基于 PC 的控制技術和 EtherCAT 助力將變壓器鐵芯制造的產能提升了 55%
http://m.moduwu.com 2022-03-04 10:47 來源：德國倍福自動化有限公司
全集成控制平臺在高效、高精度變壓器鐵芯生成設備中的應用
在變壓器鐵芯制造中，生產效率的提升不能以犧牲工件加工精度為代價。因此，OEM 制造商 Micro Tool & Machine 公司（MTM）在重新設計其 X-Shear 剪切機時，將重復精度作為首要任務。在將自動化技術從傳統的 PLC 轉換到倍福全集成控制平臺后，他們的生產效率提高了一半以上，同時加工精度也獲得很大提升。
MTM 總部位于加拿大馬尼托巴省溫尼伯市，為生產中型電力變壓器，同時也為航空航天和醫療等其它行業提供各種機械設備解決方案。公司自 1964 年成立以來，一直提供深度定制化服務，以適應獨特的工藝流程或設施布局。
兩個庫卡關節型機器人與倍福基于 PC 的控制技術進行相結合，堆放剪切好的疊片。
XS600-P20E X-Shear 剪切機通過基于 PC 的自動化技術和機器人技術實現變壓器鐵芯疊片的剪切、碼垛和組裝。在剪切單元中，設備使用 X 形刀片配置，用不同寬度的疊層線圈剪切出任何所需的幾何形狀。隨后，兩個庫卡關節型機器人與兩個拾放機械手一起組裝鐵芯。系統設計為在電子碼垛模式下一次最多可剪切和組裝 4 個變壓器鐵芯，在非電子碼垛模式下，將剪切好的疊片分揀成 30 段堆放。
MTM 總經理 Gord Atamanchuk 說，X-Shear 剪切機長 13 米（43 英尺），寬 8 米（26 英尺），其占地面積已經比許多競爭對手的設備小了三倍。“我們的集成式裝卸方法有效減少了設備的體積。”其它大多數設備都是以線性方式堆放碼垛堆，而我們使用的是節省空間的網格方式堆放。在重新設計設備期間，MTM 公司工程師們非常注重在提升產能的同時提高剪切精度，并降低組件和人工成本。
多任務處理能力是關鍵
“最關鍵的一點是實施一臺真正的多任務控制器。我們之前使用的控制平臺沒有達到我們對 Runtime 系統的要求。而且系統在執行條件或指令方面的能力有限。這意味著每分鐘生產的工件較少。”MTM 公司電氣總工程師 Eduard Streichert 解釋說道。在這次重新設計之前的五年里，工程團隊已經將 MTM 產品系列中的所有其它設備都轉換為配備倍福基于 PC 的控制技術。現在，他們已經準備好更新規模最大、技術最復雜的設備。
配備定制按鈕擴展件的 21.5 英寸 CP3921 多點觸控控制面板用作切割單元的操作界面，堆垛單元上使用的是尺寸較小的觸摸屏。
MTM 使用 TwinCAT 3 自動化軟件和倍福的 C6930 控制柜式工業 PC 中實施了多任務控制系統，可以顯著提升 X-Shear 剪切機性能。TwinCAT 中的多 Runtime 和內核隔離功能能夠高確定性地控制并行任務，包括 X 型剪切機使用的高速協調運動。TwinCAT 將編程環境集成到 Visual Studio® 中，讓程序員能夠使用最適合于項目和工程師的語言，包括 IEC 61131-3 和高級語言。
據 Eduard Streichert 介紹，C6930 控制柜式工業 PC 搭載第七代 Intel® Core™ i5 四核處理器，其高算力令人印象深刻。“作為一臺真正的多任務控制器，C6930 可以有效縮短設備循環時間，從而大幅提高產能。工業 PC 為 PC 和 PLC 技術提供了一個綜合解決方案。包括連接上位系統、實現遠程支持、存儲配方以及在 Visual Basic 中運行 HMI 所需的一切。”
此外，MTM 還選擇了一臺帶定制化按鈕擴展件的 CP3921 多點觸控控制面板用作操作界面。這臺防護等級為 IP 65 的 21 英寸觸摸屏安裝在剪切單元的立柱上。“這也是 MTM 第一次使用通過一根標準的 CAT.6A 電纜供電及傳輸 USB 2.0 和 DVI 信號的 CP-Link 4 單電纜解決方案連接面板。”倍福區域銷售工程師 Amir Kassaian 解釋說道。碼垛單元還具有操作便利性高的特點，內置一臺 12 英寸 CP2912 多點觸控控制面板。
倍福的 EtherCAT 和先進的運動控制系統顯著提高加工速度
倍福系統應用專家 Chris Timmermans 認為，運動控制系統和組網升級是 X-Shear 剪切機項目中最重要的部分之一。“MTM 全面轉換為使用倍福控制平臺，配備了 AX5000 伺服驅動器和 AM8000 伺服電機，以及各種用于剪切軸的減速機。用于控制伺服電機的 EL7211 EtherCAT 端子模塊也與采用了單電纜技術的 AM8100 伺服電機結合，實現了高度緊湊的運動控制解決方案。”Timmermans 說道。TwinCAT 軟件工具可以幫助微調各種運動，以實現最高精度，Eduard Streichert 解釋道：“我們使用 TwinCAT Scope View 調整 X-Shear 剪切機上的電機，真正實現系統性能最大程度的提升。”
倍福基于 EtherCAT 的驅動產品，其中 AX5000 伺服驅動器提升了整臺設備的運動控制性能和反饋系統性能。
EtherCAT 系統具有通信速度快，靈活性高的特點，支持實現各種硬件解決方案。EtherCAT 端子模塊產品包含各種適合安裝在控制柜中的 I/O 以及可以直接安裝在設備上的 IP67 級 EtherCAT 端子盒。此外，經過 TüV 認證的 TwinSAFE 安全端子盒和安全端子模塊可以在 TwinCAT 中靈活編程并通過標準網絡進行通信，同時省去了“黑盒子”安全開關設備硬接線所需的工程設計工作。
“集成式架構在調試和性能方面帶來了許多優勢。”Eduard Streichert 說道。“EtherCAT 和 TwinSAFE 解決方案與 CP-Link 4 相結合，顯著減少了電纜布線和接線工作。EP 端子模塊允許控制器采集傳感器以及分布在整臺 X-Shear 剪切機中的液壓和氣動設備中的信號，幫助我們在減少開支的同時，實現了性能的提升。”
優化性能
在轉為使用倍福控制平臺后，MTM 的 XS600-P20E X-Shear 剪切機的性能和功能都得到了顯著提升。剪切機的最大剪切速度提高到每分鐘 34 片，速度比以前使用的基于傳統 PLC 的機型提高了 55%。這些成果部分是由于 PLC 的周期時間明顯快于 1 ms。除了減少布線工作量和控制柜中占用的空間以及降低相關組件的成本之外，倍福的工程師還幫助 MTM 優化了伺服電機的尺寸。因此，X-Shear 剪切機的重新設計完成了其關鍵目標：保持高剪切精度，并通過提高整體性能增加設備的核心競爭力。
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）公司總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多國際標準。公司所生產的工業 PC、現場總線模塊、驅動產品和TwinCAT自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。倍福于1997年進入中國市場，致力于幫助制造企業提升競爭優勢，加速轉型升級。倍福在業內享有“創新引擎”的美譽，公司所倡導的PC控制技術具有良好的開放性，將IT技術、互聯網和自動化技術完美融合，助力實現工業 4.0 和智能制造。憑借領先的技術優勢和豐富的行業知識，倍福的創新產品和解決方案廣泛應用于風力發電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、物流輸送以及樓宇自控等眾多領域。
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