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解决方案

Beckhoff在德国Koch公司包装机器上的应用

华运工控网(www.ic571.com)   发表时间:2009-08-10
随着Windows PC应用场合的改变和商业运用的普及,电气工程师在设计思路、控制、通信和监控上越发具有创新性,有助于提升产品的性能。Beckhoff 开放式的产品,使用户将来能在办公室里控制设备操作,也能通过各种开放式接口使设备融入网络之中。


  Koch 公司是一家专业生产包装机械的厂家,他们的中大型机械,由于使用了Beckhoff的控制软件TwinCAT,性能价格比大大提高。该公司主设计师Heinrich Hornberger说:“它完成了PLC和NC(数控)的复杂任务。这就是PC-based――通过一个PC处理器来负责管理工作,代替了传统控制用的高昂控制设备。”Hornberger举了一个令他非常满意的应用实例,他说:“我们为VARTA公司制造的一条流水线,是信号灯/手电筒和电池的发泡生产线,所有的控制由Beckhoff 的TwinCAT来完成。”



  包装机械的生产商德国Koch公司使用Beckhoff (德国倍福)公司基于PC的自动化解决方案,采用了Beckhoff 的软PLC/NC TwinCAT软件,总线端子,快速总线光导总线及工业PC用于VARTA的手电筒包装线。

从15个以上PLC方案到一个标准化的解决方案
  一套机床控制系统可以由Beckhoff公司的4部分单元来完成:TwinCAT(PLC和NC)软件、工业PC、Beckhoff的Lightbus和总线智能端子。其核心是实时的TwinCAT软件。Heinrich Hornberger先生指出了与传统的PLC相比,TwinCAT的主要优点:“以前每个客户订购我们产品,都提出一些自己的要求,总希望在他们的机器上有一些特殊的控制功能。在这种情况下,我们首先要知道他们需要什么,然后才能着手设计。尤其一些海外客户,希望所购买的机器能符合自己的国情。于是就导致这样一个事实,即使对同样型号的设备,Koch公司的开发者也需要针对不同要求进行修改(硬件和软件),工作量非常大,所以迫切需要一个强大的解决方案,必须使原来需要15台以上PLC来解决的问题简单化,这是着手设计时要牢记的一点。正是在这种情况下,工程师决定采用Beckhoff的基于PC的解决方案。随着Windows NT操作系统的功能不断强大和高性能的奔腾处理器的问世,如今Koch公司已采用软PLC/NC来代替传统的PLC硬件和NC硬件。机床的多轴控制均由TwinCAT来完成,能针对包装机械的工艺,精确定位。”

调试时间大大缩短
  以上并不是Beckhoff TwinCAT软件功能特点的全部,同时也简化了Koch公司机床设备的设计和观念。“即使知道了怎样编程,也不能老是重新来过,”Heinrich Hornberger说,“我们在机床设备控制系统的设计方面尽可能地持续按照同一个方式进行。尽管我们有了一个标准化、可长时间使用的操作平台(该平台至少允许我们设计一个标准的接口),但是将来的控制技术总是在变化的。”

  “由于有了TwinCAT,我们可以在原来的编程模块上针对新机型进行修改。通过这个方式,我们可以节约大量的人力物力。”

  正因为有那么一些优点,Koch公司选用了Beckhoff的PC控制方案,这样工程师就没必要经常针对不同的PLC反复编程。现场信号通过分散的总线智能端子和Beckhoff的Lightbus传给IPC,TwinCAT实时地把控制命令传给执行器。

  尽管,Windows NT本身不是一个实时的操作系统,在这种情况下,Windows操作系统内核不受影响。 在操作系统和控制软件之间,TwinCAT的实时是通过一个集成的调度程序来区分计算时间的。


人机界面通过Beckhoff 的控制面板实现,这个面板是安装于远离控制PC65米处。

无需扩展卡,实现Windows实时
  Beckhoff 控制软件也可以让机器与外界进行通讯,实现远程维护,当然Koch公司的包装机械也不例外。制造商可以通过ISDN或Modem为客户提供服务,只要使用Symatec远程控制软件就可以进行。另一个非常有意义的特点是,通过以太网卡,就可以融入公司网络。工程师可以坐在办公室里对机器进行控制和访问。机器的故障和操作信息以报表的形式传到工控机,然后以Excel电子表格的形式连接和计算。吸引Koch公司工程师的另外一个优点是,TwinCAT的编程方式是基于IEC61131-3的标准。

  这样就保证了最起码的标准和工业控制的兼容性。用TwinCAT软件完成一个工程的编程工作,所有的编程语言都可以使用。Hornberger先生也承认,与传统的PLC编程方式相比,在Windows系统下进行编程和技术支持使成本有所提高,但是,Windows系统的广泛应用以及那些业已存在的技术和诀窍有利于发展微软系统技术。

  Koch公司的操作单元也在很大程度上得到简化:在监控器上,只需图形接口,就能完成彻底的可视化监控。一台机器的画面,通过独立的站,可以直接显示。Karl Saile工程师在Koch公司负责技术文件工作。他说,在操作人员面前有一张机器的图片,以前需要在纸上寻找的所有东西,如今在屏幕上一目了然。系统以文本形式报告故障信息,并很快以图片的形式显示故障点。操作工可直接在屏幕上选择最重要的安装工位和阀门岛,根据图形提供的信息,快速确定故障点,用手指在触摸屏上控制单个的阀门。

  对操作指令的介绍被编译成一个多媒体文件,操作人员可以在监控器上直接调用完整的(PDF格式)操作手册。

  一些外购的外围设备,如标签机和打印机,可用标准接口连接。Hornberger先生表示,这样做,操作起来也相当容易。“如采用传统的PLC写入这个打印接口非常耗时间,最多可持续两个星期。”

  当然,工厂规模越大,上面提到的简单化方案越能显示它在节约成本方面的重要性,因为它可以取代更多的硬件PLC和硬件NC。不过目前PC控制还不能对很小的机器提供廉价的方案,Hornberger 说:“在这种的情况下,我们希望使用Windows CE或内嵌式NT系统。”

  在主设计中,也利用了TwinCAT 的NC功能,从而大大减少了在传统NC硬件上的投入。Hornberger 先生回忆道:“以前采用传统的PLC硬件时,需加上昂贵的智能控制器去完成对机器轴的控制。”该控制器通过总线连接从PLC那里接收命令。现在,采用TwinCAT后,只需简单的控制器就足够了,控制器从PC获取指令。在VARTA工厂案例(有8个轴)中节约了大量资金,也没有必要用专门的总线作并行数据传输。

  在全神贯注进行主设计时,Hornberger 先生描述了多任务的优点:“我们为每一个控制步骤定义一个任务的响应时间,比如1、10或者100毫秒。”

  机器和外围设备的全套软件被安装在Beckhoff的箱式系列工控机中,工控机则直接安装在靠近机器的地方。平滑流畅的控制面板装着人们熟悉的Windows界面,被安装在可旋转的支架上。

  Koch 公司非常信赖Beckhoff的数据传输技术。Lightbus(光导总线)是以光纤为介质的一种现场总线,总线端子则是作为I/O的接口。Hornberger先生如是说:“以前我们必须用导线把PLC和NC控制信号并行连接到轴上,而现在采用了Beckhoff的总线端子后,我们可以把光导总线站点放在设备的任何一个地方,传递各种信号。”Koch公司采用总线端子的目的主要是连接分散的信号。一般的总线生产厂家,一个站只有8点,16点或者32点的端子模块,所以不够灵活。而Beckhoff总线端子安装在导轨上,根据具体工艺需要和信号类型自由组合。因此,外围设备对实现标准化生产也起到了相当的作用。支持多种现场总线的Beckhoff 耦合器通过总线把信号传到PC机里。



使用Beckhoff总线端子保证了Koch包装机内部大间隔尺度分布式安装简单且灵活的布线。

独立的总线端子使接线非常灵活方便
  实际应用中,总线端子有方便接线的优点,它可以在现场设备和机器上直接接线。需要时,只需插入一块总线端子,与控制器的数据交换就很容易地建立起来了。Heinrich Hornberger 说道:“如果在一条生产线上运行不同协议的总线,比如要和另一台机器建立通信,只要加上一个匹配的总线耦合器,整个工厂就运行起来了。”但Koch公司没必要采用不同的总线连接方式。无论用什么信号、模拟量、数字量或者PC机上的RS232接口,都能连接到各种开放式总线系统中。而以前要达到这样的目的,必须通过电缆作并行连接。

  据Hornberger称,Beckhoff的Lightbus 通过光纤传输数据,相对于标准的通信电缆还有其他的优点。他这样解释道:“平时,采用铜质电缆传输,我们有时必须要考虑干扰问题,例如屏蔽线的正确安放,插头的松动等,而Lightbus就没有这个问题。”

  光纤电缆很容易铺设,而且不会有什么问题。一旦安置好,Lightbus就开始工作。Hornberger强调了Beckhoff解决方案的优点:“对故障的搜索经常只是在电缆传输的开始阶段。”此外,对于Lightbus来说,在现场作长距离的信号传输也不成问题。

  生产线上各个工位之间的不同电位将不会产生不良影响,当分布式站点之间的距离为300米以内时,所有的信号可以每秒2.5兆的速率传输,并且可满足用户所期望的强度。

包装机械是这样工作的:


手电筒及其电池包装在一个相连的透明塑料泡罩内,包括说明书。

  透明塑料泡罩的下半部分及上半部分从一个制盒机分离。产品被人工地安放于塑料泡罩的下半部分。然后机械将上半部分盖上。通过高频将上下两部分焊接,并打上外形。经过最后的Euro穿孔,产品即可上架或出售。

  机械工程公司仅仅在几个月内完成了这个复杂工厂的工程。需要强调的还有,通过扩展此项目,这里可以完成10种不同类型手电筒的包装。