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從工控自動化邁向無人工廠(一)
2013工控智慧化關鍵技術論壇(台中場第一天)活動報導

【作者: 陳韋哲】   2013年04月10日 星期三

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近年來,大陸成為全球工廠,但隨著工資上漲、勞資糾紛不斷,製造業主無不轉向追求更自動化的生產流程,以降低人力需求並保有生產效能。事實上,隨著科技的進展,生產機台走向更高度的自動化,甚至引進工業機器人,已是大勢所趨。以鴻海為例,正致力於發展可關燈生產的無人工廠;郭台銘也曾宣稱,2014年鴻海集團的機器人數量,將提升至100萬台。


很顯然地,工控技術的升級需求帶來很大的市場商機。台灣一方面是全球重要的生產基地,一方面也擁有機、電、資訊等專業人才及完整的產業供應鏈,因此具備極佳的發展條件。相較於消費性市場,工控市場需要更多的產業專業與跨領域的整合,但也擁有更高且長期穩定的營收機會。


如今,台灣電子業者紛紛尋求走出代工模式的包袱,工控自動化會是很值得切入的一個領域。為協助台灣業者掌握工控智慧化先進技術趨勢及實務性技術要領,CTIMES將舉辦本次大型論壇,邀請產界專家共襄盛舉。


截至目前FPGA已被廣泛應用到各行各業,不管是工業控制、視訊監控、網路安全直至汽車電子都能隨處看到FPGA的蹤影。由於FPGA具有相當多的應用特點,特別是在嵌入式應用方面,絕佳的使用彈性更是優異於其他一般單晶片產品,而FPGA能夠使用的可程式化邏輯器件數量又比起其他同等可進行定製的裝置數量更多,可說是應用彈性相當大的開發平台。


而FPGA是透過邏輯組合的形式來執行功能,所以其功耗和成本都高於MCU和DSP。再加上幾年前,FPGA給人普遍的印象為昂貴的價格,所以除了在通訊、航天、軍事、工業等少數行業,FPGA大多是扮演原型驗證開發的角色,以致於FPGA在消費性電子等市場難有有一番作為。



圖一 :  Lattice資深應用工程師 陳泓志
圖一 : Lattice資深應用工程師 陳泓志

Lattice 資深應用工程師 陳泓志表示:『隨著許多國內外知名大廠相繼採用新的製程技術,使得FPGA價格下降,讓價格在許多的應用不再是阻礙。』,所以在一些需要特定功能的應用中,當設計師找不到可以滿足要求的裝置,就必須自行開發ASIC晶片,或者使用FPGA進行設計。不過開發ASIC的成本和風險在不斷提高,甚至超過了未來的實際收益,因此使用FPGA就成了一個相當不錯的選擇。


此外,有鑑於現今對於圖形化嵌入式應用的需求越來越普遍,以致於要求開發經濟高效的解決方案的呼聲也日益高漲。目前許多公司所提供的解決方案包括一個附加的內部或外部圖形控制器作為系統的一部分,但這可能使成本更高及設計更復雜。



圖二 :  Microchip FAE課長 徐文達
圖二 : Microchip FAE課長 徐文達

在多數的狀況下,對於簡單的嵌入式圖形用戶界面(Graphical User Interface,GUI ),這些圖形控制器並不是必需的。目前較為主流的解決方案為採用無控制器解決方案。而無控制器解決方案是使用MCU外設建立一個「虛擬」圖形控制器來進行圖形繪製,並且不會佔用大量CPU時間,讓系統設計人員能夠節省更多設計時間。


而這幾十年來,可程式設計邏輯控制器(PLC)一直都是工廠自動化和工業程式控制組成的一部分。從簡單的照明功能到環境系統、再到化學加工等各種應用領域,皆離不開PLC控制。


由於這些系統擁有許多功能,並且提供各種類比和數位輸入/輸出介面、訊號處理、資料轉換以及各種不同的通訊協定。讓PLC的所有元件以及功能都能夠以控制器為中心,而控制器則可以針對某項任務來進行程式設計。


Maxim 資深經理 郭嘉豪指出:「基本的PLC元件必須足夠靈活並可配置,以滿足不同工廠和應用的需求。輸入激勵來自機器裝置、感測器或過程事件,表現為電壓或電流。」,PLC必須準確地為CPU提供解析並轉換激勵訊號,CPU進而確定一組發給輸出系統的指令,PLC則控制著安裝在工廠或另一工業環境的執行機構。



圖三 :  Maxim integrated資深經理 郭家豪
圖三 : Maxim integrated資深經理 郭家豪

新世代的程式控制對於PLC提出了更為艱辛的任務要求,不僅希望能夠更具高效能、體積更小和更高功能靈活性,以及內建保護功能,並且防止潛在的破壞性靜電放電(ESD)、電磁干擾和射頻干擾(RFI/EMI),以及惡劣的工業環境中常見的大幅值瞬態脈衝。


隨著嵌入式應用複雜性的提高,硬體架構和嵌入式系統設計工具必須不斷地改進以滿足不斷增加的開發需求並幫助縮短設計時間。在以往,許多嵌入式系統都是由一個單一的CPU組成,所以系統的設計者們都依靠CPU的時鐘頻率來提高系統性能,隨著複雜性的提高,需要使用多核心運算和其它創新的發明來達到處理要需的吞吐量。



圖四 :  Freescale市場行銷暨業務發展經理Jackson Liu
圖四 : Freescale市場行銷暨業務發展經理Jackson Liu

但是,越來越多的系統設計者都正在往更先進的運算架構轉移,例如多個獨立處理元素,異構架構,來達到在吞吐量、延遲、靈活性、成本和其它因素之間更優化的平衡,這個平衡帶來了新一代嵌入式系統的設計方式。


Freescale 市場行銷暨業務發展經理 Jackson Liu指出:「FPGA是處理並行運算的理想選擇,因為FPGA是直接使用硬體來實現算法,可以提供相當低的延遲。另外,將FPGA結合到運算架構中也同時提高了嵌入式系統的靈活性。」。



圖六 :  Vishay亞洲區事業發展部總監 楊益彰
圖六 : Vishay亞洲區事業發展部總監 楊益彰

MCU在電子產品中所扮演的角色越來越重要,市場版圖也愈發的擴大,促使MCU業者無不絞盡腦汁,搶搭市場商機。隨著MCU功耗降低、價格下滑快速與效能不斷提升,節能、安全、感測與汽車已成為MCU熱門應用領域,並吸引業者積極搶進。而近來熱門的觸控介面,以及工業控制等,也成為MCU重要的應用市場。



圖五 : IR資深應用工程師 邱貴彬
圖五 : IR資深應用工程師 邱貴彬

IR 資深應用工程師 邱貴彬表示:「EFT、ESD一直都在困擾著電子產品設計師。在MCU控制系統中,一些無法預期的干擾例如脈衝信號等,時常會引發系統錯亂,或是發生故障,更有可能造成設備損壞與人員傷亡。」,而MCU的性能以及系統設計、PCB佈局等因素,則是影響這些問題的主因。而這當中MCU本身的抗干擾能力,對這些問題的解決可說是非常重要。


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