展望泓格WinCon-8000 WinCE平臺控制系統的應用

分類：技術教程日期：2008-01-15 00:00:00

一、前言：
自從Microsoft于數年前推出WinCE操作系統，首先應用于PDA設備上，其功能的表現與現有Windows系統不相上下。此時已經有人提出工控系統應用的構想，事實上Microsoft也以WinCE為踏入工控界的一項利器。對于要求系統穩定性大于新功能的工控系統來說，還是有不少人質疑WinCE的可靠性。但是經過多年的發展，Microsoft于2003年推出WinCE 4.2版后，已經大大提高系統的穩定性。而且WinCE已經具備信息系統許多功能，例如：Ethernet網絡、SQL數據庫、多媒體影像語音處理、Web聯網等等，這些功能又是原有PLC、DCS等工控設備所欠缺的，可以預見一種新的應用趨勢將要出現。近年來有些工控設備廠商也陸續推出WinCE＋I/O Module的產品，除了有PC系統的功能外，再加上PLC等級的處理控制信號能力，使得一臺WinCE設備同時具備PC＋PLC的功能。目前泓格于2003年8月所推出的WinCon-8000控制器為其中的代表作。筆者從事工控整合應用系統數十年，由早期的Mini Computer、DOS、Windows等計算機系統都使用過，當看到此種WinCE工控設備的出現，而且價格遠比以往PLC設備等更具競爭力時，可以想見的許多原先無法辦到或者整合的系統將是有解，而且一些新的應用將會被創造出來。
本文將以WinCon-8000為例，說明WinCE系統的新功能，依據筆者的以往實務經驗提出一些應用構想，希望能夠拋磚引玉，觸發有興趣者一些新的應用方式，能夠與工控業界同好互勉之。

二、WinCon-8000主要特點：
在此不做WinCE基本功能的說明，基本上此與Windows功能是相同的。WinCE加強Real Time功能、較小的操作系統、快速系統啟動、中斷處理等方面功能，以因應自動控制的最重要需求：「時間掌控、實時反應」。
我們重點要放在當WinCE作為工控系統時，必須重視的是相關軟硬件系統搭配，畢竟此與一般的PC系統是不同的。
1.I/O模塊：I/O Module分成三種類：串行式連接、Ethernet網絡連接、Parallel Bus（Build in I/O）連接等。其中串行式速度最慢，Ethernet網絡次之，Parallel Bus最快。此三種架構的I/O Module都有適用的場合，因應所規劃的信號響應速度，選擇所需的種類。但是在此必須提醒的一點是Parallel Bus I/O，具有非常快速的信號反應，又因為與主機在同一個設備上共享同一電源，所以沒有串行式及Ethernet網絡等兩種I/O，可能發生網絡斷線或電源斷線等故障。也就是Parallel Bus I/O的速度及穩定度遠大于其它兩種I/O，這是在規劃一個控制系統架構時，必須考慮的要點。而不要迷信只有Ethernet I/O就可以取代一切信號點的做法。

另外網絡I/O尚有CAN(Control Area Network) Bus與泓格自有的FRNet透過Modbus/RTU、CANOpen、DeviceNet等通信規約, 可以與泓格的I-7000、I-8000及其它廠牌的CAN I/O相連接，而且FRNet則是沿用了PLC架構的優點，采用Token Ring的方式，無須軟件協議，在固定的時間內可以掃描所有的I/O點，再透過Dual-Port RAM的方式與主控制層做溝通。
2.Soft PLC：提供ISaGRAF、Micro Trace Mode等Soft Logic PLC的軟件包，可以完全執行PLC的Ladder Diagram的程序功能。使用方式就是先于PC上編輯設計Ladder Diagram應用程序，然后下載至WinCon-8000執行。也就是可以當作一臺PLC來使用，而且還有以下數點PLC所不能做到的功能，如此架構可以產生PLC Plus的效果。此Plus的功能就會激發出許多新的應用架構。
3.SCADA System：提供Indusoft Web Studio、AdAstrA Embedded HMI等套裝監控系統。于WinCon-8000上提供的是執行版本。先于PC設計所要的監控畫面，然后Download至WinCon-8000上執行。這些監控系統也具備各種PLC的通信模塊以及OPC Client的Driver，所以除了與WinCon-8000本身的I/O Module通信外，還很容易地與其它PLC通信。我們可以發現以前一臺某廠牌的PLC要與另一廠牌的通信是多么困難的一件事，現在可以藉由PLC與SCADA為一體的架構做到。又SCADA具有Web的功能，所以透過Internet做到Remote Control的功能。我們想象單獨一臺PLC要上Internet又是何等的困難，但是WinCon-8000可以輕易地辦到，只不過WinCE是先進的操作系統，很簡單地就可以融入現有信息系統的大架構中，此功能不過舉手之勞，但是在實務應用上卻是一大突破。可以想見地許多新的應用領域將會被開發出來。
4.OPC and Modbus支援：WinCon-8000提供OPC以及Modbus等兩種數據通信方式，可以與外部系統做I/O信號值的數據交換。這些通信方式為工控業界的兩大通信標準，所以系統整合也是標準化。舉例來說：以前任何一個程序要與PLC相連以讀寫相關信號點，必須自行設計通信Driver，但是對于各種PLC不同的通信方式及信號安排都不熟悉，系統設計門坎非常的高。如今只要依據以上兩種通信標準，市面上有許多組件可以使用。只要使用一臺 WinCon-8000就搞定一切。
5.SQL數據庫：此功能是非常重要的一點。此為標準的關系型數據庫，與Windows SQL Server同一等級。一般控制系統因為受限于硬件的架構，只能專注于信號點的處理，而無法做大量數據的處理。但是PC軟硬件系統的發展，使得此方面的基礎系統健全，而且價格更便宜，因此大量資料的儲存及處理變成可能，可以擴展許多新的應用領域。例如：配方表、生產工單、產品品質紀錄、操作紀錄、警報紀錄、作業程序步驟、影像文件、語音文件、設備運轉紀錄、大量信號數據記錄、….等等各種形式數據的運用。當數據越詳細，活用數據的機會越多，就會創造許多新的功能，信息越透明就會使得控制更為精確，同時也降低人為的錯誤率，并且延伸出許多新的應用手法。
6.網絡聯機iPush：此功能打開一扇網絡方便門，使得應用系統使用者不用知道背后復雜的網絡處理程序。以往如果設計網絡系統，就必須知道TCP/IP、Socket、網絡通信規約7層架構、….等等技術知識，然后設計網絡通信程序，又要考慮通信量、通信速度、Socket API使用、通信Timing的掌握…等等高級的程序設計技巧。同時通信的形式又有多種選擇，例如：簡訊、語音通知、影像傳輸、E-mail、Message、主動廣播、多數或單獨通知、通信頻率、單向或雙向通信、….等等不同方式。最后接收端的選擇也是多樣性，例如：監控系統、OPC Server、Excel、PDA、手機、Internet瀏覽器、….等等。如今以上的一切都交給iPush就可以了。如下圖所示。

WinCon-8000已經配置有iPush Server，經過設定后就可以做到以上所有的事情。于接收端(iPush Client)則提供各種組件負責接收，例如：Excel或Internet瀏覽器安裝相關組件，就可以開始與WinCon-8000通信，完全不用設計程序。當然如果想要自行設計程序，然后透過 iPush做網絡通信也非常簡單，無論于iPush Server端或者iPush Client端，只要運用相關組件API就可以達到目的，所使用的API也簡化到connect、read、write、disconnect、…等少數功能即可。
我們要曉得使用WinCon-8000絕大部分為電機設計人員，可以想見當要這類使用者去設計復雜網絡程序，如同緣木求漁一般的困難。但是工控設備要連上網絡這又是必須經過的第一道關卡，如今見到WinCon-8000對這方面提出解決方案，這就是完全站在使用者立場所設計出來的產品。
7.開發工具應用：如果要自行開發程序有Visual Basic .NET、Visual C#、Embedded Visual C++等多種工具。同時也有多種接口API以作為整合設計用。例如：控制I/O的DLL、iPush組件、SCADA System API、SQL Server API、Modbus Protocol DLL、OPC接口等。也就是可以由各種功能層面得到所要的連接接口，如此形成一個完全的整合系統，無論從哪一方面切入都可以得到滿意的整合性。所以使用者可以放心去設計特有功能的程序，然后整合至原有套裝系統，變成一個新的應用系統。

三、應用趨勢探討：
以下的應用架構是依據我以前的實務經驗所想象出來的，于系統上、技術上絕對可行，所缺少的是實際應用例。只要讀者抓住各應用例的核心功能，尋找適當的應用場合，就可以發揮WinCon-8000的最大效能。
1.單一或遠程控制盤：
1.1應用說明：
* 一般控制盤都是將現場信號配線至端子盤后，接至PLC的I/O Module內，設計Ladder Diagram程序做控制，再通信連接至PC的SCADA系統或者專用的監控系統接口設備，做各種人機畫面操作。
* 如今可以將Ladder Diagram以及SCADA監控系統設計于同一臺WinCon-8000內。而且還有先進的Web Internet遠程監控功能，再加上iPush主動將信號送至所指定的系統上。
1.2主要功能：
* 一臺設備即可組合成IPC＋PLC相同的功能。
* 遠程監控功能，尤其適合于該控制盤配置于人員無法隨時管理的地方，透過此功能達到遙控目的。
* 網絡配置只要利用現有電訊設備，例如：ADSL等即可。
1.3系統組成：Soft PLC、SCADA、iPush等系統。
2.配方機器控制：
2.1應用說明：
* 有許多生產設備需要配方表的控制，例如：塑料成型設備、預拌混凝土生產系統、飼料生產設備…等等。
* 依據配方會連動不一樣的I/O控制。而且以網絡與中控室主計算機系統聯機視需要隨時更新配方規格。
* 目前系統大都使用PLC再加PC或者監控觸控屏幕，采單機作業，無法網絡整合。
2.2主要功能：
* 一臺設備即可組合成IPC＋PLC相同的功能。
* SQL Server儲存配方規格及操作步驟程序等，提供最人性化的接口操作。
* 與中控系統聯網隨時做數據交換及更新。
2.3系統組成：Soft PLC、SCADA、SQL Server等系統。
3.居家保全控制主機：
3.1應用說明：
* 以往保全系統是一個專屬的封閉系統，除了居家的門窗、火警、門禁等信號外，都使用電訊專線以達到聯機通信的功能。所以保全系統較難擴展至廣泛應用領域。
* 使用WinCon-8000可以設計成保全主控機，搭配現有電訊網絡系統，就是保全系統。
* 社區式的保全系統，將很容易構成，甚至老人居家服務系統都可以實踐。
3.2主要功能：
* 使用標準PLC I/O信號連接門窗、火警、門禁等信號點，排除目前保全系統特殊的規格限制。
* 標準電訊網絡系統，馬上聯網上線，還有Web Internet功能，屋主隨時隨地都可以上網查知目前狀況。
* 有警報可以透過手機、簡訊、E-mail等各種方式，實時通知相關人員。
* 可以發展成標準化產品，實踐客戶自行安裝使用的可能性。
3.3系統組成：Soft PLC、SCADA、SQL Server、iPush等系統。如果再加上開發成保全套裝系統，客戶透過少許的設定就可以使用。
4.運輸卡車控制器：
4.1應用說明：
* 有許多大宗物品（例如：水泥、谷物、石油、石化產品、砂石、預拌混凝土）裝載、運送、卸貨時都需要做管理。卡車行進時，還需要紀錄里程數、油料管理、目前位置、紀錄及預估到達及回廠時間等數據。
* 此大宗物質需要特殊的倉儲設備，提發貨時需要過磅作業。
* 目前尚無完美的運轉數據控制器，但是WinCon-8000可以做到。
4.2主要功能：
* 連接GPS衛星定位系統，透過無線網絡隨時發出卡車位置，行控中心實時掌控各卡車目前位置，預測到達時間，作為調度車輛重要參考。
* 以I/O信號連接哩程、油料等信號，紀錄每趟實際數，取代現有的紀錄紙設備。依據實際值可以統計出各種有用信息，例如：行車路線改進、卡車運轉狀態、司機操作管理…等等。
* SQL Server也可以記錄載運貨品的送貨、訂貨、提貨…等各式資料。
* 至貨物倉儲設備提卸貨時，可以與其控制設備聯機，做自動控制操作，目前此方面國外已經有人做到無人化的管理。
4.3系統組成：Soft PLC、SCADA、iPush、SQL Server、外加GPS設備及無線上網等
5.多種通信規約轉換設備：
5.1應用說明：
* 各種控制器的通信規約都不相同，如何將兩者數據轉換通信就是一個大問題。
* 使用WinCE基本系統，COM Port、Ethernet、Multi-Task等再加上開發相關程序，就可以變成一個Multi-Gateway新的產品。
5.2主要功能：
* 通信規約的轉換。
5.3系統組成：Visual C#、Embedded Visual C++等開發工具，再使用WinCE系統API，依據不同通信規約開發相關程序。
6.遠程警報傳送設備：
6.1應用說明：
* 環保監測器、大型管線監測站、自來水加壓站、河流水位監測、氣象監測站、電訊基地臺、…等等使用情形，都是單獨將監控設備置于戶外或者無人操作的場合。此應用最需要的兩個功能：一為有必要時上網查看，另一為警報發生時主動通報。
* 以目前PLC的做法，無法單獨完成，都必須再配置一臺PC才能完成上述的兩個功能。
6.2主要功能：
* 一臺設備即可組合成IPC＋PLC相同的功能。
* 信號監視、紀錄、警報處理等。
* Web Internet畫面查詢，警報時透過網絡主動通知。
* 可以連接門禁設備、刷卡管制等相關設備。
6.3系統組成：Soft PLC、SCADA、iPush等。再加上Visual C#、Visual C++開發相關特殊功能。
7.MES系統區域控制器：
7.1應用說明：
* MES縮寫為Manufactory Execution System，此為生產信息管理系統。與生產線的機臺、設備信號、刷卡等各種實時信息相連接。
* 需要下載生產工單、配方、產品規格、原物料補充、生產操作程序…等等生產命令。也要上傳實際生產數量、機臺運轉狀態、產品品質、原物料情形、…等等各種信息。
* 必須有設備負責此方面數據聯機、數據暫存、設備間接口通信等功能。目前大都以PC再加PLC做此工作，WinCE將來可能變成此種整合工作的標準產品。
7.2主要功能：
生產機臺與中控系統的通信Gateway。
SQL Server儲存生產相關數據
監控畫面顯示生產狀況及操作畫面
I/O信號與相關設備連接做必要的控制。
7.3系統組成：Soft PLC、SCADA、iPush、SQL Server等。再加上Visual C#、Visual C++開發相關特殊功能。
8.倉儲檢料系統：
8.1應用說明：
* 電子產品、化妝品、藥品、食品飲料…等等具有各種型號及件數計算的產品發貨時，會面臨每一種發貨單都是不一樣的型號及數量。所以倉儲人員檢料配貨常常出錯。
* 目前檢料系統大都以燈號、LED顯示等方式提醒操作人員。
* WinCon-8000可以提供此功能還可以再加上許多新功能，防止出錯。
8.2主要功能：
* 燈號及倉儲設備開關都可以由I/O信號或者通信聯機控制。
* CRT畫面顯示取代原有LED，可以得到更多的信息。例如：出貨單數據、產品規格及影像等。
* 檢料完成馬上于畫面操作，實時更新數據庫。
8.3系統組成：Soft PLC、SCADA、SQL Server等。
四、結語：
由以上說明來看，我們已經發現WinCE可以做到PLC功能外，再加上許多Windows系統的功能。我們也發現許多好的應用架構，可能有人會質疑把所有的功能都放在一臺設備上，會是一種正確的做法嗎？大家不要忘記因為網絡系統的發展，就是要做到分散控制的目的，一臺WinCE應用于一種特定功能或者一段制程的控制，整合多臺WinCE就形成一個完整系統，因為WinCE功能越完整就可以使用其中必要的功能完成一個所要的控制功能。當然以目前WinCE的架構，還談不上取代PLC，但是WinCE所具備新的系統功能，可以延伸出許多PLC所做不到的系統，而且有許多以前因為種種的限制無法使用自動控制技術，現在都變成可能。我們再來看SQL數據庫、Web Internet、網絡聯機、Multi-Task、Multi-Media….等等都是現有控制設備所缺少的。如何整合及發揮這些功能于應用系統上，就是一個重要的課題。談WinCE系統不應該由取代PLC、DCS等現有控制系統的觀點來看應用趨勢，而是如何整合這些系統，研發新的功能以加強現有系統的不足，另一方面開發新的應用領域，例如：商業上、生活上等應用，而不只限于工業上。如此思考將會有許多意想不到的應用等著我們去開發。
我們再由系統整合設計者的角度來看，一向遇到的問題就是如何整合不同的軟硬件系統，所以常常被迫設計低階的系統程序，以作為系統間的接口。WinCon-8000是標準的信息架構，再加上驅動I/O信號的能力，已經提供大部分如何整合入信息系統的平臺。系統整合者可以專注心力于應用系統的創新開發，而不用分心解決信息系統基礎架構問題。如此WinCE Based控制器將會發揮關鍵性的角色，可以預見的WinCE將會成為工控系統中不可或缺的重要系統。