《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Beckhoff在德國(guó)Koch公司包裝機(jī)器上的應(yīng)用
摘要: 隨著WindowsPC應(yīng)用場(chǎng)合的改變和商業(yè)運(yùn)用的普及,電氣工程師在設(shè)計(jì)思路、控制、通信和監(jiān)控上越發(fā)具有創(chuàng)新性,有助于提升產(chǎn)品的性能。Beckhoff開放式的產(chǎn)品,使用戶將來能在辦公室里控制設(shè)備操作,也能通過各種開放式接口使設(shè)備融入網(wǎng)絡(luò)之中。Koch公司是一家專業(yè)生產(chǎn)包裝機(jī)械的廠家,他們的中大型機(jī)械,由于使用了Beckhoff的控制軟件TwinCAT,性能價(jià)格比大大提高。
Abstract:
Key words :

隨著Windows PC應(yīng)用場(chǎng)合的改變和商業(yè)運(yùn)用的普及,電氣工程師在設(shè)計(jì)思路、控制、通信和監(jiān)控上越發(fā)具有創(chuàng)新性,有助于提升產(chǎn)品的性能。Beckhoff 開放式的產(chǎn)品,使用戶將來能在辦公室里控制設(shè)備" title="控制設(shè)備">控制設(shè)備操作,也能通過各種開放式接口使設(shè)備融入網(wǎng)絡(luò)之中。

Koch 公司是一家專業(yè)生產(chǎn)包裝機(jī)械" title="包裝機(jī)械">包裝機(jī)械的廠家,他們的中大型機(jī)械,由于使用了Beckhoff的控制軟件TwinCAT,性能價(jià)格比大大提高。該公司主設(shè)計(jì)師Heinrich Hornberger說:“它完成了PLC和NC(數(shù)控)的復(fù)雜任務(wù)。這就是PC-based――通過一個(gè)PC處理器來負(fù)責(zé)管理工作,代替了傳統(tǒng)控制用的高昂控制設(shè)備。”Hornberger舉了一個(gè)令他非常滿意的應(yīng)用實(shí)例,他說:“我們?yōu)閂ARTA公司制造的一條流水線,是信號(hào)燈 /手電筒和電池的發(fā)泡生產(chǎn)線,所有的控制由Beckhoff 的TwinCAT來完成。”

包裝機(jī)械的生產(chǎn)商德國(guó)Koch公司使用Beckhoff (德國(guó)倍福)公司基于PC的自動(dòng)化解決方案,采用了Beckhoff 的軟PLC/NC TwinCAT軟件,總線端子,快速總線光導(dǎo)總線及工業(yè)PC用于VARTA的手電筒包裝線。  
  從15個(gè)以上PLC方案到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案
  一套機(jī)床控制系統(tǒng)可以由Beckhoff公司的4部分單元來完成:TwinCAT(PLC和NC)軟件、工業(yè)PC、Beckhoff的 Lightbus和總線智能端子。其核心是實(shí)時(shí)的TwinCAT軟件。Heinrich Hornberger先生指出了與傳統(tǒng)的PLC相比,TwinCAT的主要優(yōu)點(diǎn):“以前每個(gè)客戶訂購我們產(chǎn)品,都提出一些自己的要求,總希望在他們的機(jī)器上有一些特殊的控制功能。在這種情況下,我們首先要知道他們需要什么,然后才能著手設(shè)計(jì)。尤其一些海外客戶,希望所購買的機(jī)器能符合自己的國(guó)情。于是就導(dǎo)致這樣一個(gè)事實(shí),即使對(duì)同樣型號(hào)的設(shè)備,Koch 公司的開發(fā)者也需要針對(duì)不同要求進(jìn)行修改(硬件和軟件),工作量非常大,所以迫切需要一個(gè)強(qiáng)大的解決方案,必須使原來需要15臺(tái)以上PLC來解決的問題簡(jiǎn)單化,這是著手設(shè)計(jì)時(shí)要牢記的一點(diǎn)。正是在這種情況下,工程師決定采用Beckhoff的基于PC的解決方案。隨著Windows NT操作系統(tǒng)的功能不斷強(qiáng)大和高性能的奔騰處理器的問世,如今Koch公司已采用軟PLC/NC來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PLC硬件和NC硬件。機(jī)床的多軸控制均由TwinCAT來完成,能針對(duì)包裝機(jī)械的工藝,精確定位。” 
  調(diào)試時(shí)間大大縮短
  以上并不是Beckhoff TwinCAT軟件功能特點(diǎn)的全部,同時(shí)也簡(jiǎn)化了Koch公司機(jī)床設(shè)備的設(shè)計(jì)和觀念。“即使知道了怎樣編程,也不能老是重新來過,”Heinrich Hornberger說,“我們?cè)跈C(jī)床設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面盡可能地持續(xù)按照同一個(gè)方式進(jìn)行。盡管我們有了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、可長(zhǎng)時(shí)間使用的操作平臺(tái)(該平臺(tái)至少允許我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口),但是將來的控制技術(shù)總是在變化的。” 
  “由于有了TwinCAT,我們可以在原來的編程模塊上針對(duì)新機(jī)型進(jìn)行修改。通過這個(gè)方式,我們可以節(jié)約大量的人力物力。”  
  正因?yàn)橛心敲匆恍﹥?yōu)點(diǎn),Koch公司選用了Beckhoff的PC控制方案,這樣工程師就沒必要經(jīng)常針對(duì)不同的PLC反復(fù)編程?,F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過分散的總線智能端子和Beckhoff的Lightbus傳給IPC,TwinCAT實(shí)時(shí)地把控制命令傳給執(zhí)行器。
  盡管,Windows NT本身不是一個(gè)實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng),在這種情況下,Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核不受影響。 在操作系統(tǒng)和控制軟件之間,TwinCAT的實(shí)時(shí)是通過一個(gè)集成的調(diào)度程序來區(qū)分計(jì)算時(shí)間的。
  
人機(jī)界面通過Beckhoff 的控制面板" title="控制面板">控制面板實(shí)現(xiàn),這個(gè)面板是安裝于遠(yuǎn)離控制PC65米處?!?br />   無需擴(kuò)展卡,實(shí)現(xiàn)Windows實(shí)時(shí)
  Beckhoff 控制軟件也可以讓機(jī)器與外界進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù),當(dāng)然Koch公司的包裝機(jī)械也不例外。制造商可以通過ISDN或Modem為客戶提供服務(wù),只要使用Symatec遠(yuǎn)程控制軟件就可以進(jìn)行。另一個(gè)非常有意義的特點(diǎn)是,通過以太網(wǎng)卡,就可以融入公司網(wǎng)絡(luò)。工程師可以坐在辦公室里對(duì)機(jī)器進(jìn)行控制和訪問。機(jī)器的故障和操作信息以報(bào)表的形式傳到工控機(jī)" title="工控機(jī)">工控機(jī),然后以Excel電子表格的形式連接和計(jì)算。吸引Koch公司工程師的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,TwinCAT的編程方式" title="編程方式">編程方式是基于IEC61131-3的標(biāo)準(zhǔn)?! ?br />   這樣就保證了最起碼的標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)控制的兼容性。用TwinCAT軟件完成一個(gè)工程的編程工作,所有的編程語言都可以使用。Hornberger先生也承認(rèn),與傳統(tǒng)的PLC編程方式相比,在Windows系統(tǒng)下進(jìn)行編程和技術(shù)支持使成本有所提高,但是,Windows系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用以及那些業(yè)已存在的技術(shù)和訣竅有利于發(fā)展微軟系統(tǒng)技術(shù)?!?br />   Koch公司的操作單元也在很大程度上得到簡(jiǎn)化:在監(jiān)控器上,只需圖形接口,就能完成徹底的可視化監(jiān)控。一臺(tái)機(jī)器的畫面,通過獨(dú)立的站,可以直接顯示。Karl Saile工程師在Koch公司負(fù)責(zé)技術(shù)文件工作。他說,在操作人員面前有一張機(jī)器的圖片,以前需要在紙上尋找的所有東西,如今在屏幕上一目了然。系統(tǒng)以文本形式報(bào)告故障信息,并很快以圖片的形式顯示故障點(diǎn)。操作工可直接在屏幕上選擇最重要的安裝工位和閥門島,根據(jù)圖形提供的信息,快速確定故障點(diǎn),用手指在觸摸屏上控制單個(gè)的閥門?!?br />   對(duì)操作指令的介紹被編譯成一個(gè)多媒體文件,操作人員可以在監(jiān)控器上直接調(diào)用完整的(PDF格式)操作手冊(cè)  
  一些外購的外圍設(shè)備" title="外圍設(shè)備">外圍設(shè)備,如標(biāo)簽機(jī)和打印機(jī),可用標(biāo)準(zhǔn)接口連接。Hornberger先生表示,這樣做,操作起來也相當(dāng)容易。“如采用傳統(tǒng)的PLC寫入這個(gè)打印接口非常耗時(shí)間,最多可持續(xù)兩個(gè)星期。” 
  當(dāng)然,工廠規(guī)模越大,上面提到的簡(jiǎn)單化方案越能顯示它在節(jié)約成本方面的重要性,因?yàn)樗梢匀〈嗟挠布LC和硬件NC。不過目前PC控制還不能對(duì)很小的機(jī)器提供廉價(jià)的方案,Hornberger 說:“在這種的情況下,我們希望使用Windows CE或內(nèi)嵌式NT系統(tǒng)。” 
  在主設(shè)計(jì)中,也利用了TwinCAT 的NC功能,從而大大減少了在傳統(tǒng)NC硬件上的投入。Hornberger 先生回憶道:“以前采用傳統(tǒng)的 PLC硬件時(shí),需加上昂貴的智能控制器去完成對(duì)機(jī)器軸的控制。”該控制器通過總線連接從PLC那里接收命令。現(xiàn)在,采用TwinCAT后,只需簡(jiǎn)單的控制器就足夠了,控制器從PC獲取指令。在VARTA工廠案例(有8個(gè)軸)中節(jié)約了大量資金,也沒有必要用專門的總線作并行數(shù)據(jù)傳輸。
  在全神貫注進(jìn)行主設(shè)計(jì)時(shí),Hornberger 先生描述了多任務(wù)的優(yōu)點(diǎn):“我們?yōu)槊恳粋€(gè)控制步驟定義一個(gè)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間,比如1、10或者100毫秒。”
  機(jī)器和外圍設(shè)備的全套軟件被安裝在Beckhoff的箱式系列工控機(jī)中,工控機(jī)則直接安裝在靠近機(jī)器的地方。平滑流暢的控制面板裝著人們熟悉的Windows界面,被安裝在可旋轉(zhuǎn)的支架上  
  Koch 公司非常信賴Beckhoff的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。Lightbus(光導(dǎo)總線)是以光纖為介質(zhì)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線,總線端子則是作為I/O的接口。Hornberger先生如是說:“以前我們必須用導(dǎo)線把PLC和NC控制信號(hào)并行連接到軸上,而現(xiàn)在采用了Beckhoff的總線端子后,我們可以把光導(dǎo)總線站點(diǎn)放在設(shè)備的任何一個(gè)地方,傳遞各種信號(hào)。”Koch公司采用總線端子的目的主要是連接分散的信號(hào)。一般的總線生產(chǎn)廠家,一個(gè)站只有8 點(diǎn),16點(diǎn)或者32點(diǎn)的端子模塊,所以不夠靈活。而Beckhoff總線端子安裝在導(dǎo)軌上,根據(jù)具體工藝需要和信號(hào)類型自由組合。因此,外圍設(shè)備對(duì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)也起到了相當(dāng)?shù)淖饔?。支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線的Beckhoff 耦合器通過總線把信號(hào)傳到PC機(jī)里。

使用Beckhoff總線端子保證了Koch包裝機(jī)內(nèi)部大間隔尺度分布式安裝簡(jiǎn)單且靈活的布線。
  獨(dú)立的總線端子使接線非常靈活方便
  實(shí)際應(yīng)用中,總線端子有方便接線的優(yōu)點(diǎn),它可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和機(jī)器上直接接線。需要時(shí),只需插入一塊總線端子,與控制器的數(shù)據(jù)交換就很容易地建立起來了。Heinrich Hornberger 說道:“如果在一條生產(chǎn)線上運(yùn)行不同協(xié)議的總線,比如要和另一臺(tái)機(jī)器建立通信,只要加上一個(gè)匹配的總線耦合器,整個(gè)工廠就運(yùn)行起來了。”但Koch公司沒必要采用不同的總線連接方式。無論用什么信號(hào)、模擬量、數(shù)字量或者PC機(jī)上的RS232接口,都能連接到各種開放式總線系統(tǒng)中。而以前要達(dá)到這樣的目的,必須通過電纜作并行連接?!?br />   據(jù)Hornberger稱,Beckhoff的Lightbus 通過光纖傳輸數(shù)據(jù),相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的通信電纜還有其他的優(yōu)點(diǎn)。他這樣解釋道:“平時(shí),采用銅質(zhì)電纜傳輸,我們有時(shí)必須要考慮干擾問題,例如屏蔽線的正確安放,插頭的松動(dòng)等,而Lightbus就沒有這個(gè)問題。”  
  光纖電纜很容易鋪設(shè),而且不會(huì)有什么問題。一旦安置好,Lightbus就開始工作。Hornberger強(qiáng)調(diào)了Beckhoff解決方案的優(yōu)點(diǎn): “對(duì)故障的搜索經(jīng)常只是在電纜傳輸?shù)拈_始階段。”此外,對(duì)于Lightbus來說,在現(xiàn)場(chǎng)作長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸也不成問題。  
  生產(chǎn)線上各個(gè)工位之間的不同電位將不會(huì)產(chǎn)生不良影響,當(dāng)分布式站點(diǎn)之間的距離為300米以內(nèi)時(shí),所有的信號(hào)可以每秒2.5兆的速率傳輸,并且可滿足用戶所期望的強(qiáng)度。
  包裝機(jī)械是這樣工作的:

手電筒及其電池包裝在一個(gè)相連的透明塑料泡罩內(nèi),包括說明書?!?br />   透明塑料泡罩的下半部分及上半部分從一個(gè)制盒機(jī)分離。產(chǎn)品被人工地安放于塑料泡罩的下半部分。然后機(jī)械將上半部分蓋上。通過高頻將上下兩部分焊接,并打上外形。經(jīng)過最后的Euro穿孔,產(chǎn)品即可上架或出售。
  機(jī)械工程公司僅僅在幾個(gè)月內(nèi)完成了這個(gè)復(fù)雜工廠的工程。需要強(qiáng)調(diào)的還有,通過擴(kuò)展此項(xiàng)目,這里可以完成10種不同類型手電筒的包裝。

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