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工業控制自動化應用設備、零組件越來越多元

一般工業控制的自動化設計方案,為了滿足工控設備可在工廠相對高震動、高溫、潮溼環境裝設的要求,對設備的寬溫要求相對較高,隨著半導體技術與軍規設計儲存媒體相繼出爐,除早期大量使用的PLC逐步轉向控制端點更多的PAC方案,在性能與擴充性要求較高應用場合,搭配寬溫設計方案的單板電腦,也漸能在自動化方案佔有一席之地...

一般工廠、生產線的自動化方案,大多會採用PLC(Program Logic Controller)來架構自動化應用環境,針對PLC可控制的I/O數量,一般少於32組I/O稱為nano PLC,micro PLC可以是具備32~128組I/O的控制器,至於small PLC I/O數量一般為128~256組。

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工業用控制器,必須考量自動化設計需求,找尋最佳化應用方案。ADVANTECH

Disk On Module在多數工控設備相當常見。PQI

特殊設計SSD體積更小、應用彈性高,InnoDisk的nanoSSD i160僅有常規SSD的15%體積。Innodisk

PAC擴充彈性高,另可搭配開發工具與PC銜接擴充應用。ADLINK

PLC系統強度高,具高穩定性、寬溫運行優勢,但I/O數量擴充能力有限。OMRON

PLC具強固性 但控制I/O數量受限

PLC在自動化應用環境中,具輸入與輸出模組,設計型態有點像是作為DAC或是ADC,用以轉換數位?類比信號,或做不同系統信號的隔離角色,尤其是在電氣接線與控制器、模組間的隔離設計中。PLC的優點是體積相當小巧,且元件設計最初即針對高溫、高震動的嚴苛環境設計,PLC也具備高穩定性、高耐用性優點。

但PLC也不是全然沒有缺點,在發展自動化應用時,所控制的數位I/O在數量上可能會增加許多,這時利用PLC架構自動化環境,則會顯得力有未逮,需要更強大的I/O支援能力,才能順利完成自動化設計需求。而PAC(Programmable Automation Controller)最大的優點在於擴充了數倍PLC的I/O支援數量,同時又可搭配PC-based自動化解決方案。

PAC擴充I/O彈性大 銜接PC應用空間廣

例如,凌華推出的PACwiz工控平台解決方案,使用嵌入式強固型工業電腦與分散式運動控制技術進行整合,搭配Smart Software Solution(德國3S公司)的IEC 61131-3 CoDeSys應用開發套件,PACwiz工控平台能精準控制多達2,016個數位I/O節點、64個伺服軸,尤其針對傳統PLC應用環境容易受限的運算效能、大量資料儲存?處理與網路連網應用整合機制支援,來簡化維護需求的開發應用專案。

以凌華的PACwiz PAC解決方案為例,基於IEC 61131-3標準的PLC語言,可說是系統級的PAC解決方案,支援PACwiz 5種常用PLC語法,亦可導入PC-based平台來簡化設計方案。基本上PACwiz具備強大運算能力,可利用高速I/O與運動控制Fieldbus進行運動控制,而延續前述,PAC在維持高I/O支援的同時,亦可兼具PLC的強固、穩定應用特色,甚至可達到實時(realtime)應用特性。

PACwiz-MXC搭配無風扇、可擴充I/O之Matrix應用平台,支援PCI/PCI Express擴充插槽,同時搭載Intel Atom N270 1.6 GHz處理器,搭配相關運動控制方案,用於建構高效能的運動與I/O控制解決用途。

除PLC與PAC外,以往在工控自動控制現場,較難發揮的單板電腦,在積體電路持續改進、儲存媒體性能與強固表現漸佳下,在關鍵的巨量資料處理應用上,也能發揮PAC與PLC無法辦到的設計應用效果。像是單板電腦的設計方案,一直需要在散熱上儘可能強化,例如機殼採大型鋁擠型散熱片設計造型,並非是產品視覺設計,而是散熱一直是單板電腦首要克服的關鍵問題。

單板電腦寬溫設計 DDR記憶體穩定度是關鍵

而在單板電腦應用方面,最易受溫度影響的零組件即DDR記憶體,一來DDR記憶體採高頻運作,高頻加上系統高溫若無法順利散逸,自然會讓系統處於高溫狀態,DDR記憶體裡的資料保存、寫入等動作,就很容易出現失誤,造成系統故障衍生損失。而針對高溫應用環境設計需求,透過零件針對高溫選材、製作上的刻意挑選、改善,可讓DDR記憶體的傳輸信號更具高品質表現,避免系統當機危險。

而這類適合高溫使用的高階記憶體,除可用於工業控制、汽車電子等應用需求外,還可因應需要高穩定性、大量資訊加速呈現的圖像整合顯示需求,像是醫療、網路通訊、軍事用途等應用領域。

應付高震動工廠環境 快閃記憶體應用價值高

除DDR記憶體外,另一個可能受高溫影響的關鍵零組件即系統磁碟機,而與記憶體的寬溫應用改善趨勢一樣,HDD的硬碟應用,在工業電腦自動控制應用環境,早就逐步改用SSD固態硬碟。早期是利用工業級Compact Flash卡、DOM(Disk On Module)等儲存元件,雖然單位容量成本比不上HDD,但快閃記憶體組構的大容量儲存媒體,因應嵌入式系統、Linux裝載應用,已經綽綽有餘,甚至還能滿足工控自動化系統的產線資料儲存需求。

而在工業級的CF卡或DOM之後,以快閃記憶體為基礎的SSD(Solid State Disk)固態硬碟產品,也逐步發展出工業用途的設計方案,尤其是在因應高速化設計方案下,SSD較仍使用PATA的工業級記憶卡或是DOM不同的是,其應用介面與PC產業最新的SATA技術與時俱進,已經直上SATA 3.0Gbps,工業用的產品其可運行環境溫度可達(-20°C~+85°C),可因應高溫、低溫的嚴苛運行環境,其容量亦可採64、128、256、512GB等大容量設計方案,滿足各式工控自動化的巨量資料存儲需求。

工業用SSD 可因應寬溫、高效能、高容量需求

而SSD零組件在發展工業用途的歷程中,也針對工業自動化應用現場的嚴苛環境,針對性地在各種功能進行讀寫架構的強固提升,例如部分採低成本的工控用SSD,雖然採行低價的MLC晶片方案,但搭配ECC自動錯誤校正設計、平均抹寫讀寫技術(Wear Leveling)等,除延長SSD整體的使用壽命外,還可以強化資料讀寫的正確性。

另部分針對軍規的設計方案,還在底層系統追加AES標準加密技術,依密碼長度AES有128、192、256bit等設計,這種內建在SSD的磁碟加密功能,可以在工控電腦遭竊時得以因資料預先採AES加密而得到保全,這會比一般工控電腦僅提供BIOS或軟體加密的設計方案,要具備更高等級的安全設計。

特殊設計SSD 體積更小、應用彈性高

此外,除針對寬溫與環境震動問題改善外,SSD型態的儲存設計方案,還可利用積體電路可大幅堆疊、微縮的設計手段,將SSD的體積大幅縮小,以滿足工控電腦的體積微縮設計需求。

例如,目前已有量產SATA介面設計的小型SSD設計方案,以InnoDisk的nanoSSD i160為例,其保留SATA介面設計外,SSD儲存晶片、控制晶片全部微縮在僅比SATA連接器略大的體積中,體積大約僅有一般標準工業設計2.5吋SSD的15%,其最大儲存容量卻可達64~256GB,讀寫速度亦與標準型SSD不相上下。

以InnoDisk的nanoSSD i160設計概念,還可利用其小體積優勢,讓nanoSSD i160作為系統OS磁碟應用,預設容量可在64~128GB左右,而大容量的儲存需求仍可利用傳統HDD來以低成本、高效益的組態共存,滿足不同用戶的系統設計需求。除走低成本的MLC SSD設計方案外,針對高規格軍用或高規工控應用環境需求,也有SLC SSD工業用SSD產品應用方案,一般消費性電子採用的SSD運行環境溫度大約在0~70°C,SLC設計方案的SSD可以在-40~85°C環境溫度條件下穩定運行。

即便PATA介面效能相對較慢,但實際上在ARM Base的工控自動化設備系統,大多仍以PATA介面作為大容量儲存裝置的預測介面。因此SSD廠家在發展工控自動化應用的大型儲存媒體,大多也不會漏掉PATA介面產品,甚至在高階、高速的應用中,還有廠商因應擴充卡市場需求,推出PCIe連接器、PATA訊號介面的SSD產品。

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