PLC 在工業控制和測試與量測的角色

可編程邏輯控制器 (PLC) 是可執行以下作業的工業電腦：

• 監測和控制工業自動化應用
• 執行與測試與量測作業相關的任務
• 執行處理類型的功能 (包含與 HVAC 系統相關的功能) 不在此文範疇

PLC 從感測器和輸入裝置接收並處理資料，做出基於邏輯的決策並輸出控制指令至機械或電子系統。PLC 是一種嵌入式系統，結合電腦處理器、記憶體、輸入輸出 (IO) 裝置，像是固線式繼電器架構邏輯，以及與其競爭的 PC 架構邏輯。

至於實體外型，現今的 PLC 可以從具有積體電路 (IC) 型態的超簡單電腦到納入多重底盤中的控制器子元件組合的大型機架安裝。較簡單的微控制器架構 PLC 或採用系統單晶片 (SoC) 的 PLC 可達到極高可靠性，並且以非常適中的功率輸入運作。相較之下，最複雜的 PLC 在即時工業控制的元件組成上，則較難以和一般用途電腦劃分，儘管前者依然強調可靠性和即時效能。

PLC 原本設定用於直接替代基於繼電器和鼓型定序器的固線式控制邏輯。這些早期的 PLC 只需轉換輸入至輸出，執行基本的作業。任何需要比例積分微分 (PID) 控制的機械作業，都由外接的類比電子元件處理。現在，PID 控制和其他更精細的作業，都成為 PLC 指令組內的標準項目。

事實上，對 PLC 預期的功能已激增，所以現在許多 PLC 已相當精密，能夠執行複雜且自適性的例行工作。半導體晶片的功率不斷增加、尺寸不斷縮減 (得益於摩爾定律)，讓更小的控制器具備前所未有的智慧。此趨勢不斷延續，整合支援動作控制、視覺系統、通訊協定。在 PLC 尺寸方面，一些可編程自動化控制器 (PAC) 整合 PLC 與 PC，針對特定應用，替代 PLC 和自行研發控制系統 (以自行研發的編程語言執行)。今日有更多的 PLC 也用於整合至人機介面 (HMI)。

PLC 作業的工業數位環境

今日的工業自動化倚賴機器回授和操作資訊，搭配數位裝置的複雜連接至：

• 控制數位裝置
• 執行先進能力，例如與 IIoT 連接和機器重配置相關的能力
• 讓人員針對多種機器和作業條件執行決策
• 提升整體生產力和工件品質

此類自動化設備包含各種資訊系統，以儲存、處理、提供資料。

物料需求規劃或生產資源規劃 (MRP) 提供生產規劃、排程、財務、庫存控制。相較之下，歷史資料系統 (historian system) 從感測器和設備儲存時序資料進行繪圖，協助作業人員和管理系統瞭解並處理自動化趨勢。統計過程控制 (SPC) 是一款歷史資料應用。

人機介面 (HMI) 是機器控制面板 (或以無線連接至行動裝置的模組)，可讓操作人員查看資料並發布命令。監控與資料採集系統 (SCADA) 與 HMI 功能緊密相關，能針對自動化機器和其 HMI 與歷史資料裝置的互動進行即時控制和監測。HMI 可使用 SCADA 控制多種機器，並顯示與多種裝置相關的資料。

製造執行系統 (MES) 包含操作排程和資料蒐集等功能。在某些方面，該系統可視為介於 MRP 和 SCADA 之間，且功能重疊。

企業資源規劃系統 (ERP) 整合製造相關 MRP、MES、產品生命週期管理 (PLM)、CRM 資訊系統。ERP 系統可能為獨立軟體套件，處理所有這些功能，或是核心 ERP 系統，與多家廠商的特殊應用介接。一般而言，只有管理階層會與 ERP 互動，且在特定組織中，大多數人員只會與其中一個饋入資料的子系統互動。

PLC 一般在這些資訊系統之下低於一個層級運作。PLC 從機器、馬達、感測器傳送和接收資訊，也可能與上層資料互動，將資料傳送至歷史資料系統或 SCADA，或從 SCADA 或 HMI 接收控制輸入。更精細的 PLC 還可以執行 SCADA 和歷史資料功能，甚至於有越來越多 PLC 可執行 HMI 功能。

圖 1：PLC 一般以低於自動化資料系統一個層級操作。(圖片來源：Jody Muelaner)

請注意，PLC 不只與自動化相關：也用於控制測試工作台 (產品開發) 和實驗室量測任務。

• 如上所述，自動化一般強調診斷，並需要 PLC 的確定性即時作業，達到即時效益。
• 相較之下，執行量測任務的 PLC，著重於快速和精確的進行量測蒐集和其他類型的資料採集。

針對機器自動化任務，PLC 仰賴即時處理，在輸出和回應輸出的延遲在數毫秒內。即時作業系統 (RTOS) 只需要最簡單的 PLC 功能。許多 PLC 還是使用自行研發的作業系統，但目前有朝向開放標準作業系統的趨勢。相關案例：VxWorks 是自行研發的 RTOS，廣泛授權用於工業控制。該系統已由多家領導機器人製造商採用，包含 Kuka 和 ABB。另一個開源系統為 FreeRTOS，以 MIT 開源授權散發。FreeRTOS 包含多種物聯網 (IoT) 資料庫，適合眾多自動化應用。請閱讀 DigiKey 文章《使用 Amazon FreeRTOS 快速、安全連接雲端》，深入瞭解此選項。

針對測試與量測任務，PLC 依賴即時處理，因此現場裝置量測和其蒐集時間在數毫秒內。工程師不再毫無選擇，只能採用介面轉換器和轉換通道系統。現在有了智慧周邊裝置和 I/O 組件，就能透過數位和類比輸入，提升並簡化訊號蒐集。

現今，工程師也有更多標準化介面和跨製造商相容的元件選項，作為互通式元件。

只需要考量 I/O 元件和整合式 PLC的功能即可。這些元件相容於執行 Windows 或 Linux 作業系統的可配置 HMI，並具有乙太網路連接能力，但針對產生低電壓類比訊號的現場裝置，缺少簡易重新校正選項或類比 I/O。此類 I/O 元件也與 PLC 搭配，設定從遠端 I/O 裝置蒐集資料，並透過其板載 I/O，直接從感測器蒐集資料。

圖 2：T7 多功能資料採集裝置 (DAQ) 包含乙太網路、USB、WiFi、Modbus 連接能力，搭配多種現場裝置以及工業 HMI 和 PLC。特別是 Modbus/TCP 連線能力，透過多種第三方軟硬體選項提供控制能力，達到開放性和彈性，藉此為工業系統架構工程師和研發 (R&D) 工程師針對其資料蒐集和自動化應用提供不受廠商限制的選項，(圖片來源：LabJack)

當然，PLC 並非機器自動化或測試與量測的唯一選項。隨著所有的工業控制趨於複雜，部份廠商針對特定硬體進行差異化，如可編程自動化控制器 (PAC)，以強調其增強功能；在許多情況下，在單一硬體納入多重處理器。事實上，PLC 也更為精細，所以並沒有硬性規定執行 PLC 功能的硬體含有 PAC。大多數 PAC 整合 PLC 和 PC 層面，用於作為複雜自動化系統，具備多重 PC 架構應用和 HMI 與歷史資料功能。其中一項明確的區別在於，開發人員較易採用 PAC，這是由於 PAC 比傳統控制具有更多開放架構。

現在又有另一項選項，就是模組化 PLC。PLC 涵蓋能執行不同功能的模組。所有的 PLC 必須包含一個 CPU 模組，內涵處理器和記憶體，用於操作系統和程式，也可能有獨立的電源供應器模組和額外的輸入／輸出 (I/O) 模組。PLC 可能會同時包含數位和類比 I/O 模組，也可能會需要其他模組用於網路連線。

PLC 可能為整合式 (所有模組在單一外殼中) 或模組化。整合式 PLC 較為緊湊，但模組化 PLC 可達到更多功能，一般能讓多種模組輕鬆互連，透過直插或共用機架作為匯流排。模組依照在匯流排的位置定址。儘管機架的實體支撐需要符合一些標準 (例如 DIN)，資料匯流排一般為 PLC 製造商自行研發。

PLC 在 IoT 的角色

隨著工業 4.0 (亦稱 IIoT) 的興起，工業使用者期望能選用網際網路通訊協定，連接器工業控制器至公司網路。這表示，使用傳輸控制協定 (TCP) 和網際網路通訊協定 (IP) 或僅是 TCP/IP 的進行通訊。不過，IIoT 的趨勢不僅與使用網際網路通訊協定相關，也與機器學習和大數據有關PLC 更加強大 (並具備更多控制能力)，更多裝置納入如視覺系統等更多功能。網際網路連接也讓工程師 (透過系統 PLC) 運用雲端架構演算法處理大量資料組 (也稱大數據)，用於機器學習。

在特定應用中，乙太網路控制自動化技術 (EtherCAT) 善用此類 IIoT PLC 功能。這是基於乙太網路的一種通訊協定，適用於即時控制應用，具有低於 0.1 ms 的循環時間，是目前最快的工業乙太網路技術，能夠達到奈秒準確性同步。EtherCAT 網路拓撲另一項重要的優勢是採用儲存區域網絡中樞和開關。這些裝置可以輕鬆以環狀、線狀、星狀、樹狀配置互連。PROFINET 是提供相似能力的競爭標準。

結論

目前的趨勢將不斷朝向更精細的資料蒐集和工業控制。這表示工業自動化和測試與量測的 PLC 將會越像 PAC，並且與 SCADA 和歷史資料系統整合。EtherCAT 等網際網路通訊協定和開發標準，也逐漸用於 PLC 通訊中。此類連接能力，將會帶動更多工業 4.0 技術的運用，例如大數據分析和機器學習，部分透過配置所需的處理能力和記憶體至：

• 雲端架構運算
• 可進行資料處理的邊緣裝置

除這些趨勢之外，還需要一些傳統 PLC 執行相對簡單的測試和量測，以及具有最高可靠性與能效的控制功能。