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工業4.0催化轉型 驅動PLC智慧變革
 

【作者: 王明德】   2019年09月11日 星期三

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自從蒸汽機發明,推動第一次工業革命後,全球製造界快速起飛,之後又連續出現幾次的工業技術變革,包括電力進入生產設備,取代過去的機械力、福特汽車創立的流水線生產模式,讓工廠量產成為常態,



圖1 :  工業4.0是製造業近年來最重要的趨勢,在智慧化需求下,PLC也必須與時俱進,啟動新一波轉型。(source:SIEMENS)
圖1 : 工業4.0是製造業近年來最重要的趨勢,在智慧化需求下,PLC也必須與時俱進,啟動新一波轉型。(source:SIEMENS)

而1969年的PLC被發明出來,則被視為現代化工業控制技術的里程碑,1970年後,微處理技術被導入PLC中,PLC從此具備了運算與數位訊號的輸出入,並可以階梯圖做為程式編寫,經過各自動化大廠的不斷改良,PLC架構一路應用至今,成為現在製造現場中最穩定的設備,不過面對近年來的工業4.0浪潮,PLC也必須與時俱進、再次進化。


從近幾年的演化過程來看,半導體技術的精進與導入,是PLC效能提升的關鍵,半導體技術帶動了CPU的快速發展,摩爾定律的屢屢實現,讓運算速度以幾何速度成長,而運算速度的加快且價格不斷下跌,讓PLC廠商有了比以往更佳的運算核心選擇。


半導體技術強化PLC效能

由於PLC的程式邏輯是透過CPU掃描執行用戶程式,如果一個邏輯線圈被接通或斷開,該線圈的所有接點並不會立即動作,必須等掃描到該接點時才會動作,因此在大型PLC上,高速的CPU有其價值。



圖2 :  運動控制是PLC的重要應用。(攝影/王明德)
圖2 : 運動控制是PLC的重要應用。(攝影/王明德)

此外,在PLC的CPU掃描後,CPU會擷取所有輸入點的訊號先暫存在記憶體中,隨後執行程式邏輯運算時,直接取用輸入訊號暫存區內的資料做判斷,而非即時從現場擷取訊號。同樣的,要輸出的控制訊號也不是產生一個就輸出一個,而是先存放在記憶體中的輸出訊號暫存區,掃描周期結束時再將訊號集中輸出,因此除了CPU外,記憶體對PLC而言也相當重要,以往PLC多採用EPROM或EEPROM作為可程式記憶體,在快閃記憶體大量普及後,PLC的元件價格不但更低廉,而且也進一步強化效能。


除了運算功能,半導體技術也讓PLC增加更多的可能性,以往PLC多只負責單純的控制,在高速CPU的加持下,類比訊號處理、閉環控制、網路通訊或高速I/O等,單顆CPU即可解決,不必再像以往,必須內建特殊功能模組來完成。單一強大效能的CPU,降低了PLC的架構複雜度,大幅提升了穩定性與運作速度,同時也縮小了PLC的外觀體積,當然連帶也降低了成本。


經過現在半導體技術加持過的PLC,不再只侷限於傳統的開環順序控制領域,而能比較廣泛應用於閉環的製程控制中,隨著擴充性與通訊能力的提高,PLC已經成為各種複雜的分散式控制系統的重要組成部分。


不過在此需要一提的是,儘管PLC的效能提升了一個層次,這類強大效能CPU多只應用於大型PLC上,中小型PLC由於應用領域不需複雜控制,對運算速度的要求也不高,高效運算核心並不見得實用。


而大型PLC多必須與整體自動化系統搭配,只屬於整體系統的一部分,一部份零配件效能的大幅提升,未必是整體系統的同等提升,必須有其他周邊零配件的支援才會有效果,因此使用者必須從整體系統面來評估,才不會陷入見樹不見林的盲點。


PC Based與PLC各擅勝場

不過,半導體技術的受益者並不只有PLC,過去以消費性市場與商用領域為主的PC Based,在相容性與運算效能優勢下,也開始將應用目標指向工業控制,經過將近10年的競爭,PLC以穩定優勢持續成為工業市場的控制器主流,但PC Based也非戰敗的一方,在製造現場仍以一定比例存在。


近年來工業4.0概念興起,此概念要求IT與OT系統全面整合,PC Based控制器本就是IT架構,相容性更勝PLC一籌,因此近年來聲勢再起,就目前市場狀態來看,以PLC為主的歐洲的西門子、施耐德,美國的洛克威爾、艾默生、日本三菱等大型自動化廠商,都搭配本身的智慧化策略,讓旗下PLC持續進化,工業電腦廠商更是善用PC Based的相容性與高運算優勢,快速與周邊技術整合,針對不同應用推出對應的產品,進一步強化產品線。



圖3 : 隨著智慧製造的落地,PLC與其他技術的整合需求快速浮現。(攝影/王明德)
圖3 : 隨著智慧製造的落地,PLC與其他技術的整合需求快速浮現。(攝影/王明德)

從近年來的市場狀態來看,工業電腦廠商對工業4.0、智慧製造與企業聯網等同類型議題的操作,不亞於全球自動化大廠,尤其是與企業上層IT系統整合更是不遺餘力,不過這一切並非起始於這波智慧製造趨勢,在PC Based進入工業領域之初,整合就已經開始。


工業電腦在2000年啟動時,發展了一段時間的IT系統也開始步入成長期,在製造業,為了有效整合與管理製造現場資訊,ERP、MES等軟體系統陸續出現在企業管理者的電腦中,再加上工廠新的自動化設備出現,如視覺檢測、高速擷取資料、資料統計分析、快速定位等,這些軟硬體均為PC Based,在此情況下,工業電腦廠商開始思考PC Based控制器與各類IT軟體平台的整合性。


PC Based問世後,引起機電市場的一陣矚目,PC Based控制器廠商號稱此類產品功能強、周邊技術支援多、相容性佳,與管理層的管理軟體可以輕鬆互連,不過PC Based控制器的不穩定,終究將使它在工業環境的發展受到限制。


PC技術的不穩定眾所皆知,以辦公室的使用經驗,光是無預警當機,就常讓未及時存檔的使用者跳腳,更何況在製造流程中,設備若忽然停擺,不但有可能造成原物料半成品報廢、延宕交期,部份高危險產業如核電廠,更可能造成重大公安意外。


雖然工業電腦廠商一再宣稱,已針對PC Based控制器的不穩定問題進行改善,不過這未必能說服既定印象已深的製造業者,至少就後來發展來看,PC Based控制器在製造業,並未獲致工業電腦廠商當初號稱的成果。


PC Based控制器發展至今,雖未能全面攻佔PLC地盤,不過也已切割出另一領域,尤其是在單純的加工環境,如實驗室、半導體前段製程、替代某一部分CNC工具機、中央監控系統等。


就現況來看,PC Based控制器與PLC已共存於市場,一套自動化系統中,不太可能像以往只選擇使用PLC作為控制核心,而是兩者均用,在單純控制以PLC為主,若有分析資料、網路、統計等需求,則由PC Based 控制器負責,兩者在一套大型系統中的應用比例約為7(PLC):3(PC Based)。


到了2003年,PC Based控制器化身為PAC再次挑戰PLC,雖然部份PLC廠商認為這是換湯不換藥,不過這次的PAC來勢洶洶,不但有ARC背書,多數老牌PLC大廠開始正視此一技術,後來自動化大廠GE甚至還宣佈將全轉向生產PAC。


PAC的外觀與PLC相同,不過可以外接螢幕與鍵盤來使用,這次的PAC強化了穩定性,以往容易造成當機的風扇、硬碟,都被以無風扇設計與Flash取代,在市場對高度整合的需求,以及資訊技術成熟的影響下,促成PAC控制器興起。


不過即便PAC在功能與硬體規格上,遠勝於PLC,但市場接受度仍舊不及PLC,主要原因在於工業生產高度重視穩定性,而使用者普遍認為PLC穩定度大於PAC,這不是控制器品質的問題,而是因為PLC已有50年的歷史,早就建立起口碑,使用習慣加上品質穩定兩項優勢,讓PLC面臨兩次挑戰而不失市場,這次的工業4.0浪潮,PLC的架構雖難以變動,自動化大廠也紛紛投入資源強化自身產線的智慧化設計,透過雲端與通訊的優化,PLC也將會有另一波變革。


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