主控單元 智能制造的大腦
智造單元是構(gòu)建智慧工廠的最小化基本單元，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)線到面向未來的智造單元，作為其大腦的控制器，也迭代出了PLC、IPC、PAC等多種形式，而面對紛繁復(fù)雜的智能化項(xiàng)目需求，對于控制器的選擇，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，如入門及的點(diǎn)膠機(jī)、包裝機(jī)及產(chǎn)線控制等多部分是用PLC。從CPU算力的要求來說，計(jì)算量并不多，大部分基于MCU或者ARM來設(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來做。
PLC性能依賴于專用硬件，應(yīng)用程序的執(zhí)行是依靠專用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，因硬件的非通用性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的功能前景和開放性受到限制，由于是專用操作系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)性、可靠性與功能都無法與通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，這樣導(dǎo)致了PLC整體性能的專用性和封閉性。由于PLC的用戶應(yīng)用程序執(zhí)行是通過硬件實(shí)現(xiàn)的，所以我們在市場上看到的多是專機(jī)專用，復(fù)用性并不多。在3C產(chǎn)品線生產(chǎn)中，我們就看到了所生產(chǎn)的產(chǎn)品周期接收后，這PLC也就隨之收倉入庫，做資產(chǎn)報(bào)廢。
早先PLC其顯著的特點(diǎn)是有IO接線點(diǎn)，大部分甚至沒有網(wǎng)線的接口。如下圖所示，但在專機(jī)專用上非常適合。
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的常見縮寫，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。 但在核心的工廠控制領(lǐng)域，很多時(shí)候不能用到這類機(jī)型。其對靠性、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。通過不同工業(yè)總線接口連接運(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的算力要求來說，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)來看由于開放性多采用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)。由于開放及柔性化，也就奠定了未來在”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。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)先級獨(dú)立控制，滿足多樣化需求。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)難度來說，PLC產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)要求既要了解硬件，同時(shí)也需要對工業(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)國產(chǎn)化。 其附帶有不開放的應(yīng)用軟件編程， 在專機(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，對于后續(xù)的糾錯(cuò)成本非常的高，大部分是安裝window系統(tǒng)，無任何的軟件附帶。
PAC產(chǎn)品由于它的開放性，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)。其所附帶開放型的應(yīng)用軟件編程，在高級的制造設(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)雜程度以及未來的擴(kuò)展性。
從工廠環(huán)境下適用的范圍來說，在不影響生產(chǎn)的時(shí)候，或者說可以接收多次設(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。
如果對生產(chǎn)線多是邏輯控制的時(shí)候，使用PLC。
從自動(dòng)化程度考慮，對于自動(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16個(gè)軸的用PAC。
雖然通過多個(gè)PLC去實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，后期維護(hù)的時(shí)候就一臺PAC，相對簡單，但多PLC更為復(fù)雜，PAC產(chǎn)品雖然簡單易用好維護(hù)，但對電氣工程師軟件能力要求非常的高。
結(jié)后語
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，我們就來重點(diǎn)聊聊邊緣計(jì)算控制器有可以實(shí)現(xiàn)哪些堪稱神奇的智能控制。
