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PAC-工業控制應用的趨勢

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隨著數家廠商推出結合PC功能及PLC穩定性的可程式自動化控制器(Programmable Automation Controllers,PAC),PAC已經開始漸漸被應用在控制系統中。本白皮書將探討PAC的起源,PAC與PLC及PC的差異,以及使用PAC進行工業控制的未來方向。

PAC-工業控制應用的趨勢

在過去10年間,關於PLC(可程式邏輯控制器)和PC架構下的控制系統兩者相較孰優孰劣的辯論相當激烈。當PC和PLC之間的技術差異漸漸消失,加上PLC使用隨處可得的商業硬體,以及PC系統結合即時作業系統,從而出現一種新型的控制器,即PAC。PAC是由Automation Research Corporation (ARC)創造的新縮寫字,意為「可程式自動化控制器」(Programmable Automation Controller),用於形容結合了PC及PLC功能的新一代工業控制器。PAC縮寫字被傳統的PLC廠商用來形容其高階系統,也被PC控制系統廠商用來形容其工業控制平台。

80-20法則

在推出30年之後,PLC已經發展至包含類比I/O、網路通訊以及新的程式標準(例如IEC 61131-3)。但是,工程師利用數位I/O、數個類比I/O點以及簡單的程式設計技術,創造出80%的工業應用程式。ARC、Venture Development Corporation (VDC)以及線上PLC訓練機構PLCS.net估計:

1. 77%的PLC被應用在小型的系統應用中(少於128個I/O)。

2. 72%的PLC I/O為數位I/O。

3. 80%的PLC應用程式可以利用20組的階梯邏輯(ladder-logic)程序完成撰寫。

由於80%的工業應用是使用傳統工具來處理,因此市場對於簡單的低價位PLC有強大的需求。這種現象,促成具備使用階梯邏輯之數位I/O的低價位微型PLC的蓬勃發展。它也在控制器技術中造成斷層,因為有80%的應用環境只需要簡單的低價位控制,另外20%則不斷地推展傳統控制系統的功能極限。落在那20%的應用程式是由需要較高之迴圈速率、高級控制運算法、更多類比功能以及與企業網路有更佳整合的工程師所建立的。

在80年代和90年代,這20%的人評估PC是否可以用於工業控制。PC提供的軟體功能可以執行高階的作業,提供豐富圖形化的程式設計和使用環境,而且使用隨處可得的商業元件,讓控制工程師得以運用其它應用環境所開發的技術優勢。這些技術包括浮點處理器、高速I/O匯流排,例如PCI及乙太網路、非永久性資料儲存以及圖形化開發軟體工具。PC亦提供無與倫比的變通性、極具生產力的軟體,以及高階的低價位硬體。

然而,PC仍然不能建構出完美的控制應用系統。雖然許多工程師在結合高階功能(例如類比控制及模擬、資料庫連接、網站式功能,以及和協力廠商設備進行通訊)時使用PC,PLC仍然主宰控制的領域。使用PC進行控制的主要問題在於標準的PC並不是針對嚴苛的環境進行設計。

PC有3個主要挑戰:

1.穩定性-大致上來說,PC一般用途的作業系統不夠穩定,不能做為控制之用。PC控制的系統必須要處理系統當機和意料之外的重新開機。

2.可靠性-使用旋轉碟片的磁性硬碟及非工業強化元件(例如電源供應器),PC比較容易發生當機的情形。

3.不熟悉的程式設計環境-工廠操作員必須有能力掌控系統,以便進行維護或故障排除。使用階梯邏輯時,他們可以手動強迫1個線圈到達需要的狀態,並迅速修補受影響的程式碼,以便迅速控制系統,但是PC系統要求操作員學習更新、更高階的工具。

雖然有些工程師使用特別的工業用電腦,具備堅固的硬體及特殊的作業系統,但是大部份工程師仍然避免使用PC進行控制,就是因為PC穩定性的問題。此外,在PC中使用不同自動化作業的設備(例如I/O、通訊或運動控制)可能採用不同的開發環境。

因此這20%的人若不是放棄PLC難以達到的功能,就是組合1套系統,用PLC進行程式的控制,再用PC執行較高階的功能。這就是為何今日有許多工廠將PLC配合PC使用,以進行資料記錄、連接至條碼掃瞄器、將資料加入資料庫,以及將資料公佈至網站之故。這種架構最大的問題在於,這些系統往往難以組裝、故障排除及維護。系統工程師往往不可避免地必須處理整合多廠商之軟硬體的工作,但是由於這些設備並非設計成要配合使用,因此這項工作往往是一大挑戰。

建造1個更好的控制器

因為沒有1個明確的PC或PLC解決方案,因此需要複雜應用的工程師與控制廠商密切合作,以開發新的產品。他們要求能夠將PC的先進軟體功能與PLC的穩定性相結合。這些頂尖的使用者協助導引PLC及PC控制廠商的產品開發。

要發揮軟體的功能,不但需要先進的軟體,也需要在控制器的硬體功能上有所提升。隨著全球對PC元件的需求量降低,許多半導體廠商開始重新設計其產品供工業應用。今日的控制廠商正在將工業級的浮點處理器、DRAM、永久性儲存設備(例如CompactFlash),以及高速乙太網路晶片組整合至工業控制產品中。這種趨勢使得廠商能夠開發威力更加強大的軟體,這些軟體具備PC控制系統的彈性及可用性,並可以在即時作業系統上執行,以獲得穩定性。

經過這個過程所產生的新控制器,以這「20%」的應用環境為目標,結合了最佳的PLC功能及最佳的PC特色。ARC的業界分析師將這些設備命名為可程式自動化控制器,簡稱PAC。在ARC進行的「可程式邏輯控制器全球展望」研究中,他們指出PAC的5大特性。這些標準透過定義軟體功能的方式,列出控制器功能的特性:

1.「多領域的功能性,在1個平台上至少有2種功能,包括邏輯(logic)、運動(motion)、PID控制、磁碟(drives)以及處理(process)。」除了部份在I/O上做變動以配合特殊協定(例如SERCOS)之需要以外,邏輯、運動、處理,以及PID,都只是軟體的1個函數。舉例來說,運動控制就是1個軟體控制迴圈,它從正交編碼器讀取數位輸入,執行類比控制迴圈,再輸出1個類比訊號去控制設備。

2.「單1的多元化開發平台,結合一般標籤(common tagging)及單一資料庫,以存取所有的參數及功能。」由於PAC是為了高階應用(例如多領域設計) 而設計的,因此它們需要更先進的軟體。為了讓系統設計更有效率,軟體必須是1款單一整合軟體套件,而不是未經處理、無法合作無間的分散式軟體工具。

3.「透過處理跨越多部機器或處理元件之資料流,並配合IEC61131-3、使用者導引,以及資料管理,使之能夠完成設計的軟體工具。」另外一個簡化系統設計的元件是高階圖形化開發工具,它能夠輕易將工程師對於過程的概念轉變成實際控制機器的程式碼。

4.「反應出工業應用環境的開放、模組化架構,從工廠中的機器配置到處理廠中的元件操作皆含括在內。」由於所有的工業應用都需要大量的自訂功能,因此硬體必須提供模組化功能,工程師可以選擇適用的元件。軟體必須讓工程師能夠增加及移除模組,以設計所需的系統。

5.「採用實質標準做為網路界面、語言等,例如TCPIP、OPC & XML以及SQL查詢。」對於現代控制系統而言,和企業網路的通訊是非常重要的。雖然PAC含有乙太網路連接埠,但是通訊用軟體是與機構其它部份順利進行整合的關鍵。

軟體的兩個途徑

雖然軟體是PAC和PLC之間的主要差異,廠商在提供先進軟體的方法上卻有許多做法。通常他們會以現有的控制軟體為起點,再逐步加入設計PAC所需之功能、穩定性,以及使用簡易性。一般而言,這種作法造成兩個PAC軟體供應商的陣營:具備PLC控制背景的供應商,以及具備PC控制背景的供應商。

採用PLC哲學的軟體

傳統的PLC軟體廠商以可靠而使用簡易的掃瞄技術為起點,再研發加入新功能。PLC軟體遵循一般的模式,包括掃瞄輸入、執行控制程式碼、更新輸出以及執行內部管理功能。控制工程師只需處理控制碼的設計,因為輸入迴圈、輸出迴圈以及內部管理迴圈都是隱藏的。由於大部份工作都由廠商完成,因此這種嚴格的控制技術可以更簡易而快速地建立控制系統。這些系統的堅固性也使得控制工程師不需要完全了解PLC的低階作業,即可建立穩定的程式。

但是,堅固的掃瞄技術雖然是PLC的主要優點,也會使它變得缺少彈性。大部份的PLC廠商在製作PAC軟體時,是在現有的掃瞄器技術中加入新的功能,例如乙太網路通訊、運動控制以及先進運算法。但是,他們多半會維持PLC程式設計的類似外觀,以及邏輯和控制元件方面固有的優點。這樣的作法造成PAC軟體通常是針對滿足特定類型之應用(例如邏輯、動作及PID)而設計,但是對於客製應用(例如通訊、資料記錄,或自訂控制運算法)而言就較缺乏變通性。

採用PC哲學的軟體

傳統的PC軟體廠商以極具彈性的通用型程式設計語言為起點,提供了直接控制硬體內部工作的強大溝通能力。應用軟體亦結合穩定性、決定性,以及預設的控制技術。雖然PLC程式設計師通常也可以使用掃瞄器架構,但是它們並非針對PC控制軟體而設計。相較之下PC軟體非常具有彈性,極適用於需要先進架構、高階程式設計技巧或系統層級控制的複雜應用程式,但是較難供簡單的應用程式使用。

這些廠商的第一個步驟是提供穩定性及決定性,這在通用型作業系統(例如Windows)中往往付之闕如。要達成這個目標,必須透過即時作業系統(RTOS),例如Ardence(原為Venturcom)的Phar Lap,或是Wind River的VxWorks。這些RTOS提供控制整個控制系統所有層面的功能,從I/O讀寫速度到控制器上產生之個別執行緒的優先權皆含括在內。隨後這些廠商加入大綱式簡化處理以及I/O讀 / 寫架構,使工程師能夠更容易地建立穩定的控制應用程式。如此做的結果是1套適合客製控制、資料記錄以及通訊的彈性軟體,但是缺少熟悉的PLC程式設計技術,因此需要花更多心力進行應用程式開發。

PAC架構下的視覺及量測系統

憑藉著量測領域的專長與背景,NI(美商國家儀器)將PAC結合更高速的量測及機器視覺功能,使得PAC不再是單純的I/O系統。許多工業應用程式會收集高速量測結果,供震動或電力品質應用程式之用,收集到的資料被利用來監督轉動機械的狀況、判斷維修時程、辨識馬達磨損程度,以及調整控制運算法。這些資料通常是使用專業的資料擷取系統或獨立的儀器來進行收集,並透過通訊匯流排結合至控制系統中。NI PAC可以用每秒數百萬個樣本的擷取速度進行高準確度的測量,然後直接將資料傳送至控制系統中,立即進行處理。

工程師也可以將視覺功能結合至控制系統中。視覺應用是在過去10年間,於自動化業界中發展極大的1個領域。在製造環境中,有許多缺失或錯誤可以立即透過視覺檢驗來辨認,使用傳統的量測技術可能難以發現這些問題。常見的應用環境包括製造或組裝驗證的零件檢驗,例如檢查電路板上元件位置是否正確、以光學字元辨識(optical character recognition,OCR)檢查日期代碼或將產品排序,以及以光學測量尋找產品的缺陷,或是根據品質標準進行排序。目前許多工廠使用連接至製造過程控制器的獨立智慧型攝影機。NI PAC將視覺或高速測量與邏輯和動作控制結合,工程師不需要整合不相似的軟體及硬體平台。

使用PAC 不再需要客製硬體

雖然PAC是最新型的可程式控制器,但是PAC的未來有賴於嵌入技術的合作。例子之一是使用軟體來定義硬體的能力。Field Programmable Gate Array(FPGA)是電子廠商用來製作客製晶片常用的電子元件,可以在新的設備中加入智能。這些設備中包括可重設組態邏輯電路,可以執行多種功能,用於連接功能區塊的可程式接點,以及將資料輸入及輸出晶片的I/O區塊。只要定義可重設組態邏輯電路的功能,以及彼此之間和I/O間的連接方式,電子設計者就可以創造客製晶片,而不需要生產客製的ASIC。FPGA就像擁有1部可以重新佈署內部電路以執行特定應用程式的電腦。

過去只有熟悉低階程式設計語言(例如VHDL)的硬體設計師才能運用FPGA技術。但是,今日的系統控制工程師可以利用NI LabVIEW FPGA來建立客製控制運算法,將之下載至FPGA晶片。這種功能讓工程師得以將執行上對時間極度要求的功能結合至硬體中,例如極限開關及鄰近感測器的偵測以及健康狀態監視的應用等。由於控制程式直接在晶片中執行,因此工程師可以迅速建立具備客製通訊協定或高速控制迴路的應用程式:最高達1 MHz的數位控制迴圈,以及200 kHz的類比控制迴圈。

用於控制應用的LabVIEW

由於LabVIEW的功能,以及圖形化程式設計使用上的簡易性,以LabVIEW為基礎的PAC適合有以下需求的應用環境:

1.圖示化-由於LabVIEW的程式設計師可以在開發環境中建立使用者界面,因此您可以輕易地為控制系統加入圖形及人機介面。

2.量測(高速資料擷取,視覺以及動作)-NI在高速I/O(包括影像擷取)方面有歷史悠久的經驗,因此您可以將振動或機器視覺之類的量測功能加入您的標準控制系統中。

3.處理能力-在部份應用環境中,您需要專業化的控制運算法以及先進的訊號處理,或是資料記錄。使用LabVIEW,您可以使用NI或協力廠商的工具結合自訂控制程式碼、運用訊號處理(例如JTFA),或是在本地端或遠端記錄資料。

4.跨平台-利用LabVIEW,您可以建立能在多種平台上執行的程式碼,包括PC、嵌入式控制器、FPGA晶片或是手持式PDA。

5.通訊-LabVIEW讓您能夠輕鬆地透過各種工具(例如資料庫連結、OPC,以及網站瀏覽器的操作員界面)將資料上傳至企業中的各個端點。

NI PAC介紹

NI提供5種以LabVIEW為基礎的PAC平台。

PXI是1種獲得多家廠商支持的工業標準PAC,以CompactPCI技術為基礎,提供模組化、體積輕巧而堅固的工業系統。PXI系統由嵌入式控制器控制,使用高效能的處理器,時脈頻率達數GHz。您可以選擇NI或協力廠商提供的PXI及CompactPCI模組。PXI提供最多樣化的I/O,包括1000 V隔離式類比輸入、高密度數位I/O、供機器視覺應用的類比及數位影像擷取卡,以及定位之多軸動作。它在PXI模組的前方提供插座,可以輕易處理接線。PXI平台提供廣泛的測量模組,並提供CAN、DeviceNET、RS-232、RS-485、Modbus以及Foundation Fieldbus連接至工廠設備。

Compact FieldPoint系列產品包含可熱插拔式的類比及數位I/O模組及內建乙太網路及序列埠介面的控制器。其I/O模組對熱電偶、RTD測溫電阻體、strain gauge應變規、4-20mA感應器、5-30VDC及0-250VAC地信號提供了完整的連接性。Compact FieldPoint網路通訊介面可透過乙太網路自動將量測結果發表在網路上。您可以透過簡易的讀取 / 寫入模式,對不分遠近的I/O節點進行溝通及控制。利用簡易的軟體介面,Compact FieldPoint可以讓您快速地建構及撰寫程式,並提供足夠的功能去執行複雜的控制、資料儲存以及通訊。

Compact Vision System結合高效能的Intel處理器及1個FPGA、數位I/O及3個1394連接埠。這款PAC的設計是利用FireWire(IEEE 1394)技術與80餘種工業攝影機相容,將視覺功能加入控制應用程式中。利用CVS上的可重設組態FPGA及數位I/O線路,您也可以獲得低通道數的數位及步進馬達控制能力。在使用LabVIEW設計程式時,系統可以設定成同時進行高效能視覺及高速控制和步進馬達控制。

CompactRIO是以FPGA為基礎的可重設組態控制及擷取系統,為了需要大量自訂功能及高速控制的應用程式而設計。這項技術具備可重設組態I/O(RIO)FPGA核心,結合1顆即時嵌入式處理器,用於進行複雜的運算法及自訂運算。CompactRIO平台最多可以容納8個類比或數位I/O模組,模組可以為NI或其它公司的產品。CompactRIO平台適用於複雜及高速應用程式,例如機器控制;而且對於時常需要客製硬體開發的應用而言,FPGA是個絕佳的選擇。

標準的工業用PC也可以配合NI的多種PCI模組使用。這些介面卡包括為類比及數位I/O、動作控制及機器視覺設計的硬體。若要獲得決定性的即時效能,則可使用PCI硬體,配合在PC即時作業系統上的LabVIEW。LabVIEW Real-Time可以載入至大部份的標準工業用PC,對工業量測及控制提供1個低價位的平台。(本文由NI美商國家儀器提供,有關PAC採用PLC哲學或採用PC哲學的軟體,以及PAC架構下的視覺及量測系統應用等,完整文章內容請查上網閱:http://tech.digitimes.com.tw

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