用者必须从整体系统面来评估,才不会陷入见树不见林的盲点。不论是PLC或是PC Based控制器,其选择仍应依最适化原则来进行规划,并不是只选其一就能胜任。在当今或未来的工厂自动化环境中,PLC和PC Based控制器均有其特点;甚至在很多情况下,自动化控制过程将同时包含离散和程序控制,因而PLC与PC Based控制器将有机会并肩合作。


这意味着什么?这代表当问及「PLC或PC在工业控制中谁会更为出色?」时,合理的回答是,「都很优秀」。


智慧工厂打造第四波工业革命


整合平台及软硬体的共同发展,让系统整合制造更加完整;让工厂精确地管理原料、制程及产品,不但能够因此降低成本,此外亦能提升效能。制造的智慧化,让制程更加精确,亦确立了工厂自动化的新型态,向「智慧工厂」迈进。


近年来,制造业面临的竞争日趋激烈,消费者的胃口瞬息万变,造成产品生命周期愈来愈短,客制化产品日趋多样,制造成本亦跟着难以控制;此外,更加复杂的其他因素变项,使得厂商必须随时面对不稳定的订单、少量多样的生产、生产良率的控制,以及备料库存压力等相关问题,从中寻求一个能够同时提升生产力及竞争力的关键策略,成为厂商有志一同的关切方向。


「智慧工厂」的发展,为厂商提出了新的方向。包括清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、即时正确地搜集生产线数据,以及合理的生产计画编排与生产进度等,都是业者提升竞争力及生产力所必须掌握的关键项目。


环顾工厂制造的发展历程,早期主要是让「人」来照顾机台;在自动化导入后,虽然建立大量标准化规则,并透过程式系统加以控制加工生产,但仍然需要「人」监视机台,制程资讯亦需要透过人工抄写,统计资讯内容亦不甚完整。


一直到整合平台、软体、硬体及机台的共同发展,逐渐形成「智慧工厂」概念,才使得厂商从单纯的制造业,成为「服务型」的创新产业。


智慧工厂技术 来自人工智慧研究


制造领域的智慧化,源自于「人工智慧」的研究。自1980年代起,人工智慧被引进制造领域,制造业各种智慧化的机械、制程以及系统等技术兴起,智慧制造技术尤其更加多元;此外,近年来包括系统平台、软体技术、感测系统及网际通讯等技术的突飞猛进,让智慧制造系统更加强大,甚至能跨越地域限制的远端控制,都是智慧工厂的技术展现。


不可讳言,制造的全程中实现「完全的」智慧化,虽然并非完全做不到的事情,但现在的技术的确有些难度,只能期待遥远的将来。但这类早期用于高科技的智慧制程技术,是否可以用于传统产业的发展,这个传统以来多是劳力密集化的产业,是否也可以透过相关技术来完成「制造智慧化」,乃至于智慧工厂?


回顾过去的制造系统演变,不难发现是常需求的改变及新技术的引进,成为改变制造系统型态的主要驱动力。 1970年代之前盛行「专用制造系统」,强调快速有效率生产单一产品,以满足市场的需求;但随着生产技术的进步,产品的生命周期随之缩短,传统的专业制造系统无法满足市场改变的脚步,于是在1980年代衍生出可程式化及多功能的「弹性制造系统」作为替代,使产品型态改变时,控制者仍可透过程式化介面,调整系统的功能。


在1980至1990年代,制造系统建构的重点,从快速制造转换为「提升品质」及「降低成本」,这类思考也导致后来「精实制造」及「敏捷制造」蔚为主流;前者指制造活动所需资源减低,后者更进一步将企业组织与产品型态变动镕为一体。 1983年,人工智慧被带入制造业,成为工厂自动化的起源,至此之后制造系统智慧化的脚步,就一直没有断过。


智慧制造的目标,简单来说,即是将人工智慧融入制造过程的所有环节中,系统直接可以自动监测生产线运作过程,亦可自动调整、自动组织,甚至「最佳化」在制程中整合设计、加工、控制及管理等过程,以适应外界或内部的变化环境。


1989年,日本提出「智慧化制造系统」国际合作计画,从1992至1994年进行可行性研究,建立六项工业界主导的「可行性国际合作测试案例」,包括《流程工业洁净制造》、 《全球化制造同步工程》、《21世纪全球化制造》、《全方位制造系统》、《快速产品开发》、《知识系统化》等智慧系统;此后经过10年的努力,包括日、美、加、澳、欧盟、挪威、瑞士及南韩等七大地区工业界、学术界及研究单位发展出的智慧制造技术的共通平台,以及21项研究计画,可将智慧制造系统大致归纳下列五项特征:


一、系统具有自主能力:可搜集与理解外界及自身的资讯,并以之分析判及规划自身行为。


二、整体可视技术的实践:结合讯号处理、推理预测、仿真及多媒体技术,将实境扩增展示现实生活中的设计与制造过程。


三、协调、重组及扩充特性:系统中各组承担为可依据工作任务,自行组成最佳系统结构。


四、自我学习及维护能力:透过系统自我学习功能,在制造过程中落实资料库补充、更新,及自动执行故障诊断,并具备对故障排除与维护,或通知对的系统执行的能力。


五、人机共存的系统:人机之间具备互相协调合作关系,各自在不同层次之间相辅相成。


从智慧制造到智慧工厂,基本上系统的发展均依照这五项特征为基础,作为后续变化的支撑,而这些特征,也成为工厂自动化的重要特色重点。


解决人力需求 系统整合让制造更智慧


既然谈到「智慧」,工厂「自动化」的系统绝对是其中重要的角色。


「制造智慧化」之所以蔚为风潮,主要的原因在于原物料价格飞涨,但产品的价格却因为竞争激烈价格未跟着上扬,厂商必须设法吸纳因原物料上涨所增加的成本负担;因此,让工厂精确控制原料、制程及产品,不但能够因此降低成本,此外亦能提升效能,制造的「智慧化」便成为工厂自动化的当务之急。


另外,制造的智慧化亦是因应产能效率,以及人力成本等问题的解决方案。早期的台湾制造商,面对逐渐高昂的人力成本,多以转向人力成本较低的大陆做为生产制造基地;但在近年来,随着大陆经济转型,人力成本也成为下一阶段的新负担。在大陆的厂商必须重新布局设点,或转向内地,或出走他国,而仍留在台湾的制造业厂商,也同时再次面临着人口结构的改变。


对智慧化的更高期盼


除了基层劳动力外,技术劳工的短缺也是相同的困境;不论任何地区,均促使产业界对生产自动化与智慧化的更高度期盼。


因应人力成本所衍生出的「智慧制造」,指的是透过智慧机器与「人」所共同组成的「人机一体化」系统,制造系统在制程中,协助「人」进行分析、推理、判断、构思及决策等活动,通过人与智慧机器的合作,系统的功能再次延伸,取代人类在制造过程中原有的部份劳动与脑力,如此一来,「智慧制造」再次更新了制造自动化概念。


目前来看,「智慧工厂」概念仍众说纷纭,如果就业界的产品布局来看,仍可归纳出一个共通定义,新概念工厂「智慧化」,主要可以包含「制程管控可视化」、「系统监管全方位」及「制造绿色化」三层面。


从「制程管控可视化」来看,由于智慧工厂高度的整合性,在产品制程上,包括原料管控及流程,均可直接即时展示于控制者眼前,让控制者得以全盘掌握制程的现况,同时系统机具的现况亦可即时掌握,让控制者得以进行在控管制程的同时,减少因系统故障造成偏差。


此外,制程中的相关数据均可保留在资料库中,让管理者得以有完整资讯进行后续规划,也可以依生产线系统的现况规划机具的维护;也因为资讯的整合,以之建立产品制造的「智慧组合」。


「系统监管全方位」部份,由于智慧制造的设备,必须具有感知能力,以感测器做连结,系统可进行识别、分析、推理、决策、以及控制功能;这类制造装备,可以说是先进制造技术、资讯技术和智慧技术的深度结合。


当然此类系统,绝不仅只是在工厂内安装一个软体系统而已,主要是透过系统平台「累积知识」的能力,来建立设备资讯及反馈的资料库。


这不但可掌握产品完成之时程,亦可提供更进一步服务,从订单开始,到产品制造完成、入库的生产制程资讯,都可在资料库中一目了然;此外,在遇到制程异常的状况,控制者亦可更为迅速反应,以促进更有效的工厂运转与生产。


在「制造绿色化」方面,除了在制造上利用环保材料、留意污染等问题,并与上下游厂商间,从资源、材料、设计、制造、废弃物回收到再利用处理,以形成绿色产品生命周期管理的循环,更可透过绿色ICT的加值应用,延伸至绿色供应链的协同管理、绿色制程管理与智慧环境监控等,协助上下游厂商与客户之间共同创造符合环保的绿色产品。


从自动化到智慧化


智慧工厂早期多注重在「制程」的智慧化,这主要是来自于高科技产业的快速发展;透过电脑平台系统,直接监控机台及生产线,适合应用在较为精密的产业上;此外像是半导体晶片等相关制程,多需要在极度洁净的无尘环境工作,「人」的变因反而有可能造成产品制程复杂化,因此「自动化」乃至于「智慧制造」成为这类高科技厂商的最佳选择。


因此,从系统架构来看,智慧制造可以将整个系统分为「全方位制造系统」、「可重组智慧系统」以及「智慧​​化维护系统」三个组合。


毫无疑问,智慧制造的确是自动化的未来发展方向。在制造过程的各个环节,几乎都可广泛应用人工智慧技术,像是专家系统可以用于工程设计、工艺过程设计、生产调度,以及故障诊断等技术;亦可将神​​经网路和模糊控制技术等先进技术,应用于产品配方、生产调度等流程,实现制程智慧化。


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