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工業 4.0改變自動控制架構的選擇標準
採用IPC進行自動控制優於PLC和PAC緣由

【作者: 英特蒙提供】   2021年08月31日 星期二

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本文描述機器控制運用可程式化邏輯控制器(PLC)?工業電腦(IPC) 和 可程式化自動控制器(PAC)之間的區別, 並探索工業 4.0 如何改變對機器控制架構的需求,進而解釋和 PLC 或 PAC 相較之下,IPC能夠提供迄今為止最佳化的機器控制架構。


20多年來,設備製造商不斷地努力想尋找出最適合的控制器架構,以提供市場所需的性能和品質,同時也能保護其投資資產 及長期利益。過 去,可程式化邏輯控制器(PLC)?工業電腦(IPC) 和 可程式化自動控制器(PAC)皆各有所長和能保證一定的效能,因此, 決定使用何種系統取決於目標設備的需求。



然而,工業 4.0 和 lloT改變了選擇的標準,轉而偏好工業電腦(IPC)。現今的機器控制需要前所未有的整合性和相容性,而這只有全軟體?採Linux或Wind ows 作業系統在 x86 硬體的IPC才能應付。在工業 4.0 時代,除了具備基本的設備控制器功能外,機器自動化現在還必須因應雲端分析的回饋來優化性能,以及採用 OPC-UA、Et herCAT 以及 PLCopen 等標準來簡化設備通訊和構造,並且在控制器上運行同類最佳的第三方軟體(例如端點分析軟體)來提升價值, 縮短產品開發與上市時間。


設備控制器現在必須能夠運行同性質最佳的第三方軟體。 因為這項新的需求,徹底改變 了選擇標準,PLC或PAC不再受青睞,IPC一躍成為新寵兒。因為只有具備 x86架構的IPC提供大量的第三方現成軟體,而且這些軟體可立即提供給設備製造商使用。這與大部份封閉式的PAC或PLC形成對比,供應商或設備製造商必須從頭設計高品質的網路和分析應用程式,而這些都是IPC先天的優勢。


本文描述機器控制運用PLC、PAC以及IPC之間的區別, 並探索工業4.0如何改變對機器控制架構的需求,進而解釋和PLC或PAC相較之下,為什麼IPC能提供迄今為止最佳的機器控制架構。


基本機器控制架構的比較: PLC、PAC及IPC

跟過去相比,現今控制系統功能更加強大靈活,更容易配置和編程,而且提供多樣化和簡化的通訊機制。市場上控制器供應商眾多,競爭非常激烈,各式控制系統架構的功能和價值差異對工程師而言,也更難以比較和瞭解。 過去 20 年來,工程師往往在機器裡安裝三種基本的機器控制架構:PLC ?IPC及 PAC。


1960 年代後期之前,控制系統是由控制各自分離設備的繼電器組成,獨立的迴路控制器則負責監督和控制類比功能。這種結構造成不少困難,包括控制器之間的繼電器佔據不少空間、變動十分昂貴,以及出現問題時,故障排除手法也十分複雜。


PLC於1970年代初期發明,剛開始用於工業應用相關,從而取代了繼電器系統。即使體積比原始的繼電器要小,但最初研發的PLC仍然很大, 並需要使用專用端子和有限的指令集來編寫程式。到1970 年代後期,分散式控制系統(DCS)開始取代單一迴路控制器, 幫助集中類比控制環境的過程。歷史上來說,DCS是由多個靠近終端控制設備及可視化工程用PC-based工作站的輸入/輸出機架所構成。所以為了與過程迴圈相互作用,工程螢幕必須和DCS搭配使用。到了1980年代初, PLC系統開始參照DCS且具備分散式組件和機架。


最初的概念開始,PLC就有許多較進步的地方, 包括處理能力變強?記憶體增大?能處理的位元數變多以及體積縮小。這些重大改進也為許多其他類別的自動化系統鋪路。其中兩個分別是PAC和IPC。儘管PLC品質良好, 但PAC和IPC 添加了一些新功能和能力使它們獨樹一格。要比較這三種系統架構,先要對每種架構的基本優點有個基本了解。


可程式化邏輯控制器(PLC )概述

現今的PLC控制器不僅威力強大且功能性佳,因此事實上一直是許多自動化項目的標準。PLC的用途 常見而廣泛,包括代工生產(OEM)的機器在內, 但在物料運輸上就僅有幾個例子,像是包裝機、堆棧機、填充機和輸送帶。PLC通 常與硬 體的人機介面(HMI)套件配對來處理視 覺化。PLC可處理高速1/ 0、數位和類比1/ 0以及進行序列;還能進行高速計數、網路介面和運動控制。


實際運用上,所有PLC都配有內建現場、設備或乙太網路級別的通訊系統,例如Et her CAT、Mo dbus、Profinet以及TCP。這 些網路全都用於PLC對PLC的通訊、分散式1/0功能以及HMI/SCADA(資料採集與監控系統)通訊。PLC通常也十分具有成本效益,相較於其他控制系統保有一定的競爭力,然而這套系統僅能處理有限的 1/0 數量。


程式的複雜度與邏輯設計也有限制。例如硬體架構的 PLC 不支援 或物件導向的邏輯。但基於物聯網的需求,一些先進軟體架構的PLC已能支援21世紀物件導向程式設計(OOP)技術, 而PLCo pen也被視為架構PLC的新OOP標準。


可程式化自動控制器(PAC)概述

PAC也是設計成與PLC系統完全相同的基本功能,但添加一些特點以增加功能性。也就是說,PAC 的設計目的是為了處理更大的分散式應用控制,像是大型包裝生產線、分散製造控制系統以及大型棧板或工廠製程的製程控制等。PAC擁有更加先進和目的性的指令集,例如排序?設備控制?製程控制和批次處理;也可以為特定產業編程,提供專門針對石油、天然氣、核能以及其他專業領域的指令集。


專業領域的指令集威力強大,所以要增強 PAC 的總線功能才能正確執行命令。 PAC可以與企業級SCADA併用, 控制整個工廠並擷取與處理數據。PAC通常架設於類似IPC的系統架構,甚至使用x86 晶片,但他們無法運行第三方電腦軟體。設備製造商會被供應商綁在PAC模組中。


隨著PAC指令集以及對應的HMI資料庫逐步發展,PAC和DCS之間的區隔線也愈加模糊了。DCS的大多數功能性、整合性以及強度現在也由PAC的製造商提供。以前是大型DCS系統才能做到的先進控 制能力,PAC現在也具備了,還能在PlD 不足的不穩定或複雜的封閉迴圈控制環境中使用。


PAC的主要優勢也可能造成其最大的負擔。大多數PAC是模組化硬體,所以易於擴展,並且具有強大的開發語言。但如果發生無法由PAC處理的任務,而供應商又將設備製造商「綁定」,那麼困難就出現了。例如在工業4.0時代,有越來越多的公司正尋求在設備控制器上進行邊緣分析,而非仰賴雲端。如果PAC無法加載第三方軟體,該機器可能就會錯失提供具競爭力和高性能的大好機會。


工業電腦(IPC)概述

IPC工業電腦於1990年代崛起,當時自動化公司剛起步設計軟體,想模擬出可以在標準電腦上運行的PLC環境。一開始,由於主機作業系統(OS)有時不太穩定,導致使用電腦進行自動化並不是一個可靠的方法。


然而,透過使用加強後的IPC配合更穩定的作業系統,IPC領域已有重大進展。一些製造商甚至使用即時作業系統(Real-Time OS)核心,製作出自己的IPC進行自動化。即時作業系統能讓自動控制與作業系統環境分工處理,並在運行某些工作和功能時,能比作業系統優先進行(例如使用 I/0介面)。l nt ervalZe ro上的RTX 64就是一個即時作業系統的實例。RTX 64能將微軟Wi ndows系統轉換為即時作業系統(Real-Time OS)。


因為IPC是在個人電腦平台上運行,所以與標準PLC相比,IPC具備更現代化處理器和更大的記憶體。IPC的重大優勢之一,就是在同一台機器能同時運行HMI應用程序與自動化程式,從而大大降低了設備成本。OEM機器和其他沒有太大空間的小型專案也會廣泛使用IPC。設備製造商還可以在同一台IPC上同時使用第三方軟體和機器控制;像是使用於雲端連接的安全通訊協定OPC-UA或在數據發送到雲端之前彙整和分析數據的第三方分析軟體。


工業 4.0 的需求改變決定最佳控制架構的選擇標準

直到最近,要從PAC、 PLC或IPC之間挑選一種來使用時,還是有許多因素要列入考慮,例如預算多寡、規模大小、支援度、複雜程度以及未來的擴展性。特別重要的是,也不能忽略需要安全完整性等級(SIL)認證以及平均故障間隔(MTBF)的相關系統。


此外,控制系統的品牌通常會由設備設計工程師決定。客戶現有的編程許可證類型、維護和技術培訓以及區域承包商的支援也都息息相關。這些要素都會影響總擁有成本(T ot al Cost of Ownership) ;品牌愈熟悉,也能減少重新培訓的時間,並且保持品質一致。


因為工業4.0徹底翻轉了最佳機器控制架構,可見其重要性並非誇大其辭。亞馬遜翻轉零售業和谷歌主宰廣告的手法,是將深度整合的數位策略套用到傳統業界。工業4.0應用了相同的概念,將類似的數位策略植入製造業的環境,期望能夠打破傳統思維。採納工業4.0的技術並將其應用到工廠的設備製造商和製造業者已經蓄勢待發,準備主導各自的垂直市場;沒有接受工業4.0概念的業者, 將在這場戰役中淡出。


由德國政府發起,工業4.0運動的焦點在於把價值鏈數位化,以建立智慧製造設備。這對世界各地的製造業產生了深遠的影響。事實上,多數人都知道製造業早已興起了第四次革命。



圖1 : 製造業從第一次革命到已興起的第四次革命,在不同階段都有其重要的影響力。(source:英特蒙)
圖1 : 製造業從第一次革命到已興起的第四次革命,在不同階段都有其重要的影響力。(source:英特蒙)

再者,顧能公司(Gartner)曾引證,十分重要卻常被忽略的工業4.0的元素是「智慧」設備控制器。設備控制器與雲端功能一樣重要,或者可以說更重要,因為它是真正突破架構的來源:集結資訊後將其安全導入和導出雲端,簡單來說,就是實際運用了那些有效的訊息。顧能公司也相信,端點分析會隨著時間變得極度複雜且具預測性,以改善系統的回應。如果設備控制器沒有「聰明」到能夠根據有效訊息 或控制器自行產生的訊息,來適應不斷變遷的製造環境, 工業4.0的願景將無法實現。


此外,正如德勤(Deloitte)在其2019年的觀點論文中指出軟體確實在『蠶食』(科技)世界, 最有效的解決方案是在一台工業電腦運行所有軟體,不需要專屬硬體設備。他們記錄了超過25年的趨勢,市場已從硬體為主的經濟轉變為軟體和數位化。對於一直拒絕改變的設備控制器而言,工業 4.0 的需求使其無法再墨守成規。


工業4.0改變了一切,因為所有機器控制架構如果想在軟體主導的世界佔一席之地,都必須考慮工業4.0的需求。工業4.0觀念尚未出現之前,大多數的設備製造商和用戶都認為機器會成為一座座自動化的孤島。然而,工業4.0要求前所未有的連接性,以求在品質、生產性能和價值上有所突破。而且不僅僅是與雲端的連接,也是產線機器之間的連接,因此一個控制器可與其他控制器分享資訊,進而改善整個產線的生產性能。工業4.0的目標是智慧設備控制器架構和智慧邊緣裝置,最終能成為構建智慧工廠的基礎。



圖2 :  工業4.0改變一切,所有機器控制架構如果想在軟體主導的世界佔一席之地,都必須考慮工業4.0的需求。(source:Vogel Italia)
圖2 : 工業4.0改變一切,所有機器控制架構如果想在軟體主導的世界佔一席之地,都必須考慮工業4.0的需求。(source:Vogel Italia)

但是,工業4.0也不僅僅著重在單一機器的單一控制器。如今緊密整合工廠的工業網路可於同一部電腦上支援多個控制器,當成網路中掌控多台設備的主要控制器。隨著技術的發展,工廠的整合讓客戶更能彈性運用,在我們朝著工業 4.0 的未來發展路上,一切都能加以整合。


因此,在選擇機器控制架構時要考慮的因素,像是預算多寡、規模大小、支援度、複雜程度以及未來的擴展性,在決定時仍都是息息相關的,但所有這些因素還必須透過額外的條件加以審視,才知道是幫助還是損害設備製造商邁向工業4.0的能力。最後,工業4.0添加了三個原則,作為在挑選理想的機器控制架構時必須考慮的重點。


首先,工業4.0要求以全軟體的方式達到自動化,才能讓傳統控制器升級為「智慧控制器」。唯有「全軟體」的方式, 才能提供從雲端或其他控制器擷取訊息所需的靈活性,進而即時做出變更機器作業的相關決策。其次,要採用即時作業內核的全軟體架構,才是關鍵所在,但不是任何一套軟體都能做到。理想的全軟體系統架構會要求開放性,能在單一平台上運行多個控制器,並且直接在控制器上運行第三方軟體,例如數位雙胞胎(digit al t win) 或分析軟體。 第三,理想的機器控制架構必須包含行業標準,以減少整合和數位化製造業價值鏈時會碰到的障礙。


最後,正如德勤所記錄和資料來源之一的馬克·安德森(Marc Andreessen)所預測,只有全軟體才能策略性的有效滿足未來需求,因此唯有IPC-based的控制器才能將傳統控制器轉變為智慧控制器。在開放性或設計上,PLC和PAC既無法支援全軟體,也無法運行第三方軟體。PAC 和 PLC無法預見或適應未來工業4.0需要的更多連接需求。從一開始就選擇在IPC上運行的控制平台,將增加設計項目成功的機率,最終也能為相容工業4.0的未來做好準備。


結論

現今更靈活?運轉速度更快?更智慧?相互通訊?即時處理/分析數據的機器創造了足以改變世界格局的經濟和生產力機會。其中重要的是,透過結合人工智慧的工業4.0的訊息共享將只會提高對系統要求的處理速度。能提供功能最靈活、作業最精確和最高性能的設備自動化和機器控制系統公司,將為他們的客戶創造最大的利益價值。


直到最近,PLC、PAC和IPC架構在獨立設備或自動化孤島的情況下,提供了相似的功能性,而努力升級的公司可能會陷入難以選擇最適架構的泥沼之中。靠著消除自動化孤島,替換為雲端連結的控制器網路而打下智慧製造的基礎,工業4.0翻轉改變了這一切。基於工業4.0的需求,配置PLC和PAC的機器控制架構將不會再有相同的使用年限,因為這些網路和智慧控制器都要求全軟體的途徑,而只有使用 IPC工業電腦的控制架構才能辦到。


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