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智慧制造趋势来袭 PLC角色仍将吃重
 

【作者: 王明德】2018年03月20日 星期二

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在制造系统中,控制技术始终是核心部件,即便现在诉求各种虚实整合、数位模拟等智慧化概念,最终运算结果仍是回到在系统的控制部分,差别只在於控制的灵活性与细腻度。


就控制技术来看,目前市场应用最广泛的智慧控制系统包括集散控制系统(DCS)和可编程式控制制器(PLC),其中DCS以其高度的可靠性、方便的组态软体、丰富的控制演算法、开放的联网能力等技术特点,成为电脑工业控制系统的主流。传统上DCS主要应用在电力、石化和化工、冶金等大型工业领域,近年来各大DCS也开始关注市政、环保等中小型应用市场,PLC则以其结构紧凑、功能简单、速度快、可靠性高、价格低等优点,迅速获得广泛应用,已成为与 DCS并驾齐驱的另一种主流工业控制系统。PLC主要应用於开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程式控制制、数据处理、通信及联网等领域。


DSC与PLC发展趋势

DCS系统现在已非单纯以控制功能为主的控制系统,而是充分发挥资讯管理功能的综合平台系统,DCS提供了从现场到设备,从设备到车间,从车间到工厂,从工厂到企业集团整个资讯通道,充分体现了资讯的全面性、准确性、即时性和系统性。


DCS的整合化落实在功能和产品两个方面,过去的DCS厂商基本上是以自主开发为主,受资讯技术(网路通讯技术、电脑硬体技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软体技术、数据库技术等)发展的影响,以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加,各DCS厂商纷纷提升DCS系统的技术水准,并不断地丰富其内容,目前集散控制系统(DCS)已经进入第4代。


第4代DCS更强调系统整合性和方案能力,DCS中除保留传统DCS所实现的过程式控制制功能之外,还整合了可编程式控制制器(PLC)、采集发送器(RTU)、现场总线控制系统(FCS)、各种多??路调节器、各种智慧采集或控制单元等,此外,DCS厂商不再把开发组态软体或制造各种硬体单元视为核心技术,而是对於DCS的各个组成部分采用第三方整合方式或OEM方式。例如,Foxboro用Wonderware软体为基础,Emerson用Intellution的软体平台作基础。



图1 : DCS系统现在已非单纯以控制功能为主的控制系统,而是充分发挥资讯管理功能的综合平台系统(Source: Furniture Production)
图1 : DCS系统现在已非单纯以控制功能为主的控制系统,而是充分发挥资讯管理功能的综合平台系统(Source: Furniture Production)

在PLC部分高速度、大容量、多品种及可编程自动化控制器则是未来发展方向,为了提高其处理能力,现在的PLC必须具有更好的响应速度和更大的储存容量,因此整体趋势是往高速度、大容量发展,目前PLC多用於中小规模应用领域,为了适应多种市场的需要,PLC将往多品种方向发展,特别是向超大型和超小型两个方向发展,现已有I/O点数达万点以上的超大型PLC,其使用32位微处理器,多CPU并行工作和大容量记忆体,功能强大;同时,满足市场需要、低成本、简易、配置灵活的超小型和微型PLC也是技术开发的方向之一。


可编程自动化控制器(PAC)是结合了PLC的可靠性以及PC强大的软体能力,具有更高性能的工业控制器,目前PAC产品已经被应用到冶金、化工、纺织、轨道交通、建筑、水处理、电力与能源、食品饮料、机器制造等诸多行业中。ARC公司预计,今後PAC的市场增长将高於PLC,同时当前正在使用的大多数小型和大型的PLC,以及一些微型PLC将会演变成PAC。


群雄分据PLC市场

在整体市场趋势中,目前市场区隔泾渭分明,外商占有中大型PLC市场,台商以小型PLC为主,欧美日等外商以大型PLC为主,具有强大的系统整合与专案规划能力,能够提出完整解决方案应用在不同的产业,比如Siemens、Rockwell自动化等,这类产品多搭配其他自动化产品,以专案方式导入至大型建设或大型厂务系统(如半导体产线)。


这类大型建设领域的「价格」并非优先考量,主要讲究品质与後续维修服务,让大型外商占到优势。台湾厂商打不进大型高阶产品的原因,在於这样的大型方案需要一定的品牌知名度作为担保,大型系统运作前都需要先投保,设备品牌会是保费计算的重要考量。



图2 : 重工业是PLC的重要应用领域之一,由於这类制造业产线复杂,所需的控制点多,因此多采大型PLC。(Source: AOL Jobs)
图2 : 重工业是PLC的重要应用领域之一,由於这类制造业产线复杂,所需的控制点多,因此多采大型PLC。(Source: AOL Jobs)

中阶PLC市场则包括机械设备、仓储运输、制造业整厂自动化等领域,主要应用多为非整厂输出的自动化系统与产业机械,产业机械意指特定制造业所需的机械,例如木工机、纺织机、包装机等,中阶以日系PLC市占率较高,尤其在产业机械OEM方面,日系厂商深根台湾市场,长久在地化服务效果颇隹。


小型PLC市场价格竞争激烈,一直以来都以台湾厂商产品为大宗,台湾厂商规模有限,无法提供一系列的自动化解决方案,所以多以单机PLC销售,属於小型PLC产品。各厂商的产品差异并不大,功能要求有相较为简单,台厂优势在价格低廉,主要应用於简单自动化、安全监控等领域,近年来部分中国厂商也抢进低阶PLC市场,虽然品质不如台厂,却也给予台厂竞争压力。


台商PLC以小型甚至微型PLC为优势市场,大型市场利润虽然较高,但长期以来外商卡位已久,台厂於此高阶市场并无优势,小型PLC的出货量大,以量计价之下整体市场也相当可观,且台厂在价格上仍有竞争优势,与多数外商价差可以差距到两倍,加上产品线简单,不需要耗费大量研发成本,PLC市场仍具一定跨入难度。


PLC四大技术趋势

在技术方面,PLC会有4大发展趋势,首先是程式语言部分,未来IEC 61131-3标准的图形式编程语言,将采用阶梯图(LD)及功能方块(FBD),在语文式编程语言方面,则采用指令(IL)及结构式文件编程语言(ST),此外顺序功能流程图(SFC)亦列为标准编程语言,美国也将IEC 61131-3订为NEMA标准。


第2部分则是扩充弹性,PLC组成已由整体式结构趋向於模组式发展,用户可根据不同需求加以组合,并可随时选购所须特殊功能模组,或即时更新故障模组,故扩充时具相当弹性。



图3 : 随着消费性市场的改变,现在生产线除了速度要求外,快速换料换线也是重点设计。(Source: Redpoint Positioning)
图3 : 随着消费性市场的改变,现在生产线除了速度要求外,快速换料换线也是重点设计。(Source: Redpoint Positioning)

第3是通讯技术,包括数据传输、处理与通讯网路的建立,数据传输、处理与系统监控部分,为因应自动化及弹性制造需求,必须提升PLC与PC间之网路通讯速度及功能,目前已采用光纤作为传输媒体,以满足远端(Remote)I/O模组控制。PLC经由通讯或连结模组,可使数据在PLC、PC或CNC之间互相传输并作进一步处理,以充分达成系统分散控制、线上即时(online,Realtime)之集中监控目的,通讯协定制定与通讯网路方面,通讯协定通统一规范为IEC 61131-5,此外用於连结不同厂牌PLC以构成区域性网路(LAN)之MAP也逐渐受到制造厂商重视。


最後是功能强化与应用指令的易用性,半导体及微处理器技术的精进,让PLC的发展趋於两极化,小型PLC朝轻、薄、短、小方向发展,并增加大量应用指令。中、大PLC则逐渐使用32或64位元微处理器、多重CPU及大容量记忆体,使扫瞄速度更为快速,数学运算、数据处理与网路通讯等功能大为增强,应用指令在使用上更为方便。


观察整体趋势,在制造业的自动化乃至於智慧化趋势中,PLC凭藉其稳定特色,未来仍将占有一席之地,至於受业界质疑的通讯问题,在PLC厂商的大幅改善下,其问题仍然可以克服,就此来看,PLC在制造系统角色仍将持续吃重。


刊头图片(Source:Siemens)


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