Beckhoff在德國Koch公司包裝機(jī)器上的應(yīng)用———基于 Windows NT 的 Beckhoff 開放式包裝機(jī)器控制－功能提高，費(fèi)用降低
隨著Windows PC應(yīng)用場合的改變和商業(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。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Koch公司使用Beckhoff （德國倍福）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)器能符合自己的國情。于是就導(dǎo)致這樣一個(gè)事實(shí)，即使對同樣型號的設(shè)備，Koch公司的開發(fā)者也需要針對不同要求進(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臺以上PLC來解決的問題簡單化，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，“我們在機(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、可長時(shí)間使用的操作平臺（該平臺至少允許我們設(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)常針對不同的PLC反復(fù)編程?，F(xiàn)場信號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 的控制面板實(shí)現(xiàn)，這個(gè)面板是安裝于遠(yuǎn)離控制PC65米處。
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)，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的編程方式是基于IEC61131-3的標(biāo)準(zhǔn)。
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)。
Koch公司的操作單元也在很大程度上得到簡化：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。
對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。
一些外購的外圍設(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?，F(xiàn)在，采用TwinCAT后，只需簡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。”Koch公司采用總線端子的目的主要是連接分散的信號。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類型自由組合。因此，外圍設(shè)備對實(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)場總線的Beckhoff 耦合器通過總線把信號傳到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、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。
據(jù)Hornberger稱，Beckhoff的Lightbus 通過光纖傳輸數(shù)據(jù)，相對于標(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)：“對故障的搜索經(jīng)常只是在電纜傳輸?shù)拈_始階段。”此外，對于Lightbus來說，在現(xiàn)場作長距離的信號傳輸也不成問題。
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:
