索德西亞集團（Sodecia）的全球技術與自動化中心（GTAC）主要為汽車行業(yè)量產(chǎn)定制要求極高的制造機械。他們采用已在整個Sodecia集團標準化使用的基于 PC 和 EtherCAT 的倍福控制和驅動技術重新設計了一款汽車安全帶裝配設備。
Sodecia GTAC 位于加拿大安大略省倫敦，是葡萄牙 Sodecia 集團旗下的自動化事業(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計一款能夠提升安全帶高度調(diào)節(jié)器裝配設備產(chǎn)量的設備，但項目工期要求非常緊。
多年來，GTAC 已經(jīng)投入了大量時間和資源構建標準化的控制架構和模塊化、可重復使用的代碼。“通過我們的控制代碼，我們將項目完成時間從通常的 8 個月至 1 年縮短到 3 至 4 個月。”Sodecia GTAC 控制工程師 Chris Drees 說道。“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準設備或定制設備的故障。”
因此，無論生產(chǎn)計劃多么緊張，Sodecia 都能出色完成任務。據(jù) Sodecia GTAC 的前獨立自動化事業(yè)部創(chuàng)建人之一的 Brent Lekx-Toniolo 稱，這種競爭優(yōu)勢具有必然性。“由于客戶訂購的設備需要盡快投入使用，我們在 2000 年左右設計了構建框架的方案。”2007 年，GTAC 利用倍福在控制和通信技術方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)了這一框架。“在對其它控制平臺進行了大量試驗和反復比較后，我們發(fā)現(xiàn)倍福就是我們等待已久的解決方案。”Brent Lekx-Toniolo 補充道。“倍福從那時起就一直是我們值得信賴的合作伙伴。”
倍福的 CP2215 多點觸控面板型 PC 既可用作設備控制器，也可用作直觀的用戶界面。
Sodecia 將自動化事業(yè)部的多項創(chuàng)新技術作為標準在集團內(nèi)部推廣，在集團設立在全球的近 40 個生產(chǎn)基地中獲得了廣泛應用。由 GTAC 設計、編程和調(diào)試的汽車零部件自動化裝配和焊接解決方案證明了自己的實力。“與大型焊接機器人相比，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。”Sodecia GTAC 的 PLC 和機器人技術員 Jesse Underhill 說道。“我們調(diào)整了用于諸如旋轉分度工作臺邏輯與基于伺服的運動控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴蚀a結構。”Chris Drees 補充道：“我們還想要提高設備的運行時間，提高設備綜合效率（OEE），提升設備性能。同時我們最近還對標準代碼進行了一些更新，以擴展功能。”
新設備由五個部分構成。兩個機構用于裝配安全帶高度調(diào)節(jié)器釋放按鈕，即一個彈簧式執(zhí)行機構。在下一部分設備中，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。第四個部分是將安全帶總成安裝到導軌上，導軌最后會被安裝到車輛底盤上。最后一個部分是質(zhì)量檢驗，測量安全帶總成的高度和負荷。系統(tǒng)為此配備了 2 個伺服驅動器以控制 4 臺伺服電機、2 臺機器視覺相機、5 臺變頻器（VFD）、6 臺庫卡機器人、13 個電磁閥組和 100 多個 I/O 端子模塊。因此，高效的實時控制和通信是關鍵。
最早的裝配生產(chǎn)線由多個獨立的單元和用于在其間輸送工件的外部輸送設備構成。在第一次重新設計該系統(tǒng)時，GTAC 的工程師將設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）。“前兩次迭代實現(xiàn)了每 5.4 秒生產(chǎn)一個零件，但這一次需要將生產(chǎn)時間縮短到 5.1 秒。”Chris Drees 解釋道。
基于 PC 和 EtherCAT 的邏輯與運動控制
基于 PC 的自動化解決方案配備靈活的 TwinCAT 3 通用軟件平臺，控制包括 PLC、機器人運動學、功能安全以及 IoT 在內(nèi)的所有設備功能。基于 PC 的設備控制器上可以同時運行 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目的編程語言。倍福的 CP2215 面板型 PC 上裝載了 TwinCAT Runtime，既可用作設備控制器，也可用作用戶界面。15 英寸的多點觸控顯示屏支持直觀操作、診斷以及通過訪問 PLC 代碼進行故障排除。
EtherCAT 作為理想的運動控制總線，實現(xiàn)了倍福 AX5000 系列伺服驅動器、第三方變頻器和庫卡機器人的快速循環(huán)。“庫卡機器人已經(jīng)采用了 EtherCAT 技術，因此我們除了能夠簡化通信任務之外，甚至還可以使用 Safety over EtherCAT（FSoE）實現(xiàn)更安全的系統(tǒng)。”Chris Drees 說道。這種經(jīng)過 TÜV 認證的安全協(xié)議省去了安全控制器與每個急停裝置、光幕或其它安全設備的硬接線工作。FSoE 通過標準 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 驅動器配備了 AX580x TwinSAFE 選項卡，可以實現(xiàn)驅動器集成的安全功能。
GTAC 工程師認為，EtherCAT 的另一個主要優(yōu)勢是強大的診斷功能。“當我們改用 EtherCAT 后，我驚訝地發(fā)現(xiàn)故障和錯誤排除竟然如此簡單，真是太不可思議了。”Sodecia GTAC 控制部門經(jīng)理 Danilo Silva 說道。“我曾經(jīng)使用過的其它現(xiàn)場總線很難做到這一點。通過 EtherCAT 可以診斷出任何故障，準確地知道故障節(jié)點出現(xiàn)的具體位置并加以解決。”EtherCAT 支持 30 多種重要的現(xiàn)場總線和通信協(xié)議，簡化了兩臺機器視覺相機的集成工作，只需增加一個 EK9500 總線耦合器，即可通過 EtherNet/IP 連接這兩臺相機。倍福擁有各種防護等級為 IP20 的 DIN 導軌安裝式 EtherCAT I/O 端子模塊或者可直接安裝在設備上的 IP67 級 EtherCAT 端子盒，可以根據(jù)每個應用的獨特需求提供合適的解決方案。
工程師可以將防護等級為 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
GTAC 工程師通過新型定制設備取得了驚人的成績。Sodecia 使用 TwinCAT 自動化軟件對其代碼庫進行了重要更新，實踐證明這些更新非常有益。SBHA#3 實現(xiàn)了 5.1 秒/件的吞吐率，支持 EtherCAT 總線的設備控制器以 125 μs 的超快掃描速率運行。項目也按照時間節(jié)點準時完成：2021 年 9 月開工，在2022 年 3 月開始試運行。
在該項目的建設中，Sodecia 與倍福加拿大分公司的區(qū)域銷售經(jīng)理 Dean Herron 和應用工程師 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。”Dean Herron 說道。”Sodecia 靈活的模塊化設備開發(fā)方案與我們基于 PC 的控制技術理念相得益彰，他們的團隊因而能夠顯著簡化軟件和硬件開發(fā)工作。”
關于德國倍福
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(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅動產(chǎn)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(tǒng)，可為各個工控領域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業(yè)務遍及 70 多個國家和地區(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(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應用于風力發(fā)電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)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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