研华APAX控制平台以边缘计算整合IT/OT，串联CNC加工柔性产线与MES系统

4/23/2018

研华协助CNC柔性产线以单一控制平台同时执行MES与CODESYS实时控制软件，跨界整合IT与OT。透过CPU分核优化技术，同时保证运动控制与信息系统稳定运行，减少加工失误率，让生产效率提升到三倍之多，落实边缘计算，抢占柔性制造与CNC智能化商机。

项目简介

随着产品开发周期缩短，市场预测与生产规划更显重要。对此，CNC加工厂也需要强大的企业资源规划系统（ERP）等信息技术（IT）辅助以调配最适生产计划、管控整体营运，以往负责生产管理的制造执行系统（MES）也不再只是操作技术（OT）层的配角。向来各自独立、鲜少直接沟通的两个系统俨然成为实现CNC智能化与智慧工厂的关键，MES也成为衔接CNC产线IT层与OT层间的枢纽。

尽管MES开发商可透过为CNC产线加装工业计算机再搭配PLC作为衔接异质系统的桥梁，但传统做法只能传递简单讯号，仍仰赖人工操作，无法防呆、效率低且人工成本高。对于二维条形码等复杂数据，也有整合接口不足与解碼效能不佳等问题。再加上，MES开发人员虽然熟稔IT技术，对自动化控制系统的了解却很有限。因此，该如何有效地串联IT层与OT层，成了系统开发商面临的一大挑战。

研华以基于X86的开放式分核控制平台APAX-5580同时搭载CODESYS实时内核与Windows操作系统，让IT与OT系统高度整合又能同时保证稳定高效能。结合同系列的本地与远程I/O，让CNC产线能够灵活布建，通讯接口与未来扩展性也更加自由。本项目仅利用单一控制平台即满足系统开发商的所有需求，让其能顺利整合MES与电火花工具机，实现CNC柔性产线远程控制与统一管理的目标。

系统需求

天津歌德麦得科技有限公司是一家为CNC加工与模具产业提供信息化管理软件与自动化工厂解决方案的系统整合厂商。顺应工业4.0趋势，该公司计划将一套管理电火花工具机所需电极工具的电极窗口管理系统纳入MES内，并将信息与上层信息系统串接，期望能透过IT层与OT层之整合来提升CNC加工厂的生产效率。

该电极窗口管理系统由CNC与电极工具库组成，六层电极工具库共有24种工具，每件工具下方贴有二维条形码。生产时透过MES通知目前所需的电极工具编号，即能让CNC以正确的工具执行加工作业。一开始天津歌德麦得科技选择为每个单元（CNC与电极工具库）加装日系PLC与伺服驱动控制器，并于上位安装一台工业计算机。没想到此做法不仅在处理大量二维条形码时效率低，也难以全面采集所需讯号，花费的成本偏高外，硬件供货商也无法提供实时的技术支持。因而促使该公司开始寻找另一套能满足其需求的高性能控制核心系统。

新的控制核心解决方案除了将被设定成MES客户端外，还要能够根据MES的指令自动选取电极工具。由于每个单元彼此间相距遥远（十几米到几十米不等），新方案必须提供远程控制功能，并让中控室可以统一管理。软件方面需具备方便IT工程师编程的高级语言以加速完成程序设计，控制层面则需要大量数字输入与输出I/O以便接收与触发设备讯号，以及可将电极工具库内的二维条形码扫描结果传输给MES的协议转换功能；最后是以EtherCAT通讯协议连接脉冲转换模块驱动步进马达，并透过运动控制完成电极工具库之旋转与定位。

系统概述

研华开放式分核控制平台APAX-5580是此系统中连接IT层与OT层的控制核心。，作为MES客户端，APAX-5580可将从底层设备取得的信息传送给位于中控室的MES，同时也能接收来自MES的指令，实时向下控制CNC与电极工具库执行动作。此外，藉由以Modbus/TCP连接智能网关ECU-1152取得二维条形码扫描结果，及以EtherCAT连接脉冲转换模块，APAX-5580能将总计144个（每层24个x 6层）电极工具之二维标识符上传给MES，让系统可以统一管理多台电火花工具机之电极工具状态。

APAX-5580主要依赖其独特的双核处理器分核优化机制无缝整合IT层与OT层，利用其中一核执行内建的Windows Embedded Standard 7操作系统确保MES客户端可以顺利串接IT层；另一核负责执行运动控制、逻辑控制及总线控制以保障OT层的实时性和稳定性。整合软硬件于单一平台让系统结构更简单、维护更便利外，其独特的模块式设计让APAX-5580具有高度扩充性，可因应未来需求新增或调整模块配置，不需更换整个控制核心。另外，CODESYS所提供的ST语言也能让不熟悉PLC的IT工程师以其所擅长的高阶编程语法编写自动化运动控制及逻辑控制程序，配合研华高质量的技术支持服务，可大幅缩短开发时间，加速上市速度。

负责执行控制的APAX-5000系列I/O模块提供本地与远程两种扩充接口端口，用户可依CNC在工厂内的实际布建情况部署模块。线型拓扑结构适用于大型CNC产线，星型拓扑则能保证当任一单元出现问题时，其他单元不会受到影响。此外，可提供六个RS-232隔离式串行埠的ECU-1152能接收由二维码扫描仪所取得的电极工具数据，且由于其内建WebAccess/TagLink软件，因此可轻松将数据由自定义RS-232协议转换成Modbus讯号，之后再经由网络传送给上层的APAX-5580。

专案导入

系统架构图

结论

工业4.0引领制造业朝向实现智能工厂之路迈进同时，CNC厂也搭上此转变风潮，必须将与制造相关的元素全面链接并深度优化，才能逐步达成CNC智能化的目标，因此IT层与OT层的整合是首要之务。为制造业业者提供解决方案的系统整合厂商若仍专注于传统PLC控制，势必让开发过程面临重重考验，也很难如期开发出满足工业4.0需求的系统。

研华不仅有完整的产品线满足各种软硬件需求，性能优异的产品也确保了系统的可靠性，易于整合的清晰结构则让系统整合厂商可以迅速建构出所需的解决方案，并让日后的系统维护作业较为轻松。而且对于自动化控制系统了解不够深入的IT开发人员而言，有丰富工控经验的研华可以针对OT层提供专业的规划建议与技术支持，让搭配出的软硬整合方案可以执行出使用者所需的结果。

在导入研华完整的控制核心解决方案后，天津歌德麦得科技这套整合IT层与OT层的系统能将电火花工具机的返修率降低到30%，加工时间也从24小时缩短制3小时，效率提升了三倍之多，人员成本更降低了70%。

由于此系统备受市场青睐，未来，天津歌德麦得科技已计划用此套核心架构为基础，串联其他产线系统，或在微调后复制到其他CNC机台的控制系统中，让柔性产线中的数控加工设备、物料运储装置及计算机控制系统更具智能，加速CNC加工厂智能化的进程，让柔性产线真正落地。