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PAC逐漸成形 嵌入式自動化市場再下一城
 

【CTIMES/SmartAuto 王明德 報導】   2013年12月23日 星期一

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如果依照維基百科對嵌入式系統的定義,「嵌入式系統通常執行的是帶有特定要求的預先定義的任務,由於嵌入式系統只針對一項特殊的任務,設計人員能夠對它進行優化,減小尺寸降低成本。」PLC可說是最早的嵌入式設計之一,它只針對工業控制為單一應用,設計完全以此為基準,內部元件大量精簡,整體運作機制高度簡化,因此穩定度也可達到工業等級。

NI PAC
NI PAC

PC Based仍有疑慮

不過PLC歷史已久,在1969年就已問世,當時PC技術尚未成形,製造現場的整合概念也不多,因此自動化系統多為單獨運作(Stand Alone),1980年PC技術開始起飛,PC Based在20世紀末期開始跨入自動化領域,由於PC已是企業作業的標準平台,利用PC的高相容性來將作業現場與企業e化系統整合,已成製造業系統建置重點之一。

PC Based在自動化應用初期被PLC陣營高度質疑,至今市場上仍有相關疑慮,主要問題有三點:

1. 穩定性─PC作業系統向來給人穩定性不足的印象,不能做為控制之用。

2. 可靠性-PC使用非工業強化元件,容易發生當機的情形。

3. 程式設計環境不熟悉-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。

不過在整合層面的考量下,也有工程師將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。系統工程師往往必須處理整合不同廠商間的軟硬體,然而這些設備在設計時並未考量到整合面,因此在系統整合時會遇到相當大的問題。

PAC五大控制特性

為解決PLC與PC Based的整合問題,美國研究機構ARC(Automation Research Corporation)提出了PAC架構,PAC英文全名是Programmable Automation Controller,中文則是可程式自動化控制器,美國國家儀器(NI)指出在ARC透過軟體功能的定義,來列出PAC的五大控制特性,包括:

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、運動、PID控制、磁碟以及處理,除了部份在I/O上做變動以配合特殊協定之需要外,邏輯、運動、處理,以及PID,都只是軟體的1個函數。

2. 單一的多元化開發平台,結合一般標籤及單一資料庫,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,軟體必須是一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。

PAC的嵌入式之路

PAC融合PLC與PC Based兩種技術,在PC層面,會大量應用嵌入式技術,擁有使用軟體來定義硬體的能力就是其一,PAC將採用FPGA作為控制元件,FPGA是消費性電子廠商用來製作客製晶片常用的電子元件,可使設備中重設組態邏輯電路,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(如VHDL)的硬體設計師才能運用FPGA技術。但之後系統控制工程師可以利用PC軟體撰寫程式如NI的LabVIEW FPGA來建立客製控制運算法,將下載至FPGA晶片。此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。

雖然部份PLC廠商認為,PAC仍屬於PC Based產品,只是換了另一種包裝,但就市場整體面來看,PAC的確已逐漸成形,包括西門子在內的大廠,均已紛紛推出產品,未來嵌入式技術將會被大量應用在PAC,成為自動化系統的重要技術之一。

PC Based仍有疑慮

不過PLC歷史已久,在1969年就已問世,當時PC技術尚未成形,製造現場的整合概念也不多,因此自動化系統多為單獨運作(Stand Alone),1980年PC技術開始起飛,PC Based在20世紀末期開始跨入自動化領域,由於PC已是企業作業的標準平台,利用PC的高相容性來將作業現場與企業e化系統整合,已成製造業系統建置重點之一。

PC Based在自動化應用初期被PLC陣營高度質疑,至今市場上仍有相關疑慮,主要問題有三點:

1. 穩定性─PC作業系統向來給人穩定性不足的印象,不能做為控制之用。

2. 可靠性-PC使用非工業強化元件,容易發生當機的情形。

3. 程式設計環境不熟悉-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。

不過在整合層面的考量下,也有工程師將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。系統工程師往往必須處理整合不同廠商間的軟硬體,然而這些設備在設計時並未考量到整合面,因此在系統整合時會遇到相當大的問題。

PAC五大控制特性

為解決PLC與PC Based的整合問題,美國研究機構ARC提出了PAC架構,PAC英文全名是Automation Research Corporation,中文則是可程式自動化控制器,美國國家儀器(NI)指出在ARC透過軟體功能的定義,來列出PAC的五大控制特性,包括:

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、運動、PID控制、磁碟以及處理,除了部份在I/O上做變動以配合特殊協定之需要外,邏輯、運動、處理,以及PID,都只是軟體的1個函數。

2. 單一的多元化開發平台,結合一般標籤及單一資料庫,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,軟體必須是一款單一整合軟體

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。

PAC的嵌入式之路

PAC融合PLC與PC Based兩種技術,在PC層面,會大量應用嵌入式技術,擁有使用軟體來定義硬體的能力就是其一,PAC將採用FPGA作為控制元件,FPGA是消費性電子廠商用來製作客製晶片常用的電子元件,可使設備中重設組態邏輯電路,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(如VHDL)的硬體設計師才能運用FPGA技術。但之後系統控制工程師可以利用PC軟體撰寫程式如NI的LabVIEW FPGA來建立客製控制運算法,將下載至FPGA晶片。此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。

雖然部份PLC廠商認為,PAC仍屬於PC Based產品,只是換了另一種包裝,但就市場整體面來看,PAC的確已逐漸成形,包括西門子在內的大廠,均已紛紛推出產品,未來嵌入式技術將會被大量應用在PAC,成為自動化系統的重要技術之一。

關鍵字: PAC  量測  NI  儀器設備 
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MD Wang發言於2013.12.27 10:59:00 AM
感謝賜教,已改正
Vincent Wong發言於2013.12.24 08:03:41 AM
美國研究機構ARC提出了PAC架構,PAC英文全名是Automation Research Corporation,中文則是可程式自動化控制器 上面這一段英文應該是錯的應該是ARC的英文吧
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