使用 TwinCAT 3 實(shí)現(xiàn)高級(jí)測(cè)量數(shù)據(jù)處理

倍福集成式狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)助力實(shí)現(xiàn)過程優(yōu)化

  TAR Automation 公司專注于高品質(zhì)自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)，通過集成創(chuàng)新的控制解決方案為制造企業(yè)提供支持。除了設(shè)計(jì)和實(shí)施新的系統(tǒng)以及對(duì)生產(chǎn)機(jī)器進(jìn)行自動(dòng)化改造之外，TAR 公司還開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的系統(tǒng)解決方案。該公司總部位于德國丁斯拉肯，最近正在以倍福的集成式自動(dòng)化解決方案為依托開發(fā)一套高效的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CMS）。

  TAR 9964 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于裝有 TwinCAT 3 軟件的 CX5140 嵌入式控制器、TwinCAT 狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件庫和 EtherCAT 端子模塊構(gòu)成的控制平臺(tái)

  “在我們公司成立初期，我們幾乎使用的都是傳統(tǒng)的 PLC 和 SCADA 產(chǎn)品。現(xiàn)在，我們?cè)絹碓蕉嗟夭捎帽陡；?PC 的自動(dòng)化解決方案。”TAR Automation 公司總經(jīng)理 Alfred Rachner 解釋道。“多功能的 TwinCAT 3 自動(dòng)化平臺(tái)為我們的工程師創(chuàng)建軟件組件提供了一個(gè)高效的開發(fā)環(huán)境。它采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，但盡管如此還是集成式的。可精確滿足各種性能需求的嵌入式控制器系列為實(shí)現(xiàn)手頭上的任何任務(wù)提供了理想的硬件平臺(tái)。”

高度精確和可定制化：無縫集成狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

  “基于 PC 的控制解決方案讓我們能夠?qū)⒃S多新功能集成到自動(dòng)化技術(shù)中，而這在過去只能使用專用的‘黑盒子設(shè)備’實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是一個(gè)很好的例子。”Alfred Rachner 說道。傳統(tǒng)的 CMS 通常作為獨(dú)立的子系統(tǒng)安裝在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，它由專為數(shù)據(jù)采樣和分析用的專用硬件構(gòu)成，有一定數(shù)量的通道和定義的功能。這使得這類獨(dú)立解決方案非常不靈活：用戶無法響應(yīng)不斷變化的需求，狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能變得難以整合，而且非常昂貴。

  提升靈活性并降低成本的需求都推動(dòng)了 TAR 工程團(tuán)隊(duì)在裝有 TwinCAT 3 軟件的 CX5140 嵌入式控制器、TwinCAT 狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件庫和 EtherCAT 端子模塊構(gòu)成的控制平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā) TAR 9964 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)端子模塊 EL3632 用于連接 IEPE 加速度傳感器。集成式配置具有很多優(yōu)點(diǎn)：

– 系統(tǒng)可自由編程，從而可以隨時(shí)添加新的功能

– 除了溫度測(cè)量或數(shù)字量 I/O 之外，可以使用各種 EtherCAT 端子模塊 I/O 隨時(shí)對(duì)振動(dòng)和模擬量通道進(jìn)行翻新改造

– EtherCAT，作為一個(gè)具有高精度時(shí)鐘的高帶寬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，用于同步，以及超采樣技術(shù)使得 100 kHz 的采樣率可以用于模擬量信號(hào)，50 kHz 的采樣率用于加速度值

– 狀態(tài)監(jiān)測(cè)端子模塊 EL3632 用于連接 IEPE 傳感器（加速度，擴(kuò)音器，等等），配備超采樣技術(shù)、可參數(shù)化并基于硬件的抗頻混濾波器、數(shù)字量濾波器和偏移量補(bǔ)償

– 基本分析算法可以集成為一個(gè) PLC 軟件庫，能夠隨時(shí)修改或擴(kuò)展功能

– 集成到客戶的系統(tǒng)中非常簡(jiǎn)單 — 所有常用接口，包括 PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP、CANopen 和 Ethernet，提供的一個(gè)功能

不只是狀態(tài)監(jiān)測(cè)：制粒機(jī)的過程優(yōu)化

  作為一個(gè)真實(shí)的例子，TAR 9964 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用于諸如 PCB、制冷裝置、洗衣機(jī)、各種塑料或輪胎中使用的部件等可回收材料的破碎機(jī)的監(jiān)控和工藝優(yōu)化。制粒機(jī)有一個(gè)用于切刀軸的 400 kW 的驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)用于推動(dòng)裝置和定子調(diào)整的 12 kW 的液壓裝置。切刀軸配備有加速度傳感器，傳感器數(shù)據(jù)通過 EL3632 記錄。首先，TwinCAT 狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件庫中的軟件功能塊采集和捆綁超高速任務(wù)中的數(shù)據(jù)。在一個(gè)或多個(gè)后續(xù)任務(wù)中，各種分析功能塊用于額外操作，如傅立葉分析、限值監(jiān)測(cè)、求平均值和分類。狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件庫也確保采集和分析任務(wù)的正確時(shí)間關(guān)聯(lián)性。

集成式狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以給破碎系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商帶來實(shí)實(shí)在在的好處：

– 軸承監(jiān)測(cè)：過去，軸承通過溫度測(cè)量監(jiān)控，因此當(dāng)檢測(cè)到有軸承即將損壞時(shí)就已經(jīng)太晚了

– 振動(dòng)、限值和趨勢(shì)分析：在代價(jià)高昂的損壞實(shí)際發(fā)生前檢測(cè)潛在的軸承損壞

– 過量潤(rùn)滑檢測(cè)：最小化潤(rùn)滑浪費(fèi)

– 優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行：如果工作區(qū)未正確關(guān)閉，材料就會(huì)在切刀軸上“跳舞”且不能正確破碎。由此產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)在可以被測(cè)量，并通過施加壓力的方式校正進(jìn)給

– 全自動(dòng) V 形皮帶張力檢測(cè)：全自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)整松弛的 V 形皮帶

– 檢測(cè)已經(jīng)鈍掉的切刀：過去，工廠“通過耳朵”檢查，要求工作人員實(shí)際去聽設(shè)備的變化，并在需要時(shí)手動(dòng)將切刀磨鋒利。狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為檢測(cè)已經(jīng)鈍掉的切刀提供可靠的測(cè)量讀數(shù)，并自動(dòng)將切刀磨鋒利

– 集成入機(jī)器控制系統(tǒng)中：過去，物料進(jìn)給都是手動(dòng)控制的。以前曾想要用光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)控制進(jìn)給的嘗試均宣告失敗，因?yàn)榇扑榈牟牧系拇笮『托螒B(tài)差異較大。現(xiàn)在，使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)分析功能能夠可靠地檢測(cè)造粒機(jī)何時(shí)是空的，并自動(dòng)提供新的材料。機(jī)器的可持續(xù)利用使得生產(chǎn)效率提高了 50%

系統(tǒng)集成商的新潛能

 “對(duì)于 TAR 公司來說，將狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成到自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中也開辟了新的機(jī)遇和銷售潛力。” Alfred Rachner 指出。“TwinCAT 對(duì)我們來說是一個(gè)理想的集成式平臺(tái)：從簡(jiǎn)單的控制任務(wù)到運(yùn)動(dòng)控制、CNC 應(yīng)用、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全技術(shù) — 我們可以使用同一個(gè)系統(tǒng)解決任何任務(wù)。這樣就無需花費(fèi)成本讓程序員進(jìn)行有關(guān)不同平臺(tái)的培訓(xùn)，我們只需要在我們的部門中安裝和維護(hù)一個(gè)工程系統(tǒng)就夠了。同樣也可以減少在我們的客戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的維護(hù)工作量。”

倍福萊茵-魯爾區(qū)銷售辦事處經(jīng)理 Ralf Stachelhaus 與 TAR Automation 公司總經(jīng)理 Alfred Rachner（從左至右）

  “除此之外，TwinCAT 支持諸如 PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP 和 CANopen 等所有常用的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，因此我們能夠?qū)⑽覀兊慕鉀Q方案輕松地集成到我們客戶使用的控制環(huán)境中 — 例如，當(dāng)談及現(xiàn)有系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造時(shí)。前方最有效的路是基于 TwinCAT 的全集成 PLC/NC/CMS 解決方案，雖然這明顯只能對(duì)新系統(tǒng)可行。”

工業(yè) 4.0：針對(duì)垂直和水平聯(lián)網(wǎng)的通訊標(biāo)準(zhǔn)

  各種嵌入式控制器在性能和 I/O 配置方面都可以擴(kuò)展，同時(shí)提供各種聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)。在實(shí)施控制架構(gòu)時(shí)非常自由，因此可以為現(xiàn)有任務(wù)優(yōu)化解決方案。“無論我們是處理一個(gè)小型、獨(dú)立的解決方案，還是聯(lián)網(wǎng)分布式、智能控制器或一個(gè)高性能的中央解決方案 — 一切都是可能的。”TAR 總經(jīng)理總結(jié)道。“再加上支持 OPC UA 用作垂直聯(lián)網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)，它也可以集成到 ERP 系統(tǒng)中，無論是在一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)還是跨領(lǐng)域。”

借助 TwinCAT 和 EtherCAT 實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

EtherCAT 的使用不再需要子系統(tǒng)

  過去，使用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是不可能實(shí)現(xiàn) 100 kHz 的采樣率的。有了 EtherCAT，一切都變得不一樣了 — 通過全雙工、高速以太網(wǎng)和幾微秒的總線周期，其功能原理使得可用的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 90%。直接將測(cè)量數(shù)據(jù)緩存在 EtherCAT 從站中的超采樣技術(shù)能夠?qū)⒉蓸勇侍岣叩竭h(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際的總線周期。EtherCAT 從站中的分布式時(shí)鐘確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步數(shù)據(jù)采樣。抖動(dòng)明顯小于 1 微秒，有時(shí)甚至小于 100 納秒。這樣可以將各種功能集成到控制系統(tǒng)中，這在過去只能使用分布式智能子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以滿足速度要求。現(xiàn)在，EtherCAT 可以非常快速地將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。

通過 EtherCAT 實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量技術(shù)

  倍福利用 EtherCAT 功能不斷開發(fā)新的測(cè)量 I/O。端子模塊已經(jīng)可以提供用于溫度測(cè)量、負(fù)載單元分析、電流和電壓記錄、振動(dòng)監(jiān)測(cè)和各種模擬量信號(hào)，如 +/-10 V 或 0…20 mA。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無縫集成入控制系統(tǒng)中

  除了 EtherCAT 和高精度測(cè)量端子模塊，基于 PC 的控制技術(shù)在性能上的不斷提升也是能夠直接（而不是通過子系統(tǒng)）操作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。高性能設(shè)備中（如嵌入式控制器 CX2040）使用的是時(shí)鐘頻率為 2.1 Ghz 的 Intel? Core? i7 四核處理器。即使對(duì)于復(fù)雜的控制任務(wù)，這意味著有有足夠的性能儲(chǔ)備可用于分析測(cè)量數(shù)據(jù)。

TwinCAT 3 優(yōu)化數(shù)據(jù)處理

  TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件讓用戶能夠?qū)⒏鱾€(gè)程序任務(wù)分配給單獨(dú)的 CPU 核。例如，若要使用計(jì)算密集型算法來分析測(cè)量數(shù)據(jù)，可以定義一個(gè)專門的分析任務(wù)并在一個(gè)單獨(dú)的處理器核中執(zhí)行。此外，TwinCAT 3 為 PLC 程序員提供了一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件庫來處理測(cè)量數(shù)據(jù)。它被設(shè)計(jì)為一個(gè)軟件套件，讓用戶能夠根據(jù)具體的應(yīng)用和知識(shí)水平在基本數(shù)學(xué)算法或用戶專用的模塊中選擇。分析、統(tǒng)計(jì)和分類領(lǐng)域的基本算法示例包括用于快速傅里葉變換、包絡(luò)、峰度、波峰因數(shù)、真有效值和限值監(jiān)測(cè)的功能塊。用戶擁有一個(gè)全面的基本算法來開發(fā)自己的分析例程。

  用戶模塊用作另一個(gè)走向應(yīng)用的步驟。例如，這些模塊包括基本算法并封裝了監(jiān)測(cè)輥?zhàn)虞S承所需的算法。這樣，用戶可以給模塊配置各個(gè)軸承幾何數(shù)據(jù)和示教限值，而無需在內(nèi)部進(jìn)行的詳細(xì)的計(jì)算知識(shí)。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)緊湊的端子盒中，已經(jīng)可以投入使用。

 IMI Sensors 公司的壓電傳感器

  TAR Automation 公司使用的振動(dòng)傳感器基于 ICPR 技術(shù)，具有將測(cè)量信號(hào)當(dāng)作具有低源電阻的電壓值不受干擾地傳輸?shù)娘@著優(yōu)勢(shì)。這樣可以最大限度地減少相鄰設(shè)備的電氣和電磁干擾。在幾乎任何情況下都可以方便地使用不同版本和類型的傳感器，包括高溫應(yīng)用或工業(yè)防爆危險(xiǎn)區(qū)。