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PAC逐渐成形 嵌入式自动化市场再下一城
 

【CTIMES/SmartAuto 王明德 报导】   2014年01月10日 星期五

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如果依照维基百科对嵌入式系统的定义,「嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务,由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务,设计人员能够对它进行优化,减小尺寸降低成本。」PLC可说是最早的嵌入式设计之一,它只针对工业控制为单一应用,设计完全以此为基准,内部组件大量精简,整体运作机制高度简化,因此稳定度也可达到工业等级。

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不过PLC历史已久,在1969年就已问世,当时PC技术尚未成形,制造现场的整合概念也不多,因此自动化系统多为单独运作(Stand Alone),1980年PC技术开始起飞,PC Based在20世纪末期开始跨入自动化领域,由于PC已是企业作业的标准平台,利用PC的高兼容性来将作业现场与企业e化系统整合,已成制造业系统建置重点之一。

PC Based在自动化应用初期被PLC阵营高度质疑,至今市场上仍有相关疑虑,主要问题有三点:

1. 稳定性:PC操作系统向来给人稳定性不足的印象,不能做为控制之用。

2. 可靠性:PC使用非工业强化组件,容易发生当机的情形。

3. 程序设计环境不熟悉:工厂操作员必须有能力掌控系统,以便进行维护或故障排除。使用阶梯逻辑时,他们可以手动强迫1个线圈到达需要的状态,并迅速修补受影响的程序代码,以便迅速控制系统,但是PC系统要求操作员学习更新、更高阶的工具。

不过在整合层面的考虑下,也有工程师将PLC配合PC使用,以进行数据记录、连接至条形码扫瞄器、将数据加入数据库,以及将数据公布至网站之故。这种架构最大的问题在于,这些系统往往难以组装、故障排除及维护。系统工程师往往必须处理整合不同厂商间的软硬件,然而这些设备在设计时并未考虑到整合面,因此在系统整合时会遇到相当大的问题。

为解决PLC与PC Based的整合问题,美国研究机构ARC(Automation Research Corporation)提出了PAC架构,PAC英文全名是Programmable Automation Controller,中文则是可程序自动化控制器,美国国家仪器(NI)指出在ARC透过软件功能的定义,来列出PAC的五大控制特性,包括::

1. 多领域的功能性。在1个平台上至少有2种功能,包括逻辑、运动、PID控制、磁盘以及处理,除了部份在I/O上做变动以配合特殊协议之需要外,逻辑、运动、处理,以及PID,都只是软件的1个函数。

2. 单一的多元化开发平台,结合一般卷标及单一数据库,以存取所有的参数及功能。由于PAC是为了高阶应用而设计的,因此它们需要更先进的软件。为了让系统设计更有效率,软件必须是一款单一整合软件套件,而不是未经处理、无法合作无间的分布式软件工具。

3. 透过处理跨越多部机器或处理组件之数据流,并配合IEC61131-3、用户导引,以及数据管理,使之能够完成设计的软件工具。另外一个简化系统设计的组件是高阶图形化开发工具,它能够轻易将工程师对于过程的概念转变成实际控制机器的程序代码。

4. 反应出工业应用环境的开放、模块化架构,从工厂中的机器配置到处理厂中的组件操作皆含括在内。由于所有工业应用都需要大量的自定义功能,因此硬件必须提供模块化功能,工程师可以选择适用的组件。软件必须让工程师能够增加及移除模块,以设计所需的系统。

5. 采用实质标准做为网络界面、语言等,例如TCPIP、OPC &XML以及SQL查询。对于现代控制系统而言,和企业网络的通讯是非常重要的。虽然PAC含有以太网络端口,但是通讯用软件是与机构其它部份顺利进行整合的关键。

PAC融合PLC与PC Based两种技术,在PC层面,会大量应用嵌入式技术,拥有使用软件来定义硬件的能力就是其一,PAC将采用FPGA作为控制组件,FPGA是消费性电子厂商用来制作客制芯片常用的电子组件,可使设备中重设组态逻辑电路,执行多种功能,用于连接功能区块的可程序接点,以及将数据输入及输出芯片的I/O区块。只要定义可重设组态逻辑电路的功能,以及彼此之间和I/O间的连接方式,电子设计者就可以创造客制芯片,而不需要生产客制的ASIC。FPGA就像拥有1部可以重新布署内部电路以执行特定应用程序的计算机。

过去只有熟悉低阶程序设计语言(如VHDL)的硬件设计师才能运用FPGA技术。但之后系统控制工程师可以利用PC软件撰写程序如NI的LabVIEW FPGA来建立客制控制运算法,将下载至FPGA芯片。此功能让工程师得以将执行上对时间极度要求的功能结合至硬件中,例如极限开关及邻近传感器的侦测以及健康状态监视的应用等。由于控制程序直接在芯片中执行,因此工程师可以迅速建立具备客制通讯协议或高速控制回路的应用程序。

虽然部份PLC厂商认为,PAC仍属于PC Based产品,只是换了另一种包装,但就市场整体面来看,PAC的确已逐渐成形,包括西门子在内的大厂,均已纷纷推出产品,未来嵌入式技术将会被大量应用在PAC,成为自动化系统的重要技术之一。

關鍵字: PAC  NI  PLC 
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