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智慧化驅動架構改變 自動檢測走入新紀元
 

【作者: 王明德】   2018年11月28日 星期三

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在產品生命週期中,量測與檢測分據設計與量產的兩大階段,量測儀器主要用於研發階段,在實驗室中負責偵測電子產品的電性與電波,檢測則是負責製程中的產品品質,近年來製造業掀起工業4.0浪潮,工業4.0體系要求IT與OT系統的整合,因此無論是量測或檢測儀器,都必須具備與IT系統介接的能力,讓訊號可以無縫的快速流動,這兩類儀器中,量測儀器原本就是高度數位化,其介面與訊號處理,都可與PC鏈接,檢測設備過去則屬於OT系統,因此在未來的智慧製造體系中,就算沒有內建數位化訊號處理功能,至少也需透過橋接或轉換設備,讓檢測資訊可以順利傳送到後端。



圖1 : 工業4.0體系要求IT與OT系統的整合,因此無論是量測或檢測儀器,都必須具備與IT系統介接的能力。(Source:Fortune)
圖1 : 工業4.0體系要求IT與OT系統的整合,因此無論是量測或檢測儀器,都必須具備與IT系統介接的能力。(Source:Fortune)

過去的檢測設備以OT思維設計,無法也無須與電腦串接,後期傳統的傳輸介面RS-232串列埠及GPIB(IEEE 488)問世,電腦首次躍升為檢測系統整合的一部份。藉由傳統儀器直接與電腦連接,工程師與科學家利用電腦代替人工的資料紀錄功能,不但能夠達到效率的提升、錯誤的減少,更能進行許多進階的分析。此外,使用電腦做為檢測系統中傳統儀器的控制者,還可以同時整合多部儀器於單一系統中。


透過軟體的介面,直接對儀器下達控制的指令,並且將儀器回應的資料直接接收回電腦,這些軟體都會提供儀器的趨動程式,以利該軟體透過作業系統來對儀器進行通訊,因此PC-Based儀器控制的自動化架構,確實為工程師與科學家們帶來利多的消息。


然而,此系統發展至今仍有一點是工程師與科學家們感到痛苦的地方,那就是針對各家不同儀器廠牌,必需花大量的時間與精神在研讀該儀器的使用手冊與操作指令上。許多研究單位致力於將儀器指令標準化,雖然已有所成效,但在使用者的角度來看,還是將儀器的趨動程式直接包裝於應用開發的軟體中較為實際的多。


PC-Based檢測元件的軟體控制

在80年代的中期,由於個人電腦內匯流排的技術日新月異,因而發展出能夠直接安裝在電腦裡的檢測元件。相較於傳統檢測儀器內昂貴的CPU、韌體及記憶體,PC-Based檢測元件直接使用電腦內的資源,以實現輕便、低成本、高效能的自動化檢測系統。


然而,在此低成本、高彈性的系統中,系統軟體仍舊扮演主要的指令下達與資料擷取的功能。利用高階的應用程式介面來加強程式設計的效率,配合人機介面的設計,如圖表、指針、旋鈕、指示燈等在傳統儀器上常見的物件,使電腦螢幕呈現人性化的操作功能,以整合資料擷取、資料分析、資料展示於同一個系統中。


這幾年匯流排技術的進步,產生了新一代的控制平台,現今的檢測與自動化系統已完全跳脫出傳統儀器的控制模式,以PC-Based為核心,更可以結合其它的應用,如:馬達控制、影像辨識等,此外還可結合I/O點的邏輯控制元件,如PLCs等。


自動化系統軟體架構的重要性

現成自動化系統的設計所面臨最大的挑戰,莫過於整合軟體的發展架構,此架構必需能夠減少單一系統整合的複雜度,並且提供快速而方便的設計物件,使系統本身從建立、發展到維護都能提供一個高效率、低成本的解決方案。



圖2 : 現成自動化系統的設計所面臨最大的挑戰,莫過於整合軟體的發展架構。(Source:Siemens)
圖2 : 現成自動化系統的設計所面臨最大的挑戰,莫過於整合軟體的發展架構。(Source:Siemens)

一個完整的檢測與自動化系統軟體架構,需具備模組化的整合功能、高效率的建構程序、自動化檢測與控制的系統。為了達到高效能、開發容易、系統層次分明、規劃方便等功能,在軟體架構內的每一個應用程式必需具備獨立性及高度整合性的特質,此架構達到了整合各種開發工具,並且能夠快速地建立一套自動化系統,未來在維護與功能強化上也將非常的容易。


要使檢測與自動化軟體發揮最大的效益,本身應包含以下三個特點:一、


檢測與自動化軟體的驅動程式能多連接多個I/O 元件,並且提供高階的人機介面以簡化系統的開發;二、應用發展環境能夠緊密結合驅動程式與作業管理系統;三、使用作業管理系統處理資料、測試及建立高階系統。


檢測自動化的管理工具

驅動程式在整個自動化系統的設計當中,主要是負責扮演被控制元件與控制系統的溝通橋樑,因此它所提供硬體的APIs、組態管理工具及參數設定功能等,需能完全相容於整體的應用發展環境,以提高系統的效能與開發的便利性,一個典型的檢測與自動化軟體的驅動程式架構,在這個架構中,被控制的元件透過各式的介面,如GPIB、Serial、VXI、USB、1394及Ethernet網路來通訊。在傳統儀器通訊方面,使用IEEE、VISA軟體驅動程式。


DAQ軟體驅動程式則是用來控制資料擷取卡,來擷取外部包括溫度、壓力等資料。其它還有控制影像處理卡的IMAQ,控制馬達運動卡的動作,這些軟體驅動程式都可以整合在同一個作業管理系統,並且具有即時控制及遠端監控的功能,還可以將資料配合作業管理系統做快速的存取與紀錄,作業管理系統在檢測與自動化系統設計的架構中,同樣也具有舉足輕重的功能。在此架構中有兩個主要的管理工具,即測試管理與資料管理。


過去自動化系統的設計,會針對不同的元件需使用不同的開發程式來進行,而且通常完成一個整體性的自動化系統前,會按照既定步驟建立,因此絕大多數的工程師最常遇到的困境,就是如何整合不同開發程式所寫出來的應用,以及將當初分別建立的每一個步驟銜接起來。現階段已開發的測試管理軟體,可結合所有大廠的開發程式,連接任何編輯過的動態連結程式庫或者獨立執行檔,提供設計者可客制化的測試編輯環境,用以設計、組織、控制、確認和執行不同的自動化系統。


當自動化系統收集了大量數據,如何透過強大的數學分析函數,例如FFT、數位篩選器、曲線計算、統計、進階運算法則等,並同時直接使用圖形顯示的資料得到快速的互動式結果,此時即需要資料管理軟體來進行組織性的管理,例如:建立報表、資料庫的建立、資料分析等。


就目前發展來看,雖然工業4.0的整體環境建構不會在3~5年間完成,不過趨勢已逐漸加溫,作為製程的一環,檢測設備必須及早開始IT化,以利於企業競爭力的提升。


**刊頭圖(Source:Festo)


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