運籌帷幄，盡在 EtherCAT
德國 f | glass 公司致力于生產優質的平板玻璃，位于德國Osterwedding 市的先進生產廠可日產平板玻璃700 噸。除普通玻璃外，該公司還生產諸如安全玻璃或涂層玻璃等特種產品，用于門窗隔熱和光伏發電行業等。德國f | glass 公司的玻璃涂層生產線自動化解決方案由德國iSATT 公司提供，采用了德國倍福公司先進的控制技術。
作為荷蘭太陽能玻璃制造商 Scheutern 公司和德國 Interpane 公司的合資企業，德國 f | glass 公司是玻璃生產與光伏組件制造領域的領先制造商，有著多年的經驗和專業技術，并擁有最先進的生產設施和尖端的生產工藝。其涂層工藝方面的技術實力源自于德國Interpane 開發與咨詢公司，該公司一直專注于平板玻璃特殊涂層的應用工程、涂層工藝、機械制造以及工廠工程等方面。
高度復雜的涂層工藝可生產加工面積約 180m ×6 m的平板玻璃。涂層生產線的初始端和末端分別是玻璃板的裝載與卸載單元，通過滾筒傳送帶與玻璃生產線耦合。可對尺寸高達 7 x 3.30 m (23 x 10.8-英尺)的平板玻璃進行涂層加工。
先進的涂層技術
噴濺涂覆法是德國Interpane 公司近幾年所采用的涂層技術，可在真空環境中進行連續的涂層處理。玻璃從進料口開始通過一系列操作間，經由傳送室進入真正的涂層工作區——濺射室。濺射室的氣壓低至 10-3 mba，幾乎相當于真空環境。為使涂層均勻，玻璃會在工裝夾具的導向下勻速運動。
在噴濺涂覆過程中，真空環境的陰極和陽極之間會施加以高電壓以獲取等離子。然后，將惰性氣體氬氣灌入濺射室。當氬氣分子與濺射室中的電子發生碰撞后成為帶正電的重氬離子，由此產生所需的等離子體。高電壓使得氬離子朝著陰極的涂層材料（比如銀）加速運動。在高電壓下，氬離子獲取了更多能量撞擊目標材料引起噴射，噴射物質沉積到玻璃上，形成薄膜。為使濺射的目標材料產生化學反應，還需將氧氣引入到濺射室內。
這種處理工藝可以應用于多種類型的涂層。經過涂層工藝之后，還能對玻璃板進行進一步的處理，如加工為具有出色絕熱性能的隔熱玻璃，可應用于建筑物的門窗。
以創新的理念滿足復雜的需求
在 Interpane 公司使用多年、并徹底掌握了涂層系統的工藝控制之后，iSATT 受托開發一種新的控制理念，以滿足以下需求：
· 擴大工廠規模，整合工廠，這意味著現場總線I/O分布范圍擴大。
· 數量龐大的現場總線I/O，以及 PROFIBUS 和 CANopen 設備
· 通過一個通用的現場總線集成安全I/O
· 集成玻璃傳輸伺服驅動系統與驅動柜
· 濺射室采用模塊化設計，在控制器運行中即可插裝獨立單元，無需重新配置
· 自動識別濺射室內各個功能模塊的狀態
· 裝載和卸載機械裝置通過PROFIBUS進行通訊
· 與過程控制系統的連接
在德國 iSATT 公司的創新理念下，中央控制平臺取代了多個外部 CPU 控制系統。配有Intel® Core™2 Duo CPU 的倍福工業 PC C5102、倍福 PLC 與運動控制軟件TwinCAT PTP，以及作為控制系統中樞的 EtherCAT 現場總線，均具備相當高的性能，是滿足上述需求的理想設備。德國f | glass 公司涂層工藝總監 Jörg Mönnekes 補充道：“TwinCAT 的靈活性與模塊化能夠很好地滿足我們加工過程中的復雜需求。”
“出于以下考慮促使我們選擇這種集中化的理念。”iSATT 總經理 Peter Hennes 說道，“一方面，不同位置的控制器之間不再需要交叉通信，其主要優勢體現在集中的數據管理上。操作員/維護工程師能隨時看到所有的數據，信號跟蹤、程序修改以及系統維護等工作都可以在一個位置上完成。此外，只需要使用一個中央遠程訪問點，具有靈活的拓撲結構，一個 EtherCAT 主站便能夠滿足所有分布式I/O的需求。”
EtherCAT 網絡總共包括：20 個帶有 EtherCAT 從站連接的伺服控制器，22 個EtherCAT 端子站（其中含有 1000 個數字量I/O，60 個模擬量I/O，以及 57 個安全通道），30 個熱連接組（帶有 830 個數字量I/O），41 個 PROFIBUS 主站和 21 個 CAN 主站。工廠的擴充完成以后，還會另外添加 30 個帶有相同配置的熱連接組。
生產線全長為 180 米（590 英尺）。
涂層處理之后的質量控制。在電阻測量之前，光學傳感器會測量玻璃板的反射光與透射光。
熱連接組可在設備運行時進行熱插拔
“熱連接組的作用尤其重要”，德國 Interpane 公司的控制開發總監 Manfred Czybik 解釋道，“自動化理念的關鍵需求之一，是配備有陰極和/或渦輪分子泵的濺射室的功能靈活性，在運行時無需重新進行配置。此外，該系統還讓操作人員獲悉當前需優先處理的任務。”
濺射室更像是一個巨型的臥式箱體，目標材料的陰極、渦輪分子泵分別或同時從上方進入濺射室，而無需進行任何工藝處理。
生產線上的所有安全設備，包括傳送路徑上的全部急停按鈕，都可以通過集成到倍福 I/O 系統中的 TwinSAFE 端子來進行操作。控制室
濺射室總共劃分為 60 個隔間。不同類型的陰極需要使用不同的處理工藝，并且就控制技術而言，需要由若干I/O 以及PROFIBUS/CAN 主站所組成的熱連接組，這具體取決于設備的類型。陰極通過集中式的插頭連接件與控制器進行通信。這樣設計的好處在于，在控制器運行時，熱連接組可在任意位置上與EtherCAT 進行連接。
主站和從站協同更緊密
除支持整組設備的熱連接外，集成了現場總線主站或從站功能是EtherCAT 端子模塊系統的另一大優勢。憑借 EtherCAT 強大的高速帶寬資源，用戶無需在 PC 上集成現場總線主站，而通過 PROFIBUS 或 CANopen 主站模塊集成在現場層，并將其插入任何EtherCAT 總線端子排即可。這就意味著，現場總線主站/從站端子模塊之間的數據交換，可以直接整合到EtherCAT 協議——邏輯/物理轉換為端子適用的現場總線協議。因此，分布在一個 EtherCAT 網絡中的現場總線主站數量幾乎無任何限制，都可執行其相應任務。另一個有效改善是顯著縮短了現場總線設備之間的電纜長度。使主站和從站距離更近，正如本應用案例中的陰極裝置所示。
在 EK1101 EtherCAT 耦合器中有一個ID 開關，用于地址的分配。不僅可以在濺射室內任意位置執行操作，還可以識別陰極的類型。每個陰極類型均會分配到一個地址范圍，并將被導入到PLC 程序中，集成到所需的控制工藝。
運動控制系統保證了玻璃輸送的統一性
將玻璃送入和送出濺射室的操作均由伺服驅動系統來完成。集中計算所得的整定值會周期性地通過 EtherCAT 傳送到伺服驅動系統。首先，物料搬運機器人會將生產出的玻璃板放在生產線的滾筒式傳送帶上。這些玻璃板經過清洗，清除掉存放玻璃板時用于防止粘連的分離物。
最后一道工序是由物料搬運機器人將玻璃板成品搬離生產線，并放置到運輸架上。在正常輪班生產中，平均每分鐘都會生產出一塊玻璃板成品。
之后，玻璃板通過真空度依次遞增的三個工作室，按特定間隔排開，比方 10cm（4英寸），進入濺射室，并進行上文所述的涂層處理工藝。為了確保涂層材料均勻沉積，必須確保玻璃的傳送過程不出現任何波動。
玻璃完成涂層處理并從濺射室傳送出車間后，需要對涂層進行檢查。光學傳感器會測量出玻璃板的反射以及折射情況，然后測量玻璃板的電阻，這也是檢查涂層質量的一種方法。最后一步則是由物料搬運機器人將玻璃板成品搬離生產線，并放置到運輸架上。在常規的流水生產過程中，生產線上平均每分鐘生產一塊玻璃板成品。
集成安全技術
生產線上的所有安全設備，包括輸送路徑上的急停按鈕，都可以通過集成的倍福TwinSAFE 系統來進行操作。一旦激活了急停按鈕，所有驅動系統、閥門以及產生等離子體的動力裝置便會統一關閉。4 個KL6904 TwinSAFE 邏輯終端評估輸入的安全信號，并關閉輸出。TwinSAFE 端子之間的通信，控制器與 I/O 之間的數據交換均通過 EtherCAT 完成。
集中控制理念
盡管系統具有一定的復雜性，但德國 f | glass 公司還是選擇使用集中式控制系統。“我們認為該系統具有明顯的優勢”，德國f | glass 自動化方面的專家Alexander Kick 解釋道，“一方面，我們不再需要像分布式控制系統那樣，在控制器之間進行交叉通信；另一方面，集中化的數據管理可以讓操作人員或開發人員對所有信息一目了然。此外，信號跟蹤、程序修改、系統管理及存檔，連同集中式遠程訪問的管理成本都將大大降低。”
復雜但易于操作的控制技術
涂層生產線的可視化與主站控制系統通過倍福 ADS 接口連接到 TwinCAT。控制 PC 與主站 PC 之間有超過 5,000 個變量通過以太網實現數據交換。以太網 TCP/IP 構成了控制系統與控制器之間的物理接口。
德國 f | glass 公司網址：www.fglass.de
德國iSATT 公司網址：www.isatt.de
德國Interpane 開發與咨詢公司網址:
www.interpane.com