主控單元智能制造的大腦

智造單元是構(gòu)建智慧工廠(chǎng)的最小化基本單元，而智造單元的核心是則其主控單元，相當(dāng)于智造單元的大腦，賦予了智造單元數(shù)據(jù)采集管理、設(shè)備監(jiān)控調(diào)度、遠(yuǎn)程通訊、智能決策乃至AI智能化演進(jìn)的能力。從傳統(tǒng)的自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)到面向未來(lái)的智造單元，作為其大腦的控制器，也迭代出了PLC、IPC、PAC等多種形式，而面對(duì)紛繁復(fù)雜的智能化項(xiàng)目需求，對(duì)于控制器的選擇，項(xiàng)目管理者也往往頗為糾結(jié)，小編就根據(jù)不同控制器的特點(diǎn)為大家一一解惑。首先讓我們先來(lái)了解PLC、IPC、PAC的技術(shù)特點(diǎn)及功能。

PLC

PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器，主要集中在對(duì)邏輯的控制， 在與多個(gè)點(diǎn)位的控制。在單體的設(shè)備，如入門(mén)及的點(diǎn)膠機(jī)、包裝機(jī)及產(chǎn)線(xiàn)控制等多部分是用PLC。從CPU算力的要求來(lái)說(shuō)，計(jì)算量并不多，大部分基于MCU或者ARM來(lái)設(shè)計(jì)而成。當(dāng)計(jì)算力不夠時(shí)會(huì)增加DSP，接口不豐富的時(shí)候會(huì)增加FPGA來(lái)做。

PLC性能依賴(lài)于專(zhuān)用硬件，應(yīng)用程序的執(zhí)行是依靠專(zhuān)用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，因硬件的非通用性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的功能前景和開(kāi)放性受到限制，由于是專(zhuān)用操作系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)性、可靠性與功能都無(wú)法與通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，這樣導(dǎo)致了PLC整體性能的專(zhuān)用性和封閉性。由于PLC的用戶(hù)應(yīng)用程序執(zhí)行是通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的，所以我們?cè)谑袌?chǎng)上看到的多是專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用，復(fù)用性并不多。在3C產(chǎn)品線(xiàn)生產(chǎn)中，我們就看到了所生產(chǎn)的產(chǎn)品周期接收后，這PLC也就隨之收倉(cāng)入庫(kù)，做資產(chǎn)報(bào)廢。 早先PLC其顯著的特點(diǎn)是有IO接線(xiàn)點(diǎn)，大部分甚至沒(méi)有網(wǎng)線(xiàn)的接口。如下圖所示，但在專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用上非常適合。

IPC

IPC ( industrial Personal Computer) 業(yè)內(nèi)多翻譯為工控機(jī)( IP CAMERA網(wǎng)路攝像機(jī)也是IPC的常見(jiàn)縮寫(xiě)，不在本文討論范圍) 但工控機(jī)，其實(shí)不準(zhǔn)確，應(yīng)該為行業(yè)計(jì)算機(jī)。其廣泛的適用在非家庭個(gè)人環(huán)境下的計(jì)算機(jī)，比如工廠(chǎng)的一體機(jī)、抬頭屏，在不影響生產(chǎn)的時(shí)候適用的PC，可以適用IPC。 但在核心的工廠(chǎng)控制領(lǐng)域，很多時(shí)候不能用到這類(lèi)機(jī)型。其對(duì)靠性、穩(wěn)定性、電性參數(shù)要求更高。雖然從外形上有幾分相似， 但在接口處理、物理接線(xiàn)上以及軟件的要求上都有了質(zhì)的不同。

PAC

PAC (Programmable Automation Controller)可編程自動(dòng)化控制器，其不單有邏輯控制，同時(shí)也會(huì)側(cè)重于運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)不同工業(yè)總線(xiàn)接口連接運(yùn)動(dòng)單元，由此是面向更為復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備而來(lái)的產(chǎn)品，如半導(dǎo)體設(shè)備、高速印刷設(shè)備、3D打印設(shè)備等等。 從CPU的算力要求來(lái)說(shuō)，計(jì)算量更為復(fù)雜，有浮點(diǎn)運(yùn)算的需求，非常多的高端設(shè)備多使用PAC設(shè)計(jì)。從計(jì)算核心架構(gòu)來(lái)看由于開(kāi)放性多采用x86的架構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，同時(shí)也因?yàn)楦咝阅墚a(chǎn)品會(huì)使用到FPGA等。

相比較PLC使用的PID控制算法在PLC的硬件架構(gòu)下并未最佳化，在現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)控制，其復(fù)雜的算法要求下，需要強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算處理器，也需要大量的內(nèi)存，PAC平臺(tái)可以同時(shí)提供這兩項(xiàng)資源。工程師必須將其控制算法最佳化，使它不只是簡(jiǎn)單的PID控制。

在工業(yè)設(shè)備復(fù)用的時(shí)候發(fā)揮了很大的作用。PAC的性能是基于其輕便控制引擎，標(biāo)準(zhǔn)、通用、開(kāi)放的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，高性能計(jì)算硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于開(kāi)放及柔性化，也就奠定了未來(lái)在”軟件定義生產(chǎn)中” 提供了夯實(shí)的基礎(chǔ)。

以關(guān)維科技的UMC-900智能控制器為例，采用英特爾高性能處理器，強(qiáng)大的通訊能力，支持OPC-UA、EtherCAT及Modubus TCP等多種通信協(xié)議。支持IEC6113編程規(guī)范，統(tǒng)一編程調(diào)試平臺(tái)。支持EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制及IO模塊擴(kuò)展，EtherCAT周期1ms時(shí)，最大總線(xiàn)運(yùn)算速度可帶128軸，實(shí)時(shí)抖動(dòng)20us。三網(wǎng)口設(shè)計(jì)，其中兩個(gè)EtherCAT口雙EtherCAT主站可實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)優(yōu)先級(jí)獨(dú)立控制，滿(mǎn)足多樣化需求。同時(shí)支持機(jī)械手、CNC，電子凸輪、機(jī)器人等豐富的總線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能。

從這個(gè)產(chǎn)品案例中我們可以看到，PAC尤其是高實(shí)時(shí)高算力的PAC，其應(yīng)用領(lǐng)域較PLC及IPC更加廣泛且專(zhuān)業(yè)度更強(qiáng)，尤其特別適合各種高精高性能機(jī)械自動(dòng)化裝備行業(yè)的需求，如：光伏、鋰電、儲(chǔ)能、半導(dǎo)體、包裝物流、機(jī)器人、特種機(jī)床等高端自動(dòng)化設(shè)備。

同是控制器 PLC，IPC ， PAC****該怎么選？

從PLC，PAC, IPC的實(shí)現(xiàn)難度來(lái)說(shuō)，PLC產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)要求既要了解硬件，同時(shí)也需要對(duì)工業(yè)嵌入式軟件有深度的沉淀。通常完成的大部分是嵌入式工程師。 面向的是單一的行業(yè)需求，有非常多本土公司都實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。 其附帶有不開(kāi)放的應(yīng)用軟件編程， 在專(zhuān)機(jī)的自動(dòng)化設(shè)備內(nèi)廣泛應(yīng)用。

IPC產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)在目前來(lái)看，是相比較是最容易實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品。但如果在核心設(shè)備上使用的話(huà)，對(duì)于后續(xù)的糾錯(cuò)成本非常的高，大部分是安裝window系統(tǒng)，無(wú)任何的軟件附帶。

PAC產(chǎn)品由于它的開(kāi)放性，良好的適用性，實(shí)現(xiàn)要求比較高，既要有硬件，同時(shí)又需要有BIOS、RTOS工業(yè)應(yīng)用軟件及非常好的項(xiàng)目管理能力的沉淀.， 才是完成適用于多種工業(yè)設(shè)備下的PAC產(chǎn)品設(shè)計(jì)。其所附帶開(kāi)放型的應(yīng)用軟件編程，在高級(jí)的制造設(shè)備內(nèi)廣泛應(yīng)用，目前主要還是以進(jìn)口為主。

PLC、PAC和IPC之間如何選擇，還是有很多因素需要考慮，例如預(yù)算、規(guī)模大小、支持度、復(fù)雜程度以及未來(lái)的擴(kuò)展性。

從 工廠(chǎng)環(huán)境下適用的范圍來(lái)說(shuō) ，在不影響生產(chǎn)的時(shí)候，或者說(shuō)可以接收多次設(shè)備重啟的情形下，計(jì)算設(shè)備 可以使用IPC 。

在可能影響生產(chǎn)速度及質(zhì)量的時(shí)候，其設(shè)備 使用PLC或者PAC 。

如果對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)多是邏輯控制的時(shí)候， 使用PLC 。

從自動(dòng)化程度考慮 ，對(duì)于自動(dòng)化程度高，可靠性高的情況下(如半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備, 工業(yè)印刷機(jī)等)， 使用PAC產(chǎn)品 。

較為簡(jiǎn)單的方法就是，看你所需要控制的電機(jī)軸數(shù)， 低于8個(gè)軸的 ， 多用PLC ， 超過(guò)16個(gè)軸的用PAC 。

雖然通過(guò)多個(gè)PLC去實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，后期維護(hù)的時(shí)候就一臺(tái)PAC，相對(duì)簡(jiǎn)單，但多PLC更為復(fù)雜，PAC產(chǎn)品雖然簡(jiǎn)單易用好維護(hù)，但對(duì)電氣工程師軟件能力要求非常的高。

結(jié)后語(yǔ)

除了傳統(tǒng)的PLC、PAC及IPC控制器，隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，邊緣可編程工業(yè)控制器逐步在智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大影響。下一期，我們就來(lái)重點(diǎn)聊聊邊緣計(jì)算控制器有可以實(shí)現(xiàn)哪些堪稱(chēng)神奇的智能控制。

審核編輯 黃宇