工業自動化、智慧化控制系統之發展方向
- DIGITIMES企劃
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PLC出現以前，在自動化控制上，必須要使用成百上千的繼電器與計數器，才能組成具有相同功能的自動化系統；1969年代PLC被通用汽車使用以來，至今已接近半世紀，這半世紀以來，PLC始終站穩控制系統的核心，即便近年因PC技術提升，PC Based規格控制器被設計出來，也只能與PLC分庭抗禮，但接下來，工業控制會走到什麼地方呢？
美國通用汽車公司在1968年公開招標，要求設計新的控制設備以取代繼電器控制裝置，隔年美國數字設備公司(DEC)研製出第一台PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用成功，自此開啟了PLC的自動化之路。時至今日，PLC在自動化控制系統中，仍有難以取代的地位，即便歐美大廠如西門子、GE等均投入發展相關系統，仍卻持續不斷精進PLC產品，維持市場的佔有率。
任何技術的發展都有其內在的驅動力，產生於客戶和終端市場的需求，對於工業控制尤其如此，從繼電器邏輯到PLC是一個巨大的革命，這使得機器和裝置控制真正邁入電氣時代；在1990年代，基於總線的控制器使得分散式控制成為現實，並且也產生了匯流排之爭。隨著乙太網技術在各個領域的成功應用，其低廉的成本和廣泛的應用，也使得其成為工業領域最為快速發展的技術。
目前自動化已經不能僅是單純的討論單一的產品，而是必須以控制器為核心，進行軟硬體平台的整合，從現場控制器的配置、相關生產資訊的蒐集、管理，一直到後台與企業管理端的平台進行整合，都是在自動化規劃時必需要考量的部分，如此才能協助使用者降低待機、開發與整合系統的時間，做到自動化真正可以達到的效益。
但工廠自動化架構不只要整合現場層與控制層，另還需向上擴增至操作與管理層。像是企業資源規劃系統(ERP)、生產製造執行系統(MES)等架構，都要能彼此互相連接溝通生產設備與管理資訊，這對企業來說，無需額外的工業硬體元件來進行轉換，減輕負擔後自然成為首選。
PLC變得更為強大，即使面對PC的競爭，今天，PLC仍然是主流的控制器應用，這樣的趨勢，也造成PLC的變形。這樣的變形來自於兩個需求，一方面是由於產線複雜化，資料蒐集、整合及可視化成為一項挑戰，同樣的由於複雜化需求，PLC必須處理更為繁多的資訊及控制工作，核心的「強大化」需求也成為一個必要的發展面向。
Smart Machine
因應可視化的變形，首先就是PLC與HMI的整合。以傳統觀點來看，PLC屬於系統控制的核心，其使用狀況的「即時掌握」在產線上可說是必要要求，但由於PLC沒有介面可以直接觀察其應用狀況，過去均必須要透過外接PC或HMI才能與設備進行溝通，整合HMI與PLC的產品將成為市場的主要趨勢之一。
由於PLC以「控制」為核心，講求的是「穩定」、「速度」與「重覆性」，整合了HMI的PLC不但可以讓系統可以即時偵知，直線連結的資訊也減少了轉換的風險。有愈來愈多的廠商因應這項趨勢做出設計，顯示「資訊可視化」的要求已然成為主流；由於過去在資訊蒐集整合上，必須靠DCS來進行整合，整合HMI的PLC基本上可視為小型的DCS，讓系統的資訊整合進一步提升。
此外，在近年自動化趨勢逐漸開始重視機台的智慧化，尤其是可以自我檢測其零件壽命與效能的Smart Machine浮現檯面，這類需求主要來自於生產線大量使用或是不能出錯的大型機具上。由於這類生產線對產能與人身安全有諸多要求，對於設備的狀況監控(MCM)存在較高的要求，也形成另一層面的挑戰。
由於IT技術帶給工業生產資料庫、資訊傳輸等技術的發展，讓生產系統的能力得以優化，通過對基礎生產資料的採集來分析生產流程的整體狀況，使得工廠不再是由單一機器構成，而是整合成為一個整體，因此必須對其進行全局的資料整合降低生產成本、消除浪費，以提升整體工廠運營效率。
PLC作為裝置的控制中心，必須能夠回饋更多的資料給管理系統進行決策，這使得PLC在今天被賦予更多的任務，而傳統PLC的設計則無法勝任這一需求，因此，新一代的PLC逐漸開始將PC資源整併於其中。B&R所稱的PCC，一般廠商所稱的PAC設備，即是因應此需求而生的產品。
相較於PLC，PAC應用的軟體可規畫較為複雜的控制應用，同時可整合前述包括視覺及MCM的技術。此外，相較於IPC設備，PAC的優勢則在於其分散式的架構及整合性較高的結構，PAC可達成IPC的所有應用規劃，但PAC更為堅固與整合耐用，因此其價值將會呈現在更為複雜而彈性的整合性應用；至於較為單純的運動控制應用，PAC的應用需求就存在於機台是否有必要導入MCM的規畫，像是部分傳統產業應用雖然較為單純，但透過MCM的整合亦可延長機台的壽命，此時導入PAC架構也是合適的。
嵌入式系統的機會？
除了PLC，另一部分要談的，就是嵌入式系統。以工業自動化為中心，嵌入式系統的發展，的確存在相當的重要性。這類應用領域，往往是空間散熱不易、機構設計必須堅固的系統，像是工業自動控制、量測儀器、網路系統、安全監控系統、收售票系統、智慧型運輸系統(ITS)、及軍工規系統等，這類產品多要求低功耗、整合式設計及適合嚴苛環境應用，這類均是RISC架構的專長，可以說RISC架構系統與嵌入式系統的發展，具有相當密切的關係。
由於嵌入式系統著重客製化的彈性設計與應用，存在著多種不同的發展種類與分支，依處理器架構可分為RISC(Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集)與CISC(Complex Instruction Set Computer，複雜指令集)。RISC陣營的主力有ARM、MIPS、ARC等，而CISC架構則以Intel為首的x86系統為主。
對於注重產品穩定性的工業用戶，「低功耗」是嵌入式系統處理器的重要需求，處理器的發熱量變小，也可大幅減低系統散熱需求，對應到嵌入式系統結構設計，當系統的發熱量受到控制，也可進一步縮小整體的架構來節省成本。RISC架構系統的確具有這項優勢，而其簡化的基礎也讓其在工業應用領域佔有一席之地。
為了成就低功耗，由於效能與功耗本來就一體兩面，過去嵌入式處理器的效能常成為最直接的犧牲品。但隨著製程持續演進，各種多核心、多執行序、動態電源管理、SoC技術的加持，低功耗與高效能兼具，已成為新一代嵌入式處理器的重要特點。
這讓RISC系統與CISC系統所能呈現的效能愈趨接近，也讓過去在工業自動化應用上涇渭分明的兩者之間界線日趨模糊，兩者在需求上與應用上的競合關係，勢必成為重要關注焦點，RISC架構系統如何在發展上從原有以站穩的立足點，走向更寬廣的應用空間，在技術的持續發展下，的確是重要的議題。
然而最終這些令人看了眼花撩亂的系統架構及設計，仍將回歸到由客戶端的需求來作考量，一昧的強調低功耗、製程的先進、甚至是平台開發的優越等，並不見得就能獲得工業用戶的信賴。從客戶需求的角度出發，並提供最彈性的客製化服務與解決方案，終究才是工業系統的本質與利基所在。
