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从工控自动化迈向无人工厂(一)
2013工控智能化关键技术论坛(台中场第一天)活动报导

【作者: 陳韋哲】2013年04月10日 星期三

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近年来,大陆成为全球工厂,但随着工资上涨、劳资纠纷不断,制造业主无不转向追求更自动化的生产流程,以降低人力需求并保有生产效能。事实上,随着科技的进展,生产机台走向更高度的自动化,甚至引进工业机器人,已是大势所趋。以鸿海为例,正致力于发展可关灯生产的无人工厂;郭台铭也曾宣称,2014年鸿海集团的机器人数量,将提升至100万台。


很显然地,工控技术的升级需求带来很大的市场商机。台湾一方面是全球重要的生产基地,一方面也拥有机、电、信息等专业人才及完整的产业供应链,因此具备极佳的发展条件。相较于消费性市场,工控市场需要更多的产业专业与跨领域的整合,但也拥有更高且长期稳定的营收机会。


如今,台湾电子业者纷纷寻求走出代工模式的包袱,工控自动化会是很值得切入的一个领域。为协助台湾业者掌握工控智能化先进技术趋势及实务性技术要领,CTIMES将举办本次大型论坛,邀请产界专家共襄盛举。


截至目前FPGA已被广泛应用到各行各业,不管是工业控制、视讯监控、网络安全直至汽车电子都能随处看到FPGA的踪影。由于FPGA具有相当多的应用特点,特别是在嵌入式应用方面,绝佳的使用弹性更是优异于其他一般单芯片产品,而FPGA能够使用的可程序化逻辑器件数量又比起其他同等可进行定制的装置数量更多,可说是应用弹性相当大的开发平台。


而FPGA是透过逻辑组合的形式来执行功能,所以其功耗和成本都高于MCU和DSP。再加上几年前,FPGA给人普遍的印象为昂贵的价格,所以除了在通讯、航天、军事、工业等少数行业,FPGA大多是扮演原型验证开发的角色,以致于FPGA在消费性电子等市场难有有一番作为。



图一 : Lattice资深应用工程师 陈泓志
图一 : Lattice资深应用工程师 陈泓志

Lattice 资深应用工程师 陈泓志表示:『随着许多国内外知名大厂相继采用新的制程技术,使得FPGA价格下降,让价格在许多的应用不再是阻碍。』,所以在一些需要特定功能的应用中,当设计师找不到可以满足要求的装置,就必须自行开发ASIC芯片,或者使用FPGA进行设计。不过开发ASIC的成本和风险在不断提高,甚至超过了未来的实际收益,因此使用FPGA就成了一个相当不错的选择。


此外,有鉴于现今对于图形化嵌入式应用的需求越来越普遍,以致于要求开发经济高效的解决方案的呼声也日益高涨。目前许多公司所提供的解决方案包括一个附加的内部或外部图形控制器作为系统的一部分,但这可能使成本更高及设计更复杂。



图二 : Microchip FAE课长 徐文达
图二 : Microchip FAE课长 徐文达

在多数的状况下,对于简单的嵌入式图形用户界面(Graphical User Interface,GUI ),这些图形控制器并不是必需的。目前较为主流的解决方案为采用无控制器解决方案。而无控制器解决方案是使用MCU外设建立一个「虚拟」图形控制器来进行图形绘制,并且不会占用大量CPU时间,让系统设计人员能够节省更多设计时间。


而这几十年来,可程序设计逻辑控制器(PLC)一直都是工厂自动化和工业程控组成的一部分。从简单的照明功能到环境系统、再到化学加工等各种应用领域,皆离不开PLC控制。


由于这些系统拥有许多功能,并且提供各种模拟和数字输入/输出接口、讯号处理、数据转换以及各种不同的通讯协议。让PLC的所有组件以及功能都能够以控制器为中心,而控制器则可以针对某项任务来进行程序设计。


Maxim 资深经理 郭嘉豪指出:「基本的PLC组件必须足够灵活并可配置,以满足不同工厂和应用的需求。输入激励来自机器装置、传感器或过程事件,表现为电压或电流。」,PLC必须准确地为CPU提供解析并转换激励讯号,CPU进而确定一组发给输出系统的指令,PLC则控制着安装在工厂或另一工业环境的执行机构。



图三 : Maxim integrated资深经理 郭家豪
图三 : Maxim integrated资深经理 郭家豪

新世代的程控对于PLC提出了更为艰辛的任务要求,不仅希望能够更具高效能、体积更小和更高功能灵活性,以及内建保护功能,并且防止潜在的破坏性静电放电(ESD)、电磁干扰和射频干扰(RFI/EMI),以及恶劣的工业环境中常见的大幅值瞬态脉冲。


随着嵌入式应用复杂性的提高,硬件架构和嵌入式系统设计工具必须不断地改进以满足不断增加的开发需求并帮助缩短设计时间。在以往,许多嵌入式系统都是由一个单一的CPU组成,所以系统的设计者们都依靠CPU的时钟频率来提高系统性能,随着复杂性的提高,需要使用多核心运算和其它创新的发明来达到处理要需的吞吐量。



图四 : Freescale市场营销暨业务发展经理Jackson Liu
图四 : Freescale市场营销暨业务发展经理Jackson Liu

但是,越来越多的系统设计者都正在往更先进的运算架构转移,例如多个独立处理元素,异构架构,来达到在吞吐量、延迟、灵活性、成本和其它因素之间更优化的平衡,这个平衡带来了新一代嵌入式系统的设计方式。


Freescale 市场营销暨业务发展经理 Jackson Liu指出:「FPGA是处理并行运算的理想选择,因为FPGA是直接使用硬件来实现算法,可以提供相当低的延迟。另外,将FPGA结合到运算架构中也同时提高了嵌入式系统的灵活性。」。



图六 : Vishay亚洲区事业发展部总监 杨益彰
图六 : Vishay亚洲区事业发展部总监 杨益彰

MCU在电子产品中所扮演的角色越来越重要,市场版图也愈发的扩大,促使MCU业者无不绞尽脑汁,抢搭市场商机。随着MCU功耗降低、价格下滑快速与效能不断提升,节能、安全、感测与汽车已成为MCU热门应用领域,并吸引业者积极抢进。而近来热门的触控接口,以及工业控制等,也成为MCU重要的应用市场。



图五 : IR资深应用工程师 邱贵彬
图五 : IR资深应用工程师 邱贵彬

IR 资深应用工程师 邱贵彬表示:「EFT、ESD一直都在困扰着电子产品设计师。在MCU控制系统中,一些无法预期的干扰例如脉冲信号等,时常会引发系统错乱,或是发生故障,更有可能造成设备损坏与人员伤亡。」,而MCU的性能以及系统设计、PCB布局等因素,则是影响这些问题的主因。而这当中MCU本身的抗干扰能力,对这些问题的解决可说是非常重要。


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