提升 PLC 系統：FPGA 程式設計
- 李佳玲
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過去數十年來，PLC 透過穩定且離散的邏輯/簡易類比I/O，控制大多數的生產與自動化系統。雖然許多工業級應用均可利用這些功能，但目前的工業機器均試圖進一步整合傳統PLC的效能。身為自動化系統工程師，您絕對碰過下列問題：控制迴圈的執行速度不足，或感測器/致動器的客制化數位介面無法支援傳統 PLC。 NI可程式化自動控制器(PAC)的核心–創新的FPGA晶片，可同時滿足上述2個需求以及您更多功能需求。
可程式化邏輯控制器(PLC)，為工業級製程控制與自動化應用的心臟。PLC穩定、價格低廉、簡單易用，且已成功運作數年。其離散式的類比與數位I/O功能，可於數百個赫茲的範圍中關閉控制迴圈，可滿足多種應用的需求。但可惜的是，並非所有應用均可滿足這些限制。在許多新的機器建置方式之中，均必須以創新架構搭配高效能控制器。NI CompactRIO即屬於PAC，整合電腦的Real-Time運算功能，還有FPGA的穩定度與彈性。RIO架構部分中的FPGA，共有3個超越傳統控制系統的重要優勢：高效能平行處理、客制化硬體彈性，與硬體邏輯的穩定度。
執行如無刷DC馬達磁場導向控制(FOC)的高階演算法時，即可降低耗電量並提高元件的使用壽命。這些控制演算法雖然可提高機器的效率，但若於PLC上執行時，卻往往佔用過多運算功能。舉例來說，FOC控制器必須以10~100 kHz的速率，連續運算向量控制演算法。而在控制演算法執行時，亦必須同時執行額外的功能元件組塊(IP)–如高速PWM輸出，且不能影響控制演算法的時序。透過FPGA本身的平行架構，則可達到最高數百個kHz的迴圈速率以執行控制演算法，另有餘力可處理多重軸線的控制演算法、人機介面(HMI)的資料通訊，或可銜接主要的微控制器。除此之外，FPGA亦具備可重設的特性，隨時依需要調整控制演算法。
在考慮為PLC系統新增FPGA架構的PAC時，高階/高速的控制演算法並非唯一考量要點。其實亦可使用可程式化FPGA建置客制化邏輯，用於時序、觸發，或通訊協定，可溝通幾乎所有的感測器/致動器。以傳動機器為例，使用者可監控/分析機器振動的強度與頻率，以了解軸承、齒輪，或其他機械元件的狀態。由於CompactRIO上的FPGA是特別置於I/O模組與高階Real-Time控制器之間，因此可依需要重新取樣、篩選，或預先處理I/O資料，藉以減少資料量並降低處理器的負載。針對客制化數位通訊協定，FPGA亦可銜接PAC與任何感測器。
最後，因為在FPGA上的邏輯，均是直接編譯至硬體電路中，所以其穩定性相等於直接連至控制系統的實體邏輯閘。針對作業系統架構的控制器，FPGA並非記憶體洩漏、多執行緒優先順序錯亂，或其他問題的主要原因。若安全邏輯或激發/響應邏輯必須達到亞微秒 (Submicrosecond)的反應時間，即可利用FPGA。
玻利維亞(Bolivia)的C L Consulting SPRL公司，必須改良歐洲區軋鋼機的生產過程，避免產線前端在焊接金屬薄板時損壞。焊接薄板必須連續作業，而發生瑕疵的焊接可能損壞軋鋼機，且更換零件的過程可停機最長72小時。當然，在這種軋鋼作業中，絕對需要自動化焊接程序以確保品質。
C L Consulting SPRL並選擇CompactRIO做為焊接控制器。該公司並透過FPGA快速控制電阻焊接機與油壓鉗。在此作業中，必須透過電網同步化電阻焊接機中的電流，僅限輸入電流波形發生過零(Zero crossing)時，才會開啟/關閉焊接機；否則可能損壞閘流體並影響一般電網。C L Consulting SPRL亦針對流入的電力訊號，以FPGA架構的濾波器同步化焊接機，且達10 ns之內的正確切換時間，進而去除公司電網上的高頻率諧波與干擾。
C L Consulting SPRL的新型控制系統，可將舊型系統約2%金屬焊接斷裂情形，透過CompactRIO降低至0.05%，而大幅提升了產能。NI所提供的軟、硬體工具，將協助您整合PLC架構的自動化系統，進一步提升效率、降低能源、維護成本，並保有傑出的競爭力。(本文由美商國家儀器股份有限公司提供，記者李佳玲整理)
