索德西亞集團(tuán)（Sodecia）的全球技術(shù)與自動(dòng)化中心（GTAC）主要為汽車行業(yè)量產(chǎn)定制要求極高的制造機(jī)械。他們采用已在整個(gè)Sodecia集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)化使用的基于 PC 和 EtherCAT 的倍福控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù)重新設(shè)計(jì)了一款汽車安全帶裝配設(shè)備。
Sodecia GTAC 位于加拿大安大略省倫敦，是葡萄牙 Sodecia 集團(tuán)旗下的自動(dòng)化事業(yè)部。2021 年，GTAC 收到一份訂單，為一家合作多年的全球汽車制造商重新設(shè)計(jì)一款能夠提升安全帶高度調(diào)節(jié)器裝配設(shè)備產(chǎn)量的設(shè)備，但項(xiàng)目工期要求非常緊。
多年來(lái)，GTAC 已經(jīng)投入了大量時(shí)間和資源構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的控制架構(gòu)和模塊化、可重復(fù)使用的代碼。“通過(guò)我們的控制代碼，我們將項(xiàng)目完成時(shí)間從通常的 8 個(gè)月至 1 年縮短到 3 至 4 個(gè)月。”Sodecia GTAC 控制工程師 Chris Drees 說(shuō)道。“這意味著我們的任何一名工程師都可以根據(jù)故障代碼輕松排除標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或定制設(shè)備的故障。”
因此，無(wú)論生產(chǎn)計(jì)劃多么緊張，Sodecia 都能出色完成任務(wù)。據(jù) Sodecia GTAC 的前獨(dú)立自動(dòng)化事業(yè)部創(chuàng)建人之一的 Brent Lekx-Toniolo 稱，這種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)具有必然性。“由于客戶訂購(gòu)的設(shè)備需要盡快投入使用，我們?cè)?2000 年左右設(shè)計(jì)了構(gòu)建框架的方案。”2007 年，GTAC 利用倍福在控制和通信技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了這一框架。“在對(duì)其它控制平臺(tái)進(jìn)行了大量試驗(yàn)和反復(fù)比較后，我們發(fā)現(xiàn)倍福就是我們等待已久的解決方案。”Brent Lekx-Toniolo 補(bǔ)充道。“倍福從那時(shí)起就一直是我們值得信賴的合作伙伴。”
倍福的 CP2215 多點(diǎn)觸控面板型 PC 既可用作設(shè)備控制器，也可用作直觀的用戶界面。
Sodecia 將自動(dòng)化事業(yè)部的多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)在集團(tuán)內(nèi)部推廣，在集團(tuán)設(shè)立在全球的近 40 個(gè)生產(chǎn)基地中獲得了廣泛應(yīng)用。由 GTAC 設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試的汽車零部件自動(dòng)化裝配和焊接解決方案證明了自己的實(shí)力。“與大型焊接機(jī)器人相比，汽車安全帶高度調(diào)節(jié)器 SBHA#3 具有體積小、裝配速度快的特點(diǎn)。”Sodecia GTAC 的 PLC 和機(jī)器人技術(shù)員 Jesse Underhill 說(shuō)道。“我們調(diào)整了用于諸如旋轉(zhuǎn)分度工作臺(tái)邏輯與基于伺服的運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)代碼結(jié)構(gòu)。”Chris Drees 補(bǔ)充道：“我們還想要提高設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，提高設(shè)備綜合效率（OEE），提升設(shè)備性能。同時(shí)我們最近還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)代碼進(jìn)行了一些更新，以擴(kuò)展功能。”
新設(shè)備由五個(gè)部分構(gòu)成。兩個(gè)機(jī)構(gòu)用于裝配安全帶高度調(diào)節(jié)器釋放按鈕，即一個(gè)彈簧式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在下一部分設(shè)備中，安全帶總成被插入到一塊帶螺母的小型鋼板中，隨后鋼板在一根鋼軌上上下滑動(dòng)。第四個(gè)部分是將安全帶總成安裝到導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌最后會(huì)被安裝到車輛底盤上。最后一個(gè)部分是質(zhì)量檢驗(yàn)，測(cè)量安全帶總成的高度和負(fù)荷。系統(tǒng)為此配備了 2 個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器以控制 4 臺(tái)伺服電機(jī)、2 臺(tái)機(jī)器視覺(jué)相機(jī)、5 臺(tái)變頻器（VFD）、6 臺(tái)庫(kù)卡機(jī)器人、13 個(gè)電磁閥組和 100 多個(gè) I/O 端子模塊。因此，高效的實(shí)時(shí)控制和通信是關(guān)鍵。
最早的裝配生產(chǎn)線由多個(gè)獨(dú)立的單元和用于在其間輸送工件的外部輸送設(shè)備構(gòu)成。在第一次重新設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，GTAC 的工程師將設(shè)備體積縮小了近一半，外殼尺寸減小為 6 x 6 m（20 x 20 英尺）。“前兩次迭代實(shí)現(xiàn)了每 5.4 秒生產(chǎn)一個(gè)零件，但這一次需要將生產(chǎn)時(shí)間縮短到 5.1 秒。”Chris Drees 解釋道。
基于 PC 和 EtherCAT 的邏輯與運(yùn)動(dòng)控制
基于 PC 的自動(dòng)化解決方案配備靈活的 TwinCAT 3 通用軟件平臺(tái)，控制包括 PLC、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、功能安全以及 IoT 在內(nèi)的所有設(shè)備功能。基于 PC 的設(shè)備控制器上可以同時(shí)運(yùn)行 TwinCAT 以及其它軟件。TwinCAT 開發(fā)環(huán)境完全集成在 Microsoft Visual Studio™ 中，因此 GTAC 的工程師們能夠選擇他們最熟悉的或最適合自己項(xiàng)目的編程語(yǔ)言。倍福的 CP2215 面板型 PC 上裝載了 TwinCAT Runtime，既可用作設(shè)備控制器，也可用作用戶界面。15 英寸的多點(diǎn)觸控顯示屏支持直觀操作、診斷以及通過(guò)訪問(wèn) PLC 代碼進(jìn)行故障排除。
EtherCAT 作為理想的運(yùn)動(dòng)控制總線，實(shí)現(xiàn)了倍福 AX5000 系列伺服驅(qū)動(dòng)器、第三方變頻器和庫(kù)卡機(jī)器人的快速循環(huán)。“庫(kù)卡機(jī)器人已經(jīng)采用了 EtherCAT 技術(shù)，因此我們除了能夠簡(jiǎn)化通信任務(wù)之外，甚至還可以使用 Safety over EtherCAT（FSoE）實(shí)現(xiàn)更安全的系統(tǒng)。”Chris Drees 說(shuō)道。這種經(jīng)過(guò) TÜV 認(rèn)證的安全協(xié)議省去了安全控制器與每個(gè)急停裝置、光幕或其它安全設(shè)備的硬接線工作。FSoE 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) I/O 使用的相同以太網(wǎng)電纜發(fā)送安全數(shù)據(jù)，從而減少了布線工作量。AX5000 驅(qū)動(dòng)器配備了 AX580x TwinSAFE 選項(xiàng)卡，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器集成的安全功能。
GTAC 工程師認(rèn)為，EtherCAT 的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)大的診斷功能。“當(dāng)我們改用 EtherCAT 后，我驚訝地發(fā)現(xiàn)故障和錯(cuò)誤排除竟然如此簡(jiǎn)單，真是太不可思議了。”Sodecia GTAC 控制部門經(jīng)理 Danilo Silva 說(shuō)道。“我曾經(jīng)使用過(guò)的其它現(xiàn)場(chǎng)總線很難做到這一點(diǎn)。通過(guò) EtherCAT 可以診斷出任何故障，準(zhǔn)確地知道故障節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的具體位置并加以解決。”EtherCAT 支持 30 多種重要的現(xiàn)場(chǎng)總線和通信協(xié)議，簡(jiǎn)化了兩臺(tái)機(jī)器視覺(jué)相機(jī)的集成工作，只需增加一個(gè) EK9500 總線耦合器，即可通過(guò) EtherNet/IP 連接這兩臺(tái)相機(jī)。倍福擁有各種防護(hù)等級(jí)為 IP20 的 DIN 導(dǎo)軌安裝式 EtherCAT I/O 端子模塊或者可直接安裝在設(shè)備上的 IP67 級(jí) EtherCAT 端子盒，可以根據(jù)每個(gè)應(yīng)用的獨(dú)特需求提供合適的解決方案。
工程師可以將防護(hù)等級(jí)為 IP67 的 EP 系列 EtherCAT I/O 端子盒直接安裝在生產(chǎn)環(huán)境中。
安全帶裝配工作開足馬力，全速前進(jìn)
GTAC 工程師通過(guò)新型定制設(shè)備取得了驚人的成績(jī)。Sodecia 使用 TwinCAT 自動(dòng)化軟件對(duì)其代碼庫(kù)進(jìn)行了重要更新，實(shí)踐證明這些更新非常有益。SBHA#3 實(shí)現(xiàn)了 5.1 秒/件的吞吐率，支持 EtherCAT 總線的設(shè)備控制器以 125 μs 的超快掃描速率運(yùn)行。項(xiàng)目也按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)完成：2021 年 9 月開工，在2022 年 3 月開始試運(yùn)行。
在該項(xiàng)目的建設(shè)中，Sodecia 與倍福加拿大分公司的區(qū)域銷售經(jīng)理 Dean Herron 和應(yīng)用工程師 Jim Fallowfield 一直保持密切溝通和良好合作。“倍福與 Sodecia 都創(chuàng)立于 1980 年，我們都一直孜孜不倦地努力鉆研我們的技術(shù)。”Dean Herron 說(shuō)道。”Sodecia 靈活的模塊化設(shè)備開發(fā)方案與我們基于 PC 的控制技術(shù)理念相得益彰，他們的團(tuán)隊(duì)因而能夠顯著簡(jiǎn)化軟件和硬件開發(fā)工作。”
關(guān)于德國(guó)倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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