本文描述機器控制運用可程式化邏輯控制器（PLC）?工業(yè)電腦（IPC） 和 可程式化自動控制器（PAC）之間的區(qū)別， 並探索工業(yè) 4.0 如何改變對機器控制架構的需求，進而解釋和 PLC 或 PAC 相較之下，IPC能夠提供迄今為止最佳化的機器控制架構。

20多年來，設備製造商不斷地努力想尋找出最適合的控制器架構，以提供市場所需的性能和品質(zhì)，同時也能保護其投資資產(chǎn) 及長期利益。過 去，可程式化邏輯控制器（PLC）?工業(yè)電腦（IPC） 和 可程式化自動控制器（PAC）皆各有所長和能保證一定的效能，因此， 決定使用何種系統(tǒng)取決於目標設備的需求。

然而，工業(yè) 4.0 和 lloT改變了選擇的標準，轉而偏好工業(yè)電腦（IPC）?，F(xiàn)今的機器控制需要前所未有的整合性和相容性，而這只有全軟體?採Linux或Wind ows 作業(yè)系統(tǒng)在 x86 硬體的IPC才能應付。在工業(yè) 4.0 時代，除了具備基本的設備控制器功能外，機器自動化現(xiàn)在還必須因應雲(yún)端分析的回饋來優(yōu)化性能，以及採用 OPC-UA、Et herCAT 以及 PLCopen 等標準來簡化設備通訊和構造，並且在控制器上運行同類最佳的第三方軟體（例如端點分析軟體）來提升價值， 縮短產(chǎn)品開發(fā)與上市時間。

設備控制器現(xiàn)在必須能夠運行同性質(zhì)最佳的第三方軟體。 因為這項新的需求，徹底改變 了選擇標準，PLC或PAC不再受青睞，IPC一躍成為新寵兒。因為只有具備 x86架構的IPC提供大量的第三方現(xiàn)成軟體，而且這些軟體可立即提供給設備製造商使用。這與大部份封閉式的PAC或PLC形成對比，供應商或設備製造商必須從頭設計高品質(zhì)的網(wǎng)路和分析應用程式，而這些都是IPC先天的優(yōu)勢。

本文描述機器控制運用PLC、PAC以及IPC之間的區(qū)別， 並探索工業(yè)4.0如何改變對機器控制架構的需求，進而解釋和PLC或PAC相較之下，為什麼IPC能提供迄今為止最佳的機器控制架構。

基本機器控制架構的比較： PLC、PAC及IPC

跟過去相比，現(xiàn)今控制系統(tǒng)功能更加強大靈活，更容易配置和編程，而且提供多樣化和簡化的通訊機制。市場上控制器供應商眾多，競爭非常激烈，各式控制系統(tǒng)架構的功能和價值差異對工程師而言，也更難以比較和瞭解。 過去 20 年來，工程師往往在機器裡安裝三種基本的機器控制架構：PLC ?IPC及 PAC。

1960 年代後期之前，控制系統(tǒng)是由控制各自分離設備的繼電器組成，獨立的迴路控制器則負責監(jiān)督和控制類比功能。這種結構造成不少困難，包括控制器之間的繼電器佔據(jù)不少空間、變動十分昂貴，以及出現(xiàn)問題時，故障排除手法也十分複雜。

PLC於1970年代初期發(fā)明，剛開始用於工業(yè)應用相關，從而取代了繼電器系統(tǒng)。即使體積比原始的繼電器要小，但最初研發(fā)的PLC仍然很大， 並需要使用專用端子和有限的指令集來編寫程式。到1970 年代後期，分散式控制系統(tǒng)(DCS)開始取代單一迴路控制器， 幫助集中類比控制環(huán)境的過程。歷史上來說，DCS是由多個靠近終端控制設備及可視化工程用PC-based工作站的輸入／輸出機架所構成。所以為了與過程迴圈相互作用，工程螢幕必須和DCS搭配使用。到了1980年代初， PLC系統(tǒng)開始參照DCS且具備分散式組件和機架。

最初的概念開始，PLC就有許多較進步的地方， 包括處理能力變強?記憶體增大?能處理的位元數(shù)變多以及體積縮小。這些重大改進也為許多其他類別的自動化系統(tǒng)鋪路。其中兩個分別是PAC和IPC。儘管PLC品質(zhì)良好， 但PAC和IPC 添加了一些新功能和能力使它們獨樹一格。要比較這三種系統(tǒng)架構，先要對每種架構的基本優(yōu)點有個基本了解。

可程式化邏輯控制器(PLC )概述

現(xiàn)今的PLC控制器不僅威力強大且功能性佳，因此事實上一直是許多自動化項目的標準。PLC的用途 常見而廣泛，包括代工生產(chǎn)(OEM)的機器在內(nèi)， 但在物料運輸上就僅有幾個例子，像是包裝機、堆棧機、填充機和輸送帶。PLC通 常與硬 體的人機介面(HMI)套件配對來處理視 覺化。PLC可處理高速1/ 0、數(shù)位和類比1/ 0以及進行序列；還能進行高速計數(shù)、網(wǎng)路介面和運動控制。

實際運用上，所有PLC都配有內(nèi)建現(xiàn)場、設備或乙太網(wǎng)路級別的通訊系統(tǒng)，例如Et her CAT、Mo dbus、Profinet以及TCP。這 些網(wǎng)路全都用於PLC對PLC的通訊、分散式1/0功能以及HMI/SCADA（資料採集與監(jiān)控系統(tǒng)）通訊。PLC通常也十分具有成本效益，相較於其他控制系統(tǒng)保有一定的競爭力，然而這套系統(tǒng)僅能處理有限的 1/0 數(shù)量。

程式的複雜度與邏輯設計也有限制。例如硬體架構的 PLC 不支援 或物件導向的邏輯。但基於物聯(lián)網(wǎng)的需求，一些先進軟體架構的PLC已能支援21世紀物件導向程式設計(OOP)技術， 而PLCo pen也被視為架構PLC的新OOP標準。

可程式化自動控制器(PAC)概述

PAC也是設計成與PLC系統(tǒng)完全相同的基本功能，但添加一些特點以增加功能性。也就是說，PAC 的設計目的是為了處理更大的分散式應用控制，像是大型包裝生產(chǎn)線、分散製造控制系統(tǒng)以及大型棧板或工廠製程的製程控制等。PAC擁有更加先進和目的性的指令集，例如排序?設備控制?製程控制和批次處理；也可以為特定產(chǎn)業(yè)編程，提供專門針對石油、天然氣、核能以及其他專業(yè)領域的指令集。

專業(yè)領域的指令集威力強大，所以要增強 PAC 的總線功能才能正確執(zhí)行命令。 PAC可以與企業(yè)級SCADA併用， 控制整個工廠並擷取與處理數(shù)據(jù)。PAC通常架設於類似IPC的系統(tǒng)架構，甚至使用x86 晶片，但他們無法運行第三方電腦軟體。設備製造商會被供應商綁在PAC模組中。

隨著PAC指令集以及對應的HMI資料庫逐步發(fā)展，PAC和DCS之間的區(qū)隔線也愈加模糊了。DCS的大多數(shù)功能性、整合性以及強度現(xiàn)在也由PAC的製造商提供。以前是大型DCS系統(tǒng)才能做到的先進控 制能力，PAC現(xiàn)在也具備了，還能在PlD 不足的不穩(wěn)定或複雜的封閉迴圈控制環(huán)境中使用。

PAC的主要優(yōu)勢也可能造成其最大的負擔。大多數(shù)PAC是模組化硬體，所以易於擴展，並且具有強大的開發(fā)語言。但如果發(fā)生無法由PAC處理的任務，而供應商又將設備製造商「綁定」，那麼困難就出現(xiàn)了。例如在工業(yè)4.0時代，有越來越多的公司正尋求在設備控制器上進行邊緣分析，而非仰賴雲(yún)端。如果PAC無法加載第三方軟體，該機器可能就會錯失提供具競爭力和高性能的大好機會。

工業(yè)電腦(IPC)概述

IPC工業(yè)電腦於1990年代崛起，當時自動化公司剛起步設計軟體，想模擬出可以在標準電腦上運行的PLC環(huán)境。一開始，由於主機作業(yè)系統(tǒng)(OS)有時不太穩(wěn)定，導致使用電腦進行自動化並不是一個可靠的方法。

然而，透過使用加強後的IPC配合更穩(wěn)定的作業(yè)系統(tǒng)，IPC領域已有重大進展。一些製造商甚至使用即時作業(yè)系統(tǒng)(Real-Time OS)核心，製作出自己的IPC進行自動化。即時作業(yè)系統(tǒng)能讓自動控制與作業(yè)系統(tǒng)環(huán)境分工處理，並在運行某些工作和功能時，能比作業(yè)系統(tǒng)優(yōu)先進行（例如使用 I/0介面）。l nt ervalZe ro上的RTX 64就是一個即時作業(yè)系統(tǒng)的實例。RTX 64能將微軟Wi ndows系統(tǒng)轉換為即時作業(yè)系統(tǒng)(Real-Time OS)。

因為IPC是在個人電腦平臺上運行，所以與標準PLC相比，IPC具備更現(xiàn)代化處理器和更大的記憶體。IPC的重大優(yōu)勢之一，就是在同一臺機器能同時運行HMI應用程序與自動化程式，從而大大降低了設備成本。OEM機器和其他沒有太大空間的小型專案也會廣泛使用IPC。設備製造商還可以在同一臺IPC上同時使用第三方軟體和機器控制；像是使用於雲(yún)端連接的安全通訊協(xié)定OPC-UA或在數(shù)據(jù)發(fā)送到雲(yún)端之前彙整和分析數(shù)據(jù)的第三方分析軟體。

工業(yè) 4.0 的需求改變決定最佳控制架構的選擇標準

直到最近，要從PAC、 PLC或IPC之間挑選一種來使用時，還是有許多因素要列入考慮，例如預算多寡、規(guī)模大小、支援度、複雜程度以及未來的擴展性。特別重要的是，也不能忽略需要安全完整性等級(SIL)認證以及平均故障間隔(MTBF)的相關系統(tǒng)。

此外，控制系統(tǒng)的品牌通常會由設備設計工程師決定?？蛻衄F(xiàn)有的編程許可證類型、維護和技術培訓以及區(qū)域承包商的支援也都息息相關。這些要素都會影響總擁有成本(T ot al Cost of Ownership) ;品牌愈熟悉，也能減少重新培訓的時間，並且保持品質(zhì)一致。

因為工業(yè)4.0徹底翻轉了最佳機器控制架構，可見其重要性並非誇大其辭。亞馬遜翻轉零售業(yè)和谷歌主宰廣告的手法，是將深度整合的數(shù)位策略套用到傳統(tǒng)業(yè)界。工業(yè)4.0應用了相同的概念，將類似的數(shù)位策略植入製造業(yè)的環(huán)境，期望能夠打破傳統(tǒng)思維。採納工業(yè)4.0的技術並將其應用到工廠的設備製造商和製造業(yè)者已經(jīng)蓄勢待發(fā)，準備主導各自的垂直市場；沒有接受工業(yè)4.0概念的業(yè)者， 將在這場戰(zhàn)役中淡出。

由德國政府發(fā)起，工業(yè)4.0運動的焦點在於把價值鏈數(shù)位化，以建立智慧製造設備。這對世界各地的製造業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。事實上，多數(shù)人都知道製造業(yè)早已興起了第四次革命。

圖1 : 製造業(yè)從第一次革命到已興起的第四次革命，在不同階段都有其重要的影響力。（source：英特蒙）

再者，顧能公司（Gartner)曾引證，十分重要卻常被忽略的工業(yè)4.0的元素是「智慧」設備控制器。設備控制器與雲(yún)端功能一樣重要，或者可以說更重要，因為它是真正突破架構的來源：集結資訊後將其安全導入和導出雲(yún)端，簡單來說，就是實際運用了那些有效的訊息。顧能公司也相信，端點分析會隨著時間變得極度複雜且具預測性，以改善系統(tǒng)的回應。如果設備控制器沒有「聰明」到能夠根據(jù)有效訊息 或控制器自行產(chǎn)生的訊息，來適應不斷變遷的製造環(huán)境， 工業(yè)4.0的願景將無法實現(xiàn)。

此外，正如德勤(Deloitte)在其2019年的觀點論文中指出軟體確實在『蠶食』（科技）世界， 最有效的解決方案是在一臺工業(yè)電腦運行所有軟體，不需要專屬硬體設備。他們記錄了超過25年的趨勢，市場已從硬體為主的經(jīng)濟轉變?yōu)檐涹w和數(shù)位化。對於一直拒絕改變的設備控制器而言，工業(yè) 4.0 的需求使其無法再墨守成規(guī)。

工業(yè)4.0改變了一切，因為所有機器控制架構如果想在軟體主導的世界佔一席之地，都必須考慮工業(yè)4.0的需求。工業(yè)4.0觀念尚未出現(xiàn)之前，大多數(shù)的設備製造商和用戶都認為機器會成為一座座自動化的孤島。然而，工業(yè)4.0要求前所未有的連接性，以求在品質(zhì)、生產(chǎn)性能和價值上有所突破。而且不僅僅是與雲(yún)端的連接，也是產(chǎn)線機器之間的連接，因此一個控制器可與其他控制器分享資訊，進而改善整個產(chǎn)線的生產(chǎn)性能。工業(yè)4.0的目標是智慧設備控制器架構和智慧邊緣裝置，最終能成為構建智慧工廠的基礎。

圖2 : 工業(yè)4.0改變一切，所有機器控制架構如果想在軟體主導的世界佔一席之地，都必須考慮工業(yè)4.0的需求。（source：Vogel Italia）

但是，工業(yè)4.0也不僅僅著重在單一機器的單一控制器。如今緊密整合工廠的工業(yè)網(wǎng)路可於同一部電腦上支援多個控制器，當成網(wǎng)路中掌控多臺設備的主要控制器。隨著技術的發(fā)展，工廠的整合讓客戶更能彈性運用，在我們朝著工業(yè) 4.0 的未來發(fā)展路上，一切都能加以整合。

因此，在選擇機器控制架構時要考慮的因素，像是預算多寡、規(guī)模大小、支援度、複雜程度以及未來的擴展性，在決定時仍都是息息相關的，但所有這些因素還必須透過額外的條件加以審視，才知道是幫助還是損害設備製造商邁向工業(yè)4.0的能力。最後，工業(yè)4.0添加了三個原則，作為在挑選理想的機器控制架構時必須考慮的重點。

首先，工業(yè)4.0要求以全軟體的方式達到自動化，才能讓傳統(tǒng)控制器升級為「智慧控制器」。唯有「全軟體」的方式， 才能提供從雲(yún)端或其他控制器擷取訊息所需的靈活性，進而即時做出變更機器作業(yè)的相關決策。其次，要採用即時作業(yè)內(nèi)核的全軟體架構，才是關鍵所在，但不是任何一套軟體都能做到。理想的全軟體系統(tǒng)架構會要求開放性，能在單一平臺上運行多個控制器，並且直接在控制器上運行第三方軟體，例如數(shù)位雙胞胎(digit al t win) 或分析軟體。 第三，理想的機器控制架構必須包含行業(yè)標準，以減少整合和數(shù)位化製造業(yè)價值鏈時會碰到的障礙。

最後，正如德勤所記錄和資料來源之一的馬克·安德森(Marc Andreessen)所預測，只有全軟體才能策略性的有效滿足未來需求，因此唯有IPC-based的控制器才能將傳統(tǒng)控制器轉變?yōu)橹腔劭刂破鳌Ｔ陂_放性或設計上，PLC和PAC既無法支援全軟體，也無法運行第三方軟體。PAC 和 PLC無法預見或適應未來工業(yè)4.0需要的更多連接需求。從一開始就選擇在IPC上運行的控制平臺，將增加設計項目成功的機率，最終也能為相容工業(yè)4.0的未來做好準備。

結論

現(xiàn)今更靈活?運轉速度更快?更智慧?相互通訊?即時處理／分析數(shù)據(jù)的機器創(chuàng)造了足以改變世界格局的經(jīng)濟和生產(chǎn)力機會。其中重要的是，透過結合人工智慧的工業(yè)4.0的訊息共享將只會提高對系統(tǒng)要求的處理速度。能提供功能最靈活、作業(yè)最精確和最高性能的設備自動化和機器控制系統(tǒng)公司，將為他們的客戶創(chuàng)造最大的利益價值。

直到最近，PLC、PAC和IPC架構在獨立設備或自動化孤島的情況下，提供了相似的功能性，而努力升級的公司可能會陷入難以選擇最適架構的泥沼之中。靠著消除自動化孤島，替換為雲(yún)端連結的控制器網(wǎng)路而打下智慧製造的基礎，工業(yè)4.0翻轉改變了這一切?；豆I(yè)4.0的需求，配置PLC和PAC的機器控制架構將不會再有相同的使用年限，因為這些網(wǎng)路和智慧控制器都要求全軟體的途徑，而只有使用 IPC工業(yè)電腦的控制架構才能辦到。