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运动控制软硬并进
工业4.0启动市场

【作者: 王明德】2016年05月16日 星期一

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由于各大型设备厂商无论是控制器的程式语言模式或通讯架构都各走各路,因此工厂的自动化系统一直以来都相当封闭,后期PC技术被大量应用到制造系统,PC-Based控制器在导入初期虽不断被质疑稳定度,不过随着技术的进步,稳定度疑虑已逐渐消除,这两年讲求高整合的智慧工厂概念兴起,具开放式架构的PC-Based 运动控制器,挟带着高性能、低价位、开放式系统、丰富人才基础等优势,取代传统封闭式、专属性架构的控制器,为当前中大型制造企业所导入的电脑整合制造自动化系统如半导体、平面显示器、工具机产业的应用,提供安全可靠和完善的解决方案。


所谓电脑整合制造就是运用电脑来设计产品、计画生产流程、控制生产作业、与执行生产等,达到生产排程与制造系统全面整合自动化、电脑化、网路化,以提高生产效能。


凌华强力布局运动控制

凌华主要的运动控制卡介面包括脉冲式、串列式与类比控制,在市场定位方面,凌华除了不同种介面的提供,也整合电脑产品。


凌华科技量测与自动化产品事业处产品经理杨家玮指出,凌华科技投入运动控制领域已有相当长的时间,目前的产品可从两个大方向来看,首先是各种介面研发,目前凌华主要的运动控制卡介面包括Pulse Train(脉冲式)、串列式与类比控制,在市场定位方面,凌华除了不同种介面的提供,也整合电脑产品,目前多数生产线运动控制设备市场,仍以传统的PLC控制器为主,PC-Based厂商要与日本及欧洲等PLC大厂竞争,仍有一定难度。



图1 : 凌华科技量测与自动化产品事业处产品经理杨家玮指出,PC-Based 控制器将渐渐成为未来的技术主流。 (摄影/王明德)
图1 : 凌华科技量测与自动化产品事业处产品经理杨家玮指出,PC-Based 控制器将渐渐成为未来的技术主流。 (摄影/王明德)

虽然PLC目前仍占有运动控制大部分的控制器市场,不过杨家玮认为,PC-Based 控制器将渐渐成为未来的技术主流,主要原因在于现在生产系统都要求整合,尤其是往上层或与IT系统的整合,而现在的制造管理软体,几乎都是Window Based,这与传统PLC架构格格不入,相对的,PC-Based控制器里所提供的Ethernet介面、RAM、储存装置(CF)、作业系统与关联式资料库连接都可以用非常低的价格取得,而且整合非常容易,杨家玮认为,开放性优势让控制器逐渐往PC- Based倾斜,而目前其他的IPC厂商通常不具备完整运动控制、IO产品与技术能量,因此成为凌华的利基点。


AEROTECH主打高精度市场

AEROTECH制定的AERONET属于闭回路,在多轴同步时,精速度表现会更佳。


对于运动控制的高精度走向,美商艾罗得(AEROTECH)经理叶惟仁也同意此一趋势,他指出AEROTECH的产品可分为三大系统,包括最高阶可控制32轴的A3200、中阶可控制10轴的Ensemble、经济型的单轴控制器Soloist,叶惟仁指出,AEROTECH定位在高精度市场,本身的运动控制与多轴定位平台子系统可以维持奈米等级的动态定位精度、几何公差与强韧的热稳定性,并且广泛的应用于包括晶圆平台(Wafer Stage)设计、晶圆检查与侦测、CD-SEM、TEM、步进式微影、白光干涉、先进晶圆级封装等制程机台上。



图2 : AEROTECH经理叶惟仁表示,现在智慧工厂概念当道,不过对AEROTECH这类专业运动控制厂商来说,最重要的还是将运动控制本身的速度与精度做好。 (摄影/王明德)
图2 : AEROTECH经理叶惟仁表示,现在智慧工厂概念当道,不过对AEROTECH这类专业运动控制厂商来说,最重要的还是将运动控制本身的速度与精度做好。 (摄影/王明德)

现代制造系统讲究整合,尤其智慧工厂概念当道,各类工业通讯标准纷纷抢攻市场,不过叶惟仁指出,对运动控制来说,其加工行为与智慧工厂关联不大,因此对AEROTECH这类专业运动控制厂商来说,最重要的还是将运动控制本身的速度与精度做好,与上下层其他设备的链结,则由系统厂商负责,针对本身产品内部通讯,AEROTECH制定出的AERONET,相对于市场上目前为开回路的工业乙太网路,AERONET则为闭回路,两者差别在于后者的时间延迟性更低​​,在多轴同步时,精速度表现会更佳。


IntervalZero强调「软」实力

在通讯协定方面,IntervalZero采用EtherCAT技术,一条网路线即可支援大量工作站,并以极短的时间(100微秒μs)来控制。


除了硬体产品外,软体运动控制(Softmotion)也是制造业近年来的重点,以软体平台布局市场的英特蒙(IntervalZero) ,其平台可充分利用CPU中的每个核心来从事指定的功能,纯粹以软体的方式并透过一条网路线/EtherCAT即可来控制各种马达、机器,以节省电缆、AD/DA转换电路等成本,且降低空间占用与噪音量。


亚太区业务与行销副总裁洪育浩表示,Softmotion是透过软体以函式库与高阶语法,进行开发运动控制的作动,这种运动控制的架构,适合用在规划大型系统的应用环境,在大型系统的应用上,Softmotion可进行较为复杂的动作规划,这种作法在传统以PLC的架构上不易做到。



图3 : IntervalZero亚太区业务与行销副总裁洪育浩表示,Softmotion是透过软体以函式库与高阶语法,进行开发运动控制的作动。
图3 : IntervalZero亚太区业务与行销副总裁洪育浩表示,Softmotion是透过软体以函式库与高阶语法,进行开发运动控制的作动。

Softmotion的发展除了弹性应用之外,另外一个重点在于「智慧制造」的最终目标,使用者可以依任意调整产线的产能与制程项目,让运动控制可以依需求进行调整,不过洪育浩指出,过去工业通讯标准仍处百家争鸣的情况,像要透过系统达成即时性控制需求的设定会有一定困难,这也是现在Softmotion在技术发展上,必须克服的挑战。


不过由于工业通讯标准仍处于百家争鸣的情况,如果通讯介面无法共通整合,像要透过系统达成即时性控制需求的设定会有一定困难,这也是现在Softmotion在技术发展上,必须克服的挑战,这部份在通讯协定方面,IntervalZero采用EtherCAT技术,一条网路线即可支援大量工作站,并以极短的时间(100微秒μs)来控制;所有工作站同步只须1微秒,目前IntervalZero在国外已经拥有相当多软体取代硬体的相关案例,包含微软与Intel,客户包括航太、安防、工业PLC、机具、半导体设备等制造商、测试&量测等领域。


西门子主打工具机市场

西门子的TIA Portal可简化编写流程,同时让整个工厂可以有一体性设计,不须再跨平台作业。


作为工业自动化大厂,西门子在运动控制的布局已久,且在公司内部设有特定部门,西门子工厂自动化专员陈冠伯表示,此一运动控制部门下分两类产品线,包括MTS(Machine Tool System)与GMC(General Machine Control),MTS顾名思义,此部份产品主要应用即为工具机,包括铣床、车床…等,此一产品线从入门、中阶到高阶均齐备,台湾工具机厂商目前以中阶产品使用最多,GNC也分为3个系列,包含基本款、通用型与伺服专用型。


MTS与GMC主要的不同在专用设计层面,例如以工具机为主的MTS,会在产品上设计车床、铣床、磨床等机台专用的HMI,GMC则由使用者自行针对PLC编写指令,陈冠伯表示,这部份可透西门子的TIA Portal简化编写流程,使用者可在TIA Portal直接编写PLC、调适驱动、建立HMI画面等,整个工厂可以有一体性设计,不须再跨平台作业。



图4 : 西门子工厂自动化专员陈冠伯表示,西门子的运动控制分两类产品线,包括MTS与GMC。 (摄影/王明德)
图4 : 西门子工厂自动化专员陈冠伯表示,西门子的运动控制分两类产品线,包括MTS与GMC。 (摄影/王明德)

图5 : 西门子工具机处产品专员许壬己指出,台湾的工具机正由中阶走向高阶,因此对运动控制的需求仍以中阶产品为大宗。 (摄影/王明德)
图5 : 西门子工具机处产品专员许壬己指出,台湾的工具机正由中阶走向高阶,因此对运动控制的需求仍以中阶产品为大宗。 (摄影/王明德)

针对台湾工具机厂商的运动控制需求,西门子工具机处产品专员许壬己指出,台湾的工具机正由中阶走向高阶,因此对运动控制的需求仍以中阶产品为大宗,以西门子的出货为例,台湾车床厂商的运动控制需求已由单通道提升至双通道,轴数则由8轴增加为10轴,另外部份南部工具机大厂开始走向航太领域,这部份虽仍已5轴为主,不过在精度、扩充性、稳定性方面都有更高的要求。


**刊头图片来源:(Source: RENISHAW)


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