浙江大豐實業(yè)股份有限公司是國內領先的文體旅產業(yè)整體集成方案解決商。在杭州某國家級展覽館建設期間，大豐承攬了智能屏扇系統(tǒng)的開發(fā)工作。從遠處看，青瓷屏扇就是一副中國古典山水畫。在多達 251 樘、每樘均重達數噸的青瓷屏扇的同步運動中，倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。
該展覽館的核心功能為保藏、展示、研究和交流，是一座集圖書館、博物館、美術館、檔案館等多種場館功能于一體的綜合性場館。其建筑隨山就勢，疏密有致。其中最奪人眼球的還是館內的藝術青瓷屏扇門，它巧妙地將展覽空間與外界相連，既能隨時優(yōu)雅地打開，又能輕輕合上。每扇門既可以呈折扇式，也可以排成一面平鋪的屏風，如同宋代的畫屏。經過獨具匠心的策劃設計，整個藝術青瓷屏扇門宛若一幅“千里江山圖”，徐徐鋪展出一幅寬逾五十米的壯麗青綠山水長卷，引人入勝。館內共精心布置了 251 樘青瓷屏扇，使用了約 7 萬片純手工燒制的青瓷片。青瓷是該地區(qū)標志性的陶瓷藝術形式，以其獨特的青綠色釉面著稱，色澤溫潤如玉，是宋代（公元 960 年至 1279 年）這一文化最鼎盛時期極為流行的藝術品。這幅畫同樣也是這一時期的作品。倍福基于 PC 的控制系統(tǒng)確保了如此高大沉重的青瓷屏扇的平穩(wěn)開合，在歷史文化與尖端的自動化技術之間架起了一座視覺橋梁。
控制要求安全、平穩(wěn)、精準
早在 2020 年，該展覽館就已經進入建設階段。但由于單樘青瓷屏扇最大規(guī)格為 2.1 米 x 10.4 米，厚度為 22 厘米，重達 4 噸，對控制技術的要求非常嚴苛，因此讓青瓷屏扇動起來的方案推進一度陷入了僵局。機械不僅要安全托起這些青瓷屏扇，還要保證它們在軌道上轉動、平移過程中，不會因慣性震碎。
“裝備制造行業(yè)平時和鋼材打交道比較多，沒看過哪個項目要對付青瓷的！”大豐總工程師嚴華鋒感嘆。此外，瓷片排布的空間密度決定了機械誤差必須小。按照要求，當屏扇轉動至同一平面時，它們相互之間的距離必須嚴格控制在 1 厘米以內。如果距離太寬，屏扇就會出現(xiàn)間隙，“千里江山圖”也會少了一份美感。
這套由大豐研發(fā)的青瓷屏扇智能機械系統(tǒng)集運動控制、邏輯控制、安全監(jiān)控、實時同步等技術于一身。系統(tǒng)嵌入了防晃動、疊加拋物線式的加速算法等多種算法，能保證青瓷屏扇平穩(wěn)地“行走”16 條運動軌跡。據大豐介紹，設備的安全控制系統(tǒng)已達歐盟認證的最高標準 SIL3 等級。“我們在文化裝備領域已經達到國際一流水平。”嚴華鋒說道。
強大的 PC 控制系統(tǒng)
該控制系統(tǒng)的核心是 CX2040 嵌入式控制器，它搭載 Intel® Core™ i7 處理器，配備 4 GB 主內存和 Windows 10 操作系統(tǒng)。這一先進的 PC 控制平臺，以其卓越的硬件計算性能，結合 TwinCAT 3 自動化軟件的強大功能，為客戶提供了遵循 IEC 61131-3 標準的靈活開發(fā)環(huán)境。結構化文本（ST）、功能塊圖（FBD）和梯形圖（LD）的混合編程，極大地便利了客戶算法程序、邏輯程序的開發(fā)。此外，基于 PLCopen 規(guī)范的 TwinCAT 3 運動控制庫快速實現(xiàn)了運動控制功能的開發(fā)。
搭載 Intel® Core™ i7 四核處理器的 CX2040 嵌入式控制器為控制青瓷屏扇智能系統(tǒng)中的眾多伺服軸提供了強大的計算能力。
每樘青瓷屏按功能最多需要用 3 個軸，2 個軸控制平移，1 個軸控制旋轉。整個館內 251 樘青瓷扇使得每個控制器需要控制 100 多個軸同步。大豐使用 TwinCAT NC，通過復雜凸輪表的方式，給主軸位置指定一個相應的從動位置，規(guī)劃了插補位置與速度，完美地達到了這些控制要求。采用 C# 高級語言開發(fā)的上位監(jiān)控軟件，通過 TwinCAT ADS 協(xié)議實現(xiàn)快速大數據量的數據交互。
EtherCAT 助力實現(xiàn)高精度伺服控制
EtherCAT 是迄今為止速度最快的工業(yè)以太網技術之一，相比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線，EtherCAT 的數據傳輸速率有了極大的提升。青瓷屏扇的運行精度因此實現(xiàn)了得到顯著提升所有伺服軸使用分布式時鐘功能進行控制，以同步系統(tǒng)中的所有節(jié)點，使得整個系統(tǒng)抖動時間遠小于 1 μs。控制每樘青瓷屏需要使用3套伺服，3 個伺服驅動器通過一根網線接到 8 端口 EtherCAT 拓撲擴展模塊 CU1128 的其中一個端口上。此外，系統(tǒng)還采用了熱連接技術，因此在出現(xiàn)故障時，能夠輕松實現(xiàn)插拔與更換操作，全程無需中斷系統(tǒng)運行。
考慮設備運行的穩(wěn)定性與可靠性，青瓷屏扇系統(tǒng) 采用了 TwinCAT 3 EtherCAT Redundancy（TF6220）冗余環(huán)網技術。EtherCAT 電纜冗余功能將設備整個形成一個大的閉環(huán)，環(huán)路中的任一節(jié)點出現(xiàn)物理故障或連接故障都不會影響系統(tǒng)中其他設備的正常工作，避免了瞬時電磁干擾對整個系統(tǒng)的沖擊，極大的降低了宕機的風險。
搭載 Intel® Core™ i7 四核處理器的 CX2040 嵌入式控制器為控制青瓷屏扇智能系統(tǒng)中的眾多伺服軸提供了強大的計算能力。
科技文化深入融合趨勢
青瓷屏扇可配合使用場景以任意角度自由開合，在層疊變化中塑造深邃優(yōu)雅的視覺感受，同時它也是該展覽館的點睛之處，并具有極高的安全防護水平，保障每一位參觀者的安全。作為青瓷屏扇智能機械系統(tǒng)研發(fā)負責人，嚴華鋒認為此項目成功的關鍵在于科技與文化的深度融合：“外界一般認為舞臺機械是制造業(yè)。實際上，數字技術和文化創(chuàng)新賦能傳統(tǒng)制造業(yè)的趨勢已經非常明顯！這次體現(xiàn)國家級智造水平的展覽館參建經歷，必將是‘大豐’履歷上濃墨重彩的一筆。”
關于德國倍福（BECKHOFF）
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業(yè)，創(chuàng)立于1980年，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標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業(yè) PC、I/O 和現(xiàn)場總線組件、驅動技術、自動化軟件、無控制柜解決方案以及工業(yè)圖像解決方案既可作為獨立的組件使用，也可將它們集成到一個完整的控制系統(tǒng)中，適用于各個行業(yè)領域。經過40多年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設立40家分支機構，加上全球的合作伙伴，業(yè)務遍及75個國家和地區(qū)。
倍福于1997年進入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工350人，辦事處遍及國內30座大中城市。創(chuàng)新產品和解決方案廣泛應用于半導體、光伏太陽能、風力發(fā)電、鋰電池制造、電子制造、汽車制造、機器人、數控機床、包裝機械、煙草機械、塑料加工、物流輸送、流程工業(yè)以及智能建筑等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網于2014年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內享有“創(chuàng)新引擎”的美譽。倍福基于PC的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將IT技術、互聯(lián)網和自動化技術完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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