帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
製造業掀起智慧浪潮 運動控制同步進化
 

【作者: 王明德】   2019年11月04日 星期一

瀏覽人次:【1336】
  

製造業近年來掀起智慧化浪潮,希望透過OT與IT系統的整合,讓製造體系更具智慧化,不過智慧化根基於自動化,唯有精準的自動化控制,才能落實製造系統的智慧化願景,而在自動化製程中,運動控制是系統核心,製造業界對此技術早已全力投入,近年來製造系統的架構漸趨複雜,運動控制技術也需同步進化。



圖1 :  運動控制是自動化系統的基礎,近年來製造市場掀起智慧化浪潮,運動控制技術也需與時俱進,讓製造系統兼具效能與彈性。(source:Machine Design)
圖1 : 運動控制是自動化系統的基礎,近年來製造市場掀起智慧化浪潮,運動控制技術也需與時俱進,讓製造系統兼具效能與彈性。(source:Machine Design)

從架構面來看,運動控制可分為以單晶片或微處理器為核心的運動控制器和採用專用晶片(ASIC)處理器的運動控制器,後期又出現使用DSP、FPGA等運算單元的開放是運動處理器,其應用也從傳統的數控加工行業專用運動控制技術,發展為更具開放性、可因應具體應用需求而快速重組的先進運動控制技術。


不過無論是哪一類型架構,高速、高精度始終是運動控制的必要前提,透過處理器的強大運算能力,進行複雜的運動規劃、高速即時多軸插補、誤差補償等運算,強化其精度與速度更快,並讓運動軌跡更平穩。


三大類型 建構運動控制系統

觀察運動控制的歷史發展,其技術起源於早期的伺服控制,主要是針對機械運動部件的位置、速度等進行即時的控制管理,使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行動作,後來美國等先進國家的工業迅速發展,通用運動控制技的技術與應用也隨之起飛。



圖2 : 智慧化根基於自動化,唯有精準的自動化控制,才能落實製造系統的智慧化願景。(source:Siemens)
圖2 : 智慧化根基於自動化,唯有精準的自動化控制,才能落實製造系統的智慧化願景。(source:Siemens)

就架構面來看,目前常見的通性型運動控制可分為PC匯流排、軟體開放式與嵌入式等3種類型。PC匯流排大多採用DSP或微處理器作為控制單元,可進行運動規劃、高速即時插補、伺服濾波控制和伺服驅動、外部I/O之間的標準化通用介面功能,其開放的函式庫可因應使用者需求,在Windows平台下自行開發應用軟體,組成各種控制系統。


軟體運動控制也是製造業近年來的重點,其作法是充分利用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。


軟體運動控制,適合用在規劃大型系統的應用環境,在大型系統的應用上,可進行較為複雜的動作規劃,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,不過美商英特蒙台灣分公司亞太區業務與行銷副總裁洪育浩指出,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,這也是現在此架構在技術發展上必須克服的挑戰。



圖3 : 近年來製造系統的架構漸趨複雜,運動控制技術也需同步進化。 (攝影/王明德)
圖3 : 近年來製造系統的架構漸趨複雜,運動控制技術也需同步進化。 (攝影/王明德)

最後一種則是嵌入式運動控制器,其架構是將PC技術嵌入至運動控制器,使之獨立運行。在此架構中,運動控制器與電腦是靠特定的工業通訊標準傳輸,因此可視為匯流排結構的運動控制器的變種,不過相較於標準匯流排的電腦模組,這類型產品採用了更穩定的工業通訊標準傳輸,更加適合工業應用。在使用中,採用如工業乙太網路、EtherCAT、PROFINET等即時通訊介面聯接上層系統或人機介面,在智慧化製造系統中,嵌入式的運動控制器也可配置PC周邊元件,並透過網際網路進行遠端診斷。


由於市場上新設備的控制需求、傳統設備技術升級、換代,對運動控制器的市場需求越來越大,另外,由於市場日益競爭的壓力,系統整合商和設備製造商要求運動控制系統向開放式方向發展。


PLC與IPC的競合趨勢

再就目前市場走向來看,不論哪一種類型的運動控制架構,都面臨了生產線漸趨複雜的挑戰,因此如何整合出最適化應用,也成為各廠商經營市場的嚴苛挑戰。分析運動控制的不同架構,PLC透過運動模組的整合進行運動控制的應用,目前仍為市場的主流應用模式;相較於PLC,運動控制器則無須整合運動模組,是以運動控制為主,程序應用為輔的控制器。


至於IPC架構,則有標準化的PC-Based系統加裝運動軸卡,可在Windows系統下規劃運動模式的控制,或是透過硬體CPU的運算能力進行運動控制規劃,由於與後端的管理系統的架構相同,所以具有整合性的彈性,讓運動控制與系統管理有更完整的連結,也提升相關的便利性。


運動控制近年來走向智慧化,其需求是由消費性電子產業而來,以IPC架構為例,由於智慧手機之類的消費性電子,其在製程需要整合包括視覺、感測及統整後端資料庫等裝置及系統,在後端連結要求較高的情況下,透過IPC整合運動控制卡的做法,是這類廠商在運動控制上的通用方案,在不同的應用模式上,需求仍是系統選擇重點。


再從技術發展來看,運動控制已是發展成熟的技術,從傳統透過PLC架構的應用,到進行以易設定、擴充及修改的特色為前提的IPC架構,其進化軌跡相當明顯,再加上漸趨穩定的運作與合宜成本,現在越來越多廠商將之應用於運動控制規畫;IPC廠商近年來對這此部分的著力也越來越深,包括硬體的軸卡等均有相當完整的產品。


而近年來硬體發展已漸至頂峰,簡化應用的需求也逐漸開發,包括像是Smart Controller之類的產品,讓使用者無須進行繁複的程式及邏輯設計,不過此類系統因需大量整合性,因此在技術層面仍需克服不少挑戰。


智慧化趨勢明顯

觀察市場走向,雖然PLC等自動化裝置仍是目前運動控制的市場主流,但IPC在此應用的重要性也逐步強化之中,業界人士認為,此一趨勢主要來自於包括像科技廠商開始加重工業領域的布局力道,除了Intel、AMD等CPU廠商透過低功耗處理器的推出,取代傳統專用設備的控制器外,MCU廠商的工業產品問世速度也正加快中。



圖4 : 無論是哪一類型架構,高速、高精度始終是運動控制的必要前提。 (source:StarFish Medical)
圖4 : 無論是哪一類型架構,高速、高精度始終是運動控制的必要前提。 (source:StarFish Medical)

由於在CPU的製程技術上,多核心的架構成為主流,加上即時作業系統跟著多核處理器的推展擴張了多工處理的效能,因此可以處理項目的複雜度也跟著提升;此外工業通訊的蓬勃發展,讓資訊的流通更快速穩定,這都助長了IPC架構在工業自動化市場的擴張,這些整合,讓多點I/O與多軸控制的應用得以落地實用。


另一業者也指出,工業通訊標準因進化所帶來的高度連結性,讓業者在生產線規畫之時,就可讓設備透過各種通訊標準整合,以相同的通訊介面進行系統配置,更可以針對未來的預期預留擴充的空間或縮小的整備,讓系統可以以最適化的方式運作,相較於過去PLC多以封閉網路進行規畫,現在的開放式架構將使系統更具彈性。以行動電話的機殼為例,過去是透過CNC製作母模後再依樣畫葫蘆大量製造,但現在智慧手機則改變製程,讓機殼直接在產線上作加工,因此衍生出其他需求,要整合這類類型多元介面,工業乙太網路會是最佳選擇,而這也是IPC業者的強項。


此外,近幾年的雲端運算,更讓IPC業者在運動控制領域的優勢倍增,尤其近年的智慧控制思維,強調與資料庫管理系統進行整合,透過雲端運算的技術,讓生產線良率與產可在遠端被控管,強化管理效能。


至於IPC架構的未來,業者認為將會走向兩個不同的面向。在高階應用部分,IPC可以透過軟體運動控制的技術擴大應用彈性,將函式庫與控制平台應用於複雜的多軸控制,加上與後端管理系統的無縫連結,讓系統的運動控制更精準,並整合生產線的產能資訊,強化市場競爭力。


相關文章
透過即時網路實現同步多軸運動控制
運動控制已朝多元化技術發展
智慧製造強調整合 運動控制通訊走向開放性架構
仿真和原型難度遽增 Xilinx催生世界最大FPGA
建立使用者付費機制 看見智慧家庭發展願景
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新聞
» 易控TM協作機器人實戰應用說明會實際案例分享
» 五強聯手打造智造生態圈 協力助台灣製造升級
» 南樺發表Line警報器解決方案 協助提升製造業擴廠彈性
» NexCOBOT結合AWS雲平台服務 簡化智慧機器人開發及部署流程
» 產學合作創益加乘 群聚力打造科技生態鏈
  相關產品
» Fluke首款可攜式口袋熱像儀上市
» Fluke首款工業聲學成像儀ii900上市
» Fluke四款640 x 480解析度熱像儀齊登場
» 明緯擴充EPP-500系列
» KNX用於現代建築 可降低事後維護與火災風險

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw