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運動控制軟硬並進
工業4.0啟動市場

【作者: 王明德】   2016年05月16日 星期一

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由於各大型設備廠商無論是控制器的程式語言模式或通訊架構都各走各路,因此工廠的自動化系統一直以來都相當封閉,後期PC技術被大量應用到製造系統,PC-Based控制器在導入初期雖不斷被質疑穩定度,不過隨著技術的進步,穩定度疑慮已逐漸消除,這兩年講求高整合的智慧工廠概念興起,具開放式架構的PC-Based 運動控制器,挾帶著高性能、低價位、開放式系統、豐富人才基礎等優勢,取代傳統封閉式、專屬性架構的控制器,為當前中大型製造企業所導入的電腦整合製造自動化系統如半導體、平面顯示器、工具機產業的應用,提供安全可靠和完善的解決方案。


所謂電腦整合製造就是運用電腦來設計產品、計畫生產流程、控制生產作業、與執行生產等,達到生產排程與製造系統全面整合自動化、電腦化、網路化,以提高生產效能。


凌華強力步局運動控制

凌華主要的運動控制卡介面包括脈衝式、串列式與類比控制,在市場定位方面,凌華除了不同種介面的提供,也整合電腦產品。


凌華科技量測與自動化產品事業處產品經理楊家瑋指出,凌華科技投入運動控制領域已有相當長的時間,目前的產品可從兩個大方向來看,首先是各種介面研發,目前凌華主要的運動控制卡介面包括Pulse Train(脈衝式)、串列式與類比控制,在市場定位方面,凌華除了不同種介面的提供,也整合電腦產品,目前多數生產線運動控制設備市場,仍以傳統的PLC控制器為主,PC-Based廠商要與日本及歐洲等PLC大廠競爭,仍有一定難度。



圖1 : 凌華科技量測與自動化產品事業處產品經理楊家瑋指出,PC-Based 控制器將漸漸成為未來的技術主流。(攝影/王明德)
圖1 : 凌華科技量測與自動化產品事業處產品經理楊家瑋指出,PC-Based 控制器將漸漸成為未來的技術主流。(攝影/王明德)

雖然PLC目前仍佔有運動控制大部份的控制器市場,不過楊家瑋認為,PC-Based 控制器將漸漸成為未來的技術主流,主要原因在於現在生產系統都要求整合,尤其是往上層或與IT系統的整合,而現在的製造管理軟體,幾乎都是Window Based,這與傳統PLC架構格格不入,相對的,PC-Based控制器裡所提供的Ethernet介面、RAM、儲存裝置(CF)、作業系統與關聯式資料庫連接都可以用非常低的價格取得,而且整合非常容易,楊家瑋認為,開放性優勢讓控制器逐漸往PC-Based傾斜,而目前其他的IPC廠商通常不具備完整運動控制、IO產品與技術能量,因此成為凌華的利基點。


AEROTECH主打高精度市場

AEROTECH制定的AERONET屬於閉迴路,在多軸同步時,精速度表現會更佳。


對於運動控制的高精度走向,美商艾羅得(AEROTECH)經理葉惟仁也同意此一趨勢,他指出AEROTECH的產品可分為三大系統,包括最高階可控制32軸的A3200、中階可控制10軸的Ensemble、經濟型的單軸控制器Soloist,葉惟仁指出,AEROTECH定位在高精度市場,本身的運動控制與多軸定位平台子系統可以維持奈米等級的動態定位精度、幾何公差與強韌的熱穩定性,並且廣泛的應用於包括晶圓平台(Wafer Stage)設計、晶圓檢查與偵測、CD-SEM、TEM、步進式微影、白光干涉、先進晶圓級封裝等製程機台上。



圖2 : AEROTECH經理葉惟仁表示,現在智慧工廠概念當道,不過對AEROTECH這類專業運動控制廠商來說,最重要的還是將運動控制本身的速度與精度做好。(攝影/王明德)
圖2 : AEROTECH經理葉惟仁表示,現在智慧工廠概念當道,不過對AEROTECH這類專業運動控制廠商來說,最重要的還是將運動控制本身的速度與精度做好。(攝影/王明德)

現在製造系統講究整合,尤其智慧工廠概念當道,各類工業通訊標準紛紛搶攻市場,不過葉惟仁指出,對運動控制來說,其加工行為與智慧工廠關聯不大,因此對AEROTECH這類專業運動控制廠商來說,最重要的還是將運動控制本身的速度與精度做好,與上下層其他設備的鏈結,則由系統廠商負責,針對本身產品內部通訊,AEROTECH制定出的AERONET,相對於市場上目前為開迴路的工業乙太網路,AERONET則為閉迴路,兩者差別在於後者的時間延遲性更低,在多軸同步時,精速度表現會更佳。


IntervalZero強調「軟」實力

在通訊協定方面,IntervalZero採用EtherCAT技術,一條網路線即可支援大量工作站,並以極短的時間(100微秒μs)來控制。


除了硬體產品外,軟體運動控制(Softmotion)也是製造業近年來的重點,以軟體平台布局市場的英特蒙(IntervalZero) ,其平台可充分利用CPU中的每個核心來從事指定的功能,純粹以軟體的方式並透過一條網路線/EtherCAT即可來控制各種馬達、機器,以節省電纜、AD/DA轉換電路等成本,且降低空間佔用與噪音量。


亞太區業務與行銷副總裁洪育浩表示,Softmotion是透過軟體以函式庫與高階語法,進行開發運動控制的作動,這種運動控制的架構,適合用在規劃大型系統的應用環境,在大型系統的應用上,Softmotion可進行較為複雜的動作規劃,這種作法在傳統以PLC的架構上不易做到。



圖3 : IntervalZero亞太區業務與行銷副總裁洪育浩表示,Softmotion是透過軟體以函式庫與高階語法,進行開發運動控制的作動。
圖3 : IntervalZero亞太區業務與行銷副總裁洪育浩表示,Softmotion是透過軟體以函式庫與高階語法,進行開發運動控制的作動。

Softmotion的發展除了彈性應用之外,另外一個重點在於「智慧製造」的最終目標,使用者可以依任意調整產線的產能與製程項目,讓運動控制可以依需求進行調整,不過洪育浩指出,過去工業通訊標準仍處百家爭鳴的情況,像要透過系統達成即時性控制需求的設定會有一定困難,這也是現在Softmotion在技術發展上,必須克服的挑戰。


不過由於工業通訊標準仍處於百家爭鳴的情況,如果通訊介面無法共通整合,像要透過系統達成即時性控制需求的設定會有一定困難,這也是現在Softmotion在技術發展上,必須克服的挑戰,這部份在通訊協定方面,IntervalZero採用EtherCAT技術,一條網路線即可支援大量工作站,並以極短的時間(100微秒μs)來控制;所有工作站同步只須1微秒,目前IntervalZero在國外已經擁有相當多軟體取代硬體的相關案例,包含微軟與Intel,客戶包括航太、安防、工業PLC、機具、半導體設備等製造商、測試&量測等領域。


西門子主打工具機市場

西門子的TIA Portal可簡化編寫流程,同時讓整個工廠可以有一體性設計,不須再跨平台作業。


作為工業自動化大廠,西門子在運動控制的布局已久,且在公司內部設有特定部門,西門子工廠自動化專員陳冠伯表示,此一運動控制部門下分兩類產品線,包括MTS(Machine Tool System)與GMC(General Machine Control),MTS顧名思義,此部份產品主要應用即為工具機,包括銑床、車床…等,此一產品線從入門、中階到高階均齊備,台灣工具機廠商目前以中階產品使用最多,GNC也分為3個系列,包含基本款、通用型與伺服專用型。


MTS與GMC主要的不同在專用設計層面,例如以工具機為主的MTS,會在產品上設計車床、銑床、磨床等機台專用的HMI,GMC則由使用者自行針對PLC編寫指令,陳冠伯表示,這部份可透西門子的TIA Portal簡化編寫流程,使用者可在TIA Portal直接編寫PLC、調適驅動、建立HMI畫面等,整個工廠可以有一體性設計,不須再跨平台作業。



圖4 : 西門子工廠自動化專員陳冠伯表示,西門子的運動控制分兩類產品線,包括MTS與GMC。(攝影/王明德)
圖4 : 西門子工廠自動化專員陳冠伯表示,西門子的運動控制分兩類產品線,包括MTS與GMC。(攝影/王明德)

圖5 : 西門子工具機處產品專員許壬己指出,台灣的工具機正由中階走向高階,因此對運動控制的需求仍以中階產品為大宗。(攝影/王明德)
圖5 : 西門子工具機處產品專員許壬己指出,台灣的工具機正由中階走向高階,因此對運動控制的需求仍以中階產品為大宗。(攝影/王明德)

針對台灣工具機廠商的運動控制需求,西門子工具機處產品專員許壬己指出,台灣的工具機正由中階走向高階,因此對運動控制的需求仍以中階產品為大宗,以西門子的出貨為例,台灣車床廠商的運動控制需求已由單通道提昇至雙通道,軸數則由8軸增加為10軸,另外部份南部工具機大廠開始走向航太領域,這部份雖仍已5軸為主,不過在精度、擴充性、穩定性方面都有更高的要求。


**刊頭圖片來源:(Source: RENISHAW)


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