軟體運動控制成業界新選項
因應智慧製造趨勢
 
【作者： 王明德】   2020年04月29日 星期三
 
既有軸卡式運動控制的精準度高、商業模式也已成熟，仍會是製造業的主流選擇，軟體運動控制雖然仍處觀察期，不過其高彈性與相容性特色也為智慧製造系統所需，未來將持續存在，成為市場應用的多元選項之一。
 
運動控制是自動化系統的基礎，近年來因應工業4.0所掀起的智慧化浪潮，若要成功落實在製造業中，精準的控制技術將是系統能否穩定運作的關鍵因素。在自動化領域中，運動控制技術發展已久，目前市場的主流作法是以硬體卡控制馬達，其精準度早已獲得市場驗證，不過由於運動控制架構的控制核心，目前多為全球大廠掌握，導致使用企業的自動化系統架構受制於人，近年來有廠商推出軟體運動控制，此架構透過工業電腦與RTOS的軟硬結合，打造出高彈性與高即時性的控制平台。
 
多元處理器迎來開放式架構時代
 
目前自動化市場所採用的運動控制架構，是以CPU作為運算核心，再以運動控制卡負責處理運動控制訊號，用以分散CPU的運算負載。後來DSP與FPGA兩種運算技術開始被應用到運動控制領域中，開啟了開放式運動控制時代，與SoC、微處理器、ASIC相較，DSP與FPGA不但效能相當，而且更具彈性。
 
其中DSP由於資料處理能力強大，即便在複雜的控制環境中，依然可取得極小採樣周期，且其即時運算效能可進行複雜運動學、動力學運算，在誤差補償、運動規劃與高速即時多軸插補方面的表現相當出色，在此特色下，運動控制的動作可更平穩、精準、快速，因此其應用相當廣泛。
 
至於FPGA的優勢則在於可程式特色，設計者可依本身需求改變電路組態，除了適用於有變更設計需求的產品外，產品數量不多或開發期偏短者也可採用FPGA，藉此加速產品上市時程、降低開發成本，而在此類運算核心下，軟體運動控制技術也有了發揮的空間。
 
與現行的軸卡控制技術相較，軟體運動控制的發展歷史較短，廠商坦言，目前市場接受度仍有限，不過自動化技術多應用於企業運作系統。在此類系統中，穩定度向來是第一要求，除非既有技術出現重大缺陷才有機會更換，否則自動化市場對於新技術的觀察期一直都較長，而觀察產業現況，傳統軸卡並未出現需要立即更換的缺陷，軟體運動控制的導入觸因也未發生，因此過去一段時間，市場仍未出現大幅成長。
 
軟體運動控制兼具即時與高彈性特色
 
即便發展不如預期，軟體運動控制廠商還是看好此技術的未來潛力。製造業向來是各國的經濟主力，作為全球製造重鎮，台灣業者也致力打造產業供應鏈，不過在整體佈局中，控制器仍是台灣廠商力有未逮的關鍵零組件。由於控制器需以深厚的自動化技術為基礎，而此技術現在都掌握在西門子、三菱、發那科等全球大廠手中，台廠在此的實力有限，自製的控制器產品相當少，因此在這方面過去往往受制於人。
 
雖然在傳統的自動化技術跟大廠有一段距離，不過這不代表無法可解，如果將高運算效能工業電腦與高即時性RTOS加以整合，不但可打造出足以媲美自動化大廠的控制器，而且其高彈性更適合應用於工業4.0時代所需的製造系統。
 
軟體運動控制的作法，是整合具備高度開放特色的PC Based軟硬體，使用者不須加裝運動控制卡或影像擷取卡，只要安裝軟體，就可在市場上已有的工業電腦上運行機器視覺與運動控制。至於在作業系統與通訊協定部分，此類系統會採用RTOS與EtherCAT，以滿足自動化系統所需的即時性與高彈性。
 
RTOS解決了過去PC Based控制器為市場詬病的即時性問題，其精準的循環時間，讓工業電腦達到與全球大廠的控制器相同效益。至於EtherCAT則是近幾年市場最熱門的工業通訊標準之一，目前各大廠商紛紛推出支援此一標準的產品，因此選用EtherCAT的運動控制架構，可以避免過去不同工業廠牌產品之間難以相容的問題。
 
EtherCAT由德國自動化大廠Beckhoff制定，主張藉由軟體控制器技術，搭配單一線路，用以取代傳統控制器硬體及複雜佈線結構，由於Beckhoff角色相對於一干大廠更顯中立，較不涉及商場間利益衝突問題，輔以協定深具資料同步過程的訊號抖動量低、資訊傳輸延遲時間低，及硬體成本低等諸多優勢，確實甚具誘因，遂讓全世界眾多廠商趨之若鶩，群起加入支援行列，相關產品相繼問市，影響所及，也一步步將EtherCAT推向主流地位。
 
這幾年、美、日與台灣各大工業電腦供應商都陸續端出EtherCAT解決方案，包括研華、凌華、新漢、台達電…等，都有相關布局，這幾年的自動化大展，各廠商皆推出EtherCAT產品，成長也逐漸加速，主要原因在於ETG協會開放技術給會員，目前全球會員與產品數量都快速增加，再加上EtherCAT有快速、多軸同步性高、可控制從端數量多等特色，熱潮從歐美市場逐漸進入亞洲。
 
滿足工業4.0數位需求
 
除了高效能與高彈性之外，PC Based也為軟體運動控制帶來另一優勢，此一優勢在工業4.0所帶來的數位化革命中尤為明顯。工業4.0核心訴求是讓製造資訊的價值最大化，要達到此願景，就必須連結工廠內的OT與企業中的IT兩大系統，讓OT系統的數據得以無縫傳送到IT系統中，加以儲存、分析，並讓資訊以可視化方式呈現在使用者面前，藉此提升管理效益。
 
此一機制的第一步，是先擷取機台運作數據，而目前軸卡式運動控制的作法，必須先在底層建置感測器，取得上述數據後，再傳送至上層平台，這種疊床架屋的架構過於複雜，不僅會拖長導入期，複雜架構也會影響系統運作的穩定性，而軟體運動控制原本就可即時記錄，因此架構會更為簡潔，穩定性也會更高。
 
觀察市場發展趨勢，既有的軸卡式運動控制，不但精準度高，而且商業模式早已成熟，因此仍會是製造業的主流選擇，至於軟體運動控制雖然仍處觀察期，不過其高彈性與相容性特色也為智慧製造系統所需，因此市場人士認為，此技術未來將持續存在，成為市場應用的多元選項之一。
 
 
原文連結》http://www.ctimes.com.tw/DispArt/tw/軟體運動控制/智慧製造/2004291138YP.shtml