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伴隨控制技術精進 工業應用開發空間更為寬廣
2016/12/06-DIGITIMES企劃  


幾個月前,精密機械研究發展中心發表一項技術研發成果,係運用全軟體控制器搭配CAD Based技術,打造出台灣首見的15軸同步運動雙臂機器人;令人驚艷之餘,也不禁好奇,以軟體來當做自動化控制系統,究竟是怎麼一回事?亟欲探究箇中玄機。

論及自動化控制領域,從以往到現今,讓人最為熟悉的自動化控制系統,不外是三大類,分別是數位訊號控制器(DSC)、可程式邏輯控制器(PLC),以及PC-Based控制器,其中又以PLC佔比最高;一般而言,PLC比較被定位在中大型或中型應用,擅於滿足離散式的邏輯控制應用需求,只要是講求穩定度且生命週期較長的產品,都很適合採用PLC。

包括KUKA 等等國際知名的機器人工廠,都紛紛利用軟體控制器發展工業機器人系統。來源:RobotWorx
至於PC-based控制器,則因為其開放架構及軟體開發之高彈性,被看好有能力與傳統的PLC一搏,甚至取而代之;儘管就實際發展態勢來看,迄今PC-based控制器仍未能完全取代PLC,但依舊備受期待。

PC-based控制器特別適合用以滿足複雜的控制需求,能夠整合諸如Motion、Vision等眾多設備元件,也可整合較大量的資料,此外與DSC或PLC有著顯著的差異,即是具有更大的彈性,可適時隨著需要而更改設計或擴充,而且支援更廣泛的通訊介面,也相對易於連網,與現今響徹雲霄的工業4.0、物聯網浪潮,可說十分契合。

舉例來說,如果製造企業想在產線增設機台、置入PC-based控制器,僅須拉線便可完成,對於製程運作不會形成太多干擾,既定的生產活動甚至無需停擺,回頭看DSC或PLC,則完全並非如此。無怪乎,現在不管談到CNC工具機、半導體組裝生產、LCD Panel生產與檢測、工廠自動化監控、電力監控等控制應用情境,對於PC-based控制器而言,皆有莫大的發揮空間。

綜觀PC-based控制器內涵,與其他系統類似,箇中都存在著硬體、軟體等兩大架構,在硬體部份,主要由CPU與I/O所構成,以I/O而論,乃是控制器與感測器(Sensor)、致動器(Actuator)之間的輸出入介面,包含類比輸出入、數位輸出入、影像訊號介面、馬達介面等等;至於軟體部份,則以作業系統為軸心,譬如Windows、Linux、VxWork、QNX等,而作業系統之所以重要,在於它足以牽動驅動程式(Driver)、函式庫(Library)、軟體開發工具等等所有軟體元件。

缺乏即時性  為PC-based控制技術的罩門

無論如何,即使PC-based控制器相關技術種類不在少數,但企業的選用原則,仍需取決於應用導向,而非技術導向,以利於順利開發出迎合市場與客戶需求的產品。

既然從表面上看來,PC-based控制器確實有著不小的利基,那麼為何遲遲無形對PLC完全取而代之,掌握絕對的大局?說到這裡,仍有必要再回頭看看PLC與PC-based控制器兩者的技術緣起與特色,探討箇中存在著哪些細微的差異。

以PLC而論,其源起於70年代,早期係以取代繼電器的角色現身,僅側重於順序控制功能,邏輯堪稱簡單,但即便如此,其所展現的高可靠性、低功耗、抗干擾、輕巧體積、直觀的程式設計模式(如梯形圖)等諸多特性,依舊帶給製造產業莫大的震撼與驚艷,很快的就扶搖直上,躍為自動控制領域的當紅炸子雞,特別在於客戶高度關切的可靠性部份,PLC挾著平均無故障率時間間隔(MTBF)長達50萬小時、甚至100萬小時的優異表現,自然能輕易獲得多數客戶的信賴與青睞。

PC-based控制器則擁有強大的運算能力,以及開放標準的系統平台、PCI介面,物美價廉CP值超高的顯示技術,多元化的網路組織能力,也有著豐沛的技術與應用開發人力資源,按理說,由工業電腦、I/O元件、監控裝置、控制網路所集結而成的自動化控制系統,理當不難完勝PLC才是,但它之所以未能成為工業自動化的當然主流,在於存在著一些相對缺點。

罩門之一,即使動用性能頂尖優異的工業電腦,MTBF仍與PLC相去甚遠;罩門之二,PC-based儘管具有愈來愈強大的CPU運算能力,只不過其多工作業系統是非即時的,故而在程式的迴圈週期方面,反倒沒有高效能的PLC來得快。這也正是近幾年Open PLC、可程式自動化控制器(PAC)趁勢崛起的因素所在,因為它們試圖在PLC及PC Based等自動控制系統之間截長補短,找到更理想的平衡點。

採用軟體控制器  省下軸控板建置成本

撇開前面提到的控制系統型態,現在有一種控制技術,也逐漸形成潮流,即是軟體控制器(Soft-Controller),舉凡ABB、KUKA等機器人大廠,都開始將此運用於機器人系統,作為驅動路徑規劃、運動規劃、運動學解算、插補運算之關鍵運動核心,以期增強產品競爭力。

不少人聽聞軟體控制器,自然而然會有直覺反應,認為它就是一種PC-Based控制器,但實情並非如此。同樣以機器人系統的開發情境為例,假使採用PC-Based控制器,其運動層的控制運算核心其實是裝設於工業電腦裡頭的軸卡,而軸卡的運算能力,來自於數位訊號處理器(DSP)、或微控制器(MCU)等晶片,主要理由在於,此類型運算單元才會具有即時性,反觀工業電腦乃至作業系統平台,相對欠缺的就是即時性,很難達到多軸控制下所需之高精度要求,譬如要在1 ms內完成即時插補運算,即為PC力有未逮之處。

在此前提下,PC(含CPU運算單元)在機器人控制系統當中所扮演的角色,充其量僅是用程式與圖形化人機介面的開發平台而已,至於運動核心,則是由軸卡裡頭的DSP或MCU負責。

因此對於機器人控制系統的開發者而言,如果採用PC-Based控制器,將會無可避免面臨幾個難題,首先由於需要配置MCU或DSP,再加上軸控板,因此將徒增硬體建構成本,基於預算考量,開發者只好儘量選用運算能力僅止於恰到好處的MCU或DSP晶片,並不會太強,容易導致控制器功能在於擴展性上備受限制。

其次,因為運動核心係撰寫於MCU或DSP,所以對應韌體程式碼的寫法,必須遵照MCU或DSP廠商所定義的規則,也容易在功能擴展性方面有所限制,而當開發者想採用新型號的晶片產品,或者更換晶片供應來源之際,就會面臨重大麻煩,只因為整個程式碼都需要重新撰寫,而且少不得還要費時進行測試,難免拖慢Time-to-Market進程。

假設以7軸雙臂機器人為例,開發者需要在其中安裝兩組7軸運動控制卡,且考量兩張軸卡之間必須做到即時同步運算,不容任何差池,所以被迫選用昂貴的高階MCU或DSP晶片,開發出足以同時控制14軸的控制器韌體,以便於滿足14軸運動控制功能,並對外連接14組馬達伺服驅動器,可謂浩大工程。

反觀軟體控制器,則是將PC-Based自動化控制系統當中,原本需要由軸卡上MCU或DSP晶片執行的運算任務,通通拉回PC來處理,再利用即時作業系統(Real-time Operating System;RTOS)來彌補即時性的缺陷;換句話說,奠基於軟體控制器的控制系統,所有的運算、包含運動層的控制運算,全都由工業電腦主機板上的CPU來執行,而CPU則同時運行兩套作業系統,一是諸如Windows等傳統非即時性的作業系統,另一便是RTOS。

顯而易的,倘若開發者採用軟體控制器,由CPU上的RTOS來執行運動控制程式,則相關程式碼的撰寫,就無需MCU或DSP晶片供應商所定義的規範,假使要提升效能,僅需換置內含更高階CPU的工業電腦即可,開發與擴充過程相對簡易許多。總而言之,隨著控制技術日趨精進,使得開發者更易於拓展應用彈性,充滿無限想像空間。

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關鍵字 
自動化控制數位訊號控制器(DSCs)可程式邏輯控制器(PLC)工業4.0(Industry 4.0)
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