重新定義機器控制

從 18 世紀的工業革命開始，自動化製造已經影響並改變了人們生活與工作的方式。到今天，市面上幾乎每樣人造物品，均是以機器協助的方式製作。機器以極高的速度與一致性，增加了產品數量與複雜度。不論是好是壞，自動化的潮流從 3 個世紀以前即開始，並持續將手工轉為機器製作，到今天仍在加速其變化。儘管電子控制與電子馬達趨動為大勢所趨，許多機器仍佈署著機器控制與液壓致動器，並需要大量的人為操縱。則機器控制系統應如何更有效利用 50 年前即開始的「半導體革命 (Silicon Revolution)」，以因應成熟的消費型半導體技術 (Silicon Economy)，解決實務上的需求？

傳統機器設計為冗長的程序，往往牽涉到現成硬體的選擇，與客制元件的設計。由於一般的嵌入式系統，通常無法符合特定應用的需求或成本考量，因此客制電路設計為最常見的解決方式。開發程序分為多個設計階段：系統工程、製作工程，到軟體與控制的設計。過程中的每個步驟，均需要特定的電子設計自動化 (EDA) 工具，如狀態圖與流程圖應用、SPICE 電路模擬、機板配置與路由、控制設計工具、機器 CAD 與有限元素分析 (FEA)、C 與 VHDL 語言、多重特定系統編譯器，與人機介面 (HMI) 工具。

圖1. 使用NI LabVIEW 的單一圖形化程式設計，簡化工業級控制嵌入式系統的開發。

透過成熟的經濟型半導體技術(Silicon Economy)，朝向半導體機器(Silicon Machine) 邁進

針對開發新技術、新平台，與新開發工具的需要，NI 整合多家工業級的自動化公司；領導業界的晶圓供應商，如 Analog Devices、Freescale，與 Xilinx；領導產業的組織，如 Open Modular Architecture Controls (OMAC) 使用者團體 (請至 www.omac.orghttp://www.omac.org/ 取得更多相關資訊)。

設計圖形化系統

以 NI LabVIEW 圖形化開發環境 為基礎，透過新一代的嵌入式系統開發工具，最佳化此程序。這些工具透過超高效能的可重設嵌入式系統，如，NI CompactRIOhttp://www.ni.com/compactrio/，可簡化機器控制系統的開發此生產完備 (Production-ready) 的嵌入式系統架構，整合了卓越的即時作業系統、處理器、可用軟體進行程式化的 FPGA 裝置，與隨插即用的 I/O 模組，可縮短超過 50% 的機器設計開發時間，並提供硬體的可重設性，和較佳的工程設計投資再使用性 (Reuse)。若要了解硬體與軟體工具的整合方式，可比較新的圖形化系統設計 (GSD) 方式與傳統機器設計技術之間的關係。

「個別設計(Throwing It Over the Wall)」對「同步工程(Concurrent Engineering，CE)」

在傳統的開發過程中，系統、硬體，與軟體設計，均為不同開發小組所進行的分散程序與步驟。在新的方法中，可使用 LabVIEW，針對可重設的 FPGA 硬體電路進行軟體程式設計。可使用相同程式設計語言，以設計即時嵌入式處理器應用、可重設的 FPGA 邏輯，與 HMI。其他 EDA 工具 (CAD、FEA、SPICE) 可透過嵌入式開發語言，溝通並共用相關資訊，適用於設計團隊之間的同步開發。

「拋棄之並重新開始」對「使用硬體中立的軟體 (Hardware Agnostic Software)」

在傳統的開發方式中，由於標準化不普遍，硬體設計往往缺乏其可攜性。由於低階、特定硬體的電路圖不易進行模組化，因此極難再使用軟體程式碼。舉例來說，16 位元與 32 位元的微處理器，即以不同的方法從通訊埠傳送資料。當於嵌入式處理系統之間移動時，輸入/輸出函式將纏繞控制邏輯，降低程式碼的可攜性。透過新的方式，高階的嵌入式設計程式語言，可涵蓋 (abstract) 低階硬體的不適性 (eccentricity)。針對來源程式碼使用較高階的程式設計語言，可提升程式碼的可攜性。並可自動編譯高階圖形化來源程式碼至其他語言，如 VHDL，並接著進行最佳化、編譯，並下載至系統。

「了無新意」對「重新設定硬體」

直到最近，可重設的邏輯裝置，需要極複雜並特定的開發工具。如果沒有適合的商用硬體，則可開發硬體電路以替代之，並建立包含客制元件與現成元件的混合系統。透過可重設的 FPGA 裝置，新的 GSD 方法可符合大部分特定應用的需要。FPGA 晶片可於單一 IC 中整合數百萬種的邏輯閘，以取代數千種的分離器件 (discrete component)。如果需要特別的前端訊號介面，則可使用 LabVIEW 介接程式設計完畢的邏輯，以開發客制 I/O 模組。

圖2. 以圖形化的系統設計工具，重新開發機器控制。

「使用單件品 (One-Off) 設計」對「針對平台進行設計」

如果嵌入式機器控制系統缺乏完善定義的架構、模組間的一般通訊介面，，與標準的連線方式；則往往會讓工程師耗費更多心力，以整合個別設計至較大型的架構中。此亦極難以於開發專案，或不同的公司部門之間，再次使用設計。在新的 GSD 方式中，生產完備 (production-ready) 的嵌入式系統平台，即具有完善定義的架構，與高度一致化、針對平台最佳化的開發工具。此亦提供加速開發的多種好處 – 針對硬體系統驗證並測試開發工具；同時生產完備的控制系統，可搭配所需的國際工業級認證與評比。

「馮諾曼困境 (Von Neumann Dilemma)」對「專屬硬體電路」

馮諾曼 (Von Neumann) 架構定義微處理器電腦作業的方式，已超過 50 年，並定義電腦於每處理周期中執行單一指令的方式。然而，自從 1970 年代出現微處理器架構的可程式化邏輯控制器 (PLC) 以來，此架構即帶來了新的挑戰。由於當新增控制邏輯時，控制迴圈率亦隨著變慢，則控制系統亦較不穩定。幸而這幾年來，處理功率已大幅提升。然而，在開發應用並於硬體系統中檢驗之後，若進行加法 (addition) 動作並變更程式碼，將再次減緩迴圈率，造成控制系統「當機」。此特性大幅限制了嵌入式機器控制系統的功能，並無法重設本身，以符合新的相關自動化作業需求。

在較早的 PLC 時期，電機繼電器架構的控制系統，均使用專屬的平行執行硬體電路。同樣的，由於邏輯環加法 (logic-rung addition)，控制迴圈率亦未降低其速率。現在，可重設 FPGA 具有相同的平行執行，因此 FPGA 架構控制系統似乎代表了過去的形式。然而，並非許多電機繼電器架構的控制系統，均可提供數百萬種的數位邏輯閘；每個階梯邏輯環 (ladder logic rung) 均於 25 ns 內執行。

尋找無限的控制效能

目前的 FPGA 控制迴圈率效能與類比控制功能，延伸了使用者的想像力。由於 FPGA 可於單一可重設 FPGA 裝置中，以超過 3 MHz 迴圈率，同步執行超過 20 種增強的 PID 迴圈；因此該處理速度僅受限於 I/O 模組的效能。如 CyboSoft 的控制業界先驅，亦使用 LabVIEW 匯至神經網路架構的適應控制運算式，適用於微秒 (microsecond) 時脈的無模式適應 (Model Free Adaptive，MFA) 控制迴圈。透過圖形化系統設計的優勢，可促生下一次的工業革命。

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Brian MacCleery
Industrial Control and Acquisition Product Manager
brian.maccleery@ni.com

       此文章於 2005 年第 3 季首次發表於儀控新聞報。

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