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智慧製造趨勢來襲 PLC角色仍將吃重
 

【作者: 王明德】   2018年03月20日 星期二

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在製造系統中,控制技術始終是核心部件,即便現在訴求各種虛實整合、數位模擬等智慧化概念,最終運算結果仍是回到在系統的控制部分,差別只在於控制的靈活性與細膩度。


就控制技術來看,目前市場應用最廣泛的智慧控制系統包括集散控制系統(DCS)和可編程式控制制器(PLC),其中DCS以其高度的可靠性、方便的組態軟體、豐富的控制演算法、開放的聯網能力等技術特點,成為電腦工業控制系統的主流。傳統上DCS主要應用在電力、石化和化工、冶金等大型工業領域,近年來各大DCS也開始關注市政、環保等中小型應用市場,PLC則以其結構緊湊、功能簡單、速度快、可靠性高、價格低等優點,迅速獲得廣泛應用,已成為與 DCS並駕齊驅的另一種主流工業控制系統。PLC主要應用於開關量的邏輯控制、模擬量控制、運動控制、過程式控制制、數據處理、通信及聯網等領域。


DSC與PLC發展趨勢

DCS系統現在已非單純以控制功能為主的控制系統,而是充分發揮資訊管理功能的綜合平台系統,DCS提供了從現場到設備,從設備到車間,從車間到工廠,從工廠到企業集團整個資訊通道,充分體現了資訊的全面性、準確性、即時性和系統性。


DCS的整合化落實在功能和產品兩個方面,過去的DCS廠商基本上是以自主開發為主,受資訊技術(網路通訊技術、電腦硬體技術、嵌入式系統技術、現場總線技術、各種組態軟體技術、數據庫技術等)發展的影響,以及用戶對先進的控制功能與管理功能需求的增加,各DCS廠商紛紛提升DCS系統的技術水準,並不斷地豐富其內容,目前集散控制系統(DCS)已經進入第4代。


第4代DCS更強調系統整合性和方案能力,DCS中除保留傳統DCS所實現的過程式控制制功能之外,還整合了可編程式控制制器(PLC)、採集發送器(RTU)、現場總線控制系統(FCS)、各種多迴路調節器、各種智慧採集或控制單元等,此外,DCS廠商不再把開發組態軟體或製造各種硬體單元視為核心技術,而是對於DCS的各個組成部分採用第三方整合方式或OEM方式。例如,Foxboro用Wonderware軟體為基礎,Emerson用Intellution的軟體平台作基礎。



圖1 : DCS系統現在已非單純以控制功能為主的控制系統,而是充分發揮資訊管理功能的綜合平台系統(Source: Furniture Production)
圖1 : DCS系統現在已非單純以控制功能為主的控制系統,而是充分發揮資訊管理功能的綜合平台系統(Source: Furniture Production)

在PLC部分高速度、大容量、多品種及可編程自動化控制器則是未來發展方向,為了提高其處理能力,現在的PLC必須具有更好的響應速度和更大的儲存容量,因此整體趨勢是往高速度、大容量發展,目前PLC多用於中小規模應用領域,為了適應多種市場的需要,PLC將往多品種方向發展,特別是向超大型和超小型兩個方向發展,現已有I/O點數達萬點以上的超大型PLC,其使用32位微處理器,多CPU並行工作和大容量記憶體,功能強大;同時,滿足市場需要、低成本、簡易、配置靈活的超小型和微型PLC也是技術開發的方向之一。


可編程自動化控制器(PAC)是結合了PLC的可靠性以及PC強大的軟體能力,具有更高性能的工業控制器,目前PAC產品已經被應用到冶金、化工、紡織、軌道交通、建築、水處理、電力與能源、食品飲料、機器製造等諸多行業中。ARC公司預計,今後PAC的市場增長將高於PLC,同時當前正在使用的大多數小型和大型的PLC,以及一些微型PLC將會演變成PAC。


群雄分據PLC市場

在整體市場趨勢中,目前市場區隔涇渭分明,外商佔有中大型PLC市場,台商以小型PLC為主,歐美日等外商以大型PLC為主,具有強大的系統整合與專案規劃能力,能夠提出完整解決方案應用在不同的產業,比如Siemens、Rockwell自動化等,這類產品多搭配其他自動化產品,以專案方式導入至大型建設或大型廠務系統(如半導體產線)。


這類大型建設領域的「價格」並非優先考量,主要講究品質與後續維修服務,讓大型外商佔到優勢。台灣廠商打不進大型高階產品的原因,在於這樣的大型方案需要一定的品牌知名度作為擔保,大型系統運作前都需要先投保,設備品牌會是保費計算的重要考量。



圖2 : 重工業是PLC的重要應用領域之一,由於這類製造業產線複雜,所需的控制點多,因此多採大型PLC。(Source: AOL Jobs)
圖2 : 重工業是PLC的重要應用領域之一,由於這類製造業產線複雜,所需的控制點多,因此多採大型PLC。(Source: AOL Jobs)

中階PLC市場則包括機械設備、倉儲運輸、製造業整廠自動化等領域,主要應用多為非整廠輸出的自動化系統與產業機械,產業機械意指特定製造業所需的機械,例如木工機、紡織機、包裝機等,中階以日系PLC市佔率較高,尤其在產業機械OEM方面,日系廠商深根台灣市場,長久在地化服務效果頗佳。


小型PLC市場價格競爭激烈,一直以來都以台灣廠商產品為大宗,台灣廠商規模有限,無法提供一系列的自動化解決方案,所以多以單機PLC銷售,屬於小型PLC產品。各廠商的產品差異並不大,功能要求有相較為簡單,台廠優勢在價格低廉,主要應用於簡單自動化、安全監控等領域,近年來部分中國廠商也搶進低階PLC市場,雖然品質不如台廠,卻也給予台廠競爭壓力。


台商PLC以小型甚至微型PLC為優勢市場,大型市場利潤雖然較高,但長期以來外商卡位已久,台廠於此高階市場並無優勢,小型PLC的出貨量大,以量計價之下整體市場也相當可觀,且台廠在價格上仍有競爭優勢,與多數外商價差可以差距到兩倍,加上產品線簡單,不需要耗費大量研發成本,PLC市場仍具一定跨入難度。


PLC四大技術趨勢

在技術方面,PLC會有4大發展趨勢,首先是程式語言部分,未來IEC 61131-3標準的圖形式編程語言,將採用階梯圖(LD)及功能方塊(FBD),在語文式編程語言方面,則採用指令(IL)及結構式文件編程語言(ST),此外順序功能流程圖(SFC)亦列為標準編程語言,美國也將IEC 61131-3訂為NEMA標準。


第2部分則是擴充彈性,PLC組成已由整體式結構趨向於模組式發展,用戶可根據不同需求加以組合,並可隨時選購所須特殊功能模組,或即時更新故障模組,故擴充時具相當彈性。



圖3 : 隨著消費性市場的改變,現在生產線除了速度要求外,快速換料換線也是重點設計。(Source: Redpoint Positioning)
圖3 : 隨著消費性市場的改變,現在生產線除了速度要求外,快速換料換線也是重點設計。(Source: Redpoint Positioning)

第3是通訊技術,包括數據傳輸、處理與通訊網路的建立,數據傳輸、處理與系統監控部分,為因應自動化及彈性製造需求,必須提升PLC與PC間之網路通訊速度及功能,目前已採用光纖作為傳輸媒體,以滿足遠端(Remote)I/O模組控制。PLC經由通訊或連結模組,可使數據在PLC、PC或CNC之間互相傳輸並作進一步處理,以充分達成系統分散控制、線上即時(online,Realtime)之集中監控目的,通訊協定制定與通訊網路方面,通訊協定通統一規範為IEC 61131-5,此外用於連結不同廠牌PLC以構成區域性網路(LAN)之MAP也逐漸受到製造廠商重視。


最後是功能強化與應用指令的易用性,半導體及微處理器技術的精進,讓PLC的發展趨於兩極化,小型PLC朝輕、薄、短、小方向發展,並增加大量應用指令。中、大PLC則逐漸使用32或64位元微處理器、多重CPU及大容量記憶體,使掃瞄速度更為快速,數學運算、數據處理與網路通訊等功能大為增強,應用指令在使用上更為方便。


觀察整體趨勢,在製造業的自動化乃至於智慧化趨勢中,PLC憑藉其穩定特色,未來仍將佔有一席之地,至於受業界質疑的通訊問題,在PLC廠商的大幅改善下,其問題仍然可以克服,就此來看,PLC在製造系統角色仍將持續吃重。


刊頭圖片(Source:Siemens)


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