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自動化時代的工控關鍵技術
「工控智慧化關鍵技術論壇」會後報導

【作者: 陳韋哲】   2013年05月27日 星期一

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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。


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在3月中在台北、台中舉辦了「工控智慧化關鍵技術論壇」,邀請了多位產界專家共襄盛舉,分享工業控制在自動化及智慧化上的技術趨勢。以下是精彩演說的精華摘要報導。


走向智慧化,FPGA地位提升

Altera亞太區市場開發經理江允貴表示,工業自動化的技術趨勢包括非中心化的架構、功能整合的小型化設計、即時同步的連結性、多軸向運作的精密控制、功能性安全的提升,以及對特殊應用的彈性平台支援等。


江允貴說:「更高度的功能整合能讓設計更單純、成本降低,也有助縮小產品尺寸,因而成為工控設備的大勢所趨。在此情況下,離散型的系統設計已不符需求,高整合度的SoC、ASIC,甚至是兼具彈性和整合性的FPGA SoC,才能展現設計優勢。」


受惠於工業控制開始走向自動化,擁有彈性設計特性的FPGA也已廣泛應用到工控系統的各個環節當中。Lattice資深應用工程師陳泓志表示,在工控嵌入式系統的應用上,FPGA的可程式化邏輯特性,讓它比其他ASIC或SoC有更大的設計彈性。


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。」


圖一 : 擁有彈性設計特性的FPGA已廣泛應用到工控系統的各個環節當中(圖:electroteh-sy.com)
圖一 : 擁有彈性設計特性的FPGA已廣泛應用到工控系統的各個環節當中(圖:electroteh-sy.com)

PLC技術持續演進

這幾十年來,可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller;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。


PLC的技術不斷進化,已從原先只有電路邏輯控制的功能,逐步加入時序控制、類比控制、多機通信等更多功能,甚至出現整合工業電腦(採用嵌入式作業系統)與PLC架構的PC-BASE控制器,能透過數位或類比輸入/輸出模組控制機器設備、製造處理流程、及其它控制模組的電子系統。


Maxim 資深經理郭嘉豪指出:「今日的PLC可收發處理多種型態的電氣或電子訊號,並使用它們來控制或監督幾乎所有種類的機械與電氣系統,因此角色愈來愈重要。」


對於PLC控制器的基本要求是必須夠靈活並可配置,以滿足不同工廠和應用的需求。但這已不夠,郭嘉豪表示,新世代的工業控制系統對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,還要能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。


圖二 : 工控系統要求更自動和智慧化,讓電子控制模組的需求大增(圖:ABB)
圖二 : 工控系統要求更自動和智慧化,讓電子控制模組的需求大增(圖:ABB)

PoE供電能力大增,更適合工控應用

另外,對於工控領域來說採用先進電源管理技術可說是十分重要,而使用乙太網路供電(Power-over-Ethernet;PoE)是一種可以在乙太網路中透過雙絞線來傳輸電力與資料到各種裝置上的技術,除了在建置上相當方便外,亦可透過此技術免除必須依靠AC電源的限制。由於應用優勢相當明顯,PoE技術的相關解決方案也日益增多。


茂宣FAE專案經理胡緯翰表示,PoE在2009年進展到新的PoE+標準,已可為設備提供高達25.5W的電功率,而Linear提出的LTPoE++規格,則讓受電設備(PD)供電功率擴展至90W,因此滿足了工控設備對功率日益增加的需求。


「比起其他功率擴展解決方案,LTPoE++還大幅降低供電設備(PSE)和受電設備的工程複雜性。」胡緯翰指出,LTPoE++系統簡化了供電,並讓系統設計師在設計工作當中,能夠以更高的效益來解決技術應用問題。


圖三 : 工控系統要求支援更多元的連結介面,並利用PoE供電(圖:nagautomation.com)
圖三 : 工控系統要求支援更多元的連結介面,並利用PoE供電(圖:nagautomation.com)

工業機器人值得投入

針對工控設備的設計開發,美商國家儀器儀器(NI)行銷工程師黃翔鉎指出,為了滿足專業化、更多元化和智慧化的發展方向,有一些技術挑戰的必須突破,例如資料的擷取及分析、儀器控制及容易連接性、資料視覺化及產生報表、Real-time量測及控制,以及運動控制及機器視覺等等。


「要降低這些挑戰的設計門檻,需要有更簡便的開發環境,而圖形化的系統設計平台正好能滿足這樣的需求。」黃翔鉎表示,除了設計介面要更人性化外,工控備也需滿足標準化和開放化的大趨勢。


由於目前國內工業自動化設備及機器人的發展技術越來越高,精密機械研究發展中心蕭仁忠副組長表示,透過國內工具機及電子產業的共同發展研究,可更快讓機器人能夠取代勞力高密度、工作環境不佳與危險的生產線,滿足市場的需求。值得投入的領域包括工業控制器、馬達、線性滑軌、減速機及夾爪模組等工業用機器人的關鍵零組件開發等。


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