基于 EtherCAT 和 PC 的控制技术助力实现定制化汽车设备的标准化

　　多举措加快安全带总成上市速度并提升系统产能

　　索德西亚集团(Sodecia)的全球技术与自动化中心(GTAC)主要为汽车行业量产定制要求极高的制造机械。他们采用已在整个Sodecia集团标准化使用的基于 PC 和 EtherCAT 的倍福控制和驱动技术重新设计了一款汽车安全带装配设备。

　　Sodecia GTAC 位于加拿大安大略省伦敦，是葡萄牙 Sodecia 集团旗下的自动化事业部。2021 年，GTAC 收到一份订单，为一家合作多年的全球汽车制造商重新设计一款能够提升安全带高度调节器装配设备产量的设备，但项目工期要求非常紧。

　　多年来，GTAC 已经投入了大量时间和资源构建标准化的控制架构和模块化、可重复使用的代码。“通过我们的控制代码，我们将项目完成时间从通常的 8 个月至 1 年缩短到 3 至 4 个月。”Sodecia GTAC 控制工程师 Chris Drees 说道，“这意味着我们的任何一名工程师都可以根据故障代码轻松排除标准设备或定制设备的故障。”

　　因此，无论生产计划多么紧张，Sodecia 都能出色完成任务。据 Sodecia GTAC 的前独立自动化事业部创建人之一的 Brent Lekx-Toniolo 称，这种竞争优势具有必然性。“由于客户订购的设备需要尽快投入使用，我们在 2000 年左右设计了构建框架的方案。”2007 年，GTAC 利用倍福在控制和通信技术方面的优势，实现了这一框架。“在对其它控制平台进行了大量试验和反复比较后，我们发现倍福就是我们等待已久的解决方案。”Brent Lekx-Toniolo 补充道。“倍福从那时起就一直是我们值得信赖的合作伙伴。”

　　基于标准代码进行微调

　　Sodecia 将自动化事业部的多项创新技术作为标准在集团内部推广，在集团设立在全球的近 40 个生产基地中获得了广泛应用。由 GTAC 设计、编程和调试的汽车零部件自动化装配和焊接解决方案证明了自己的实力。“与大型焊接机器人相比，汽车安全带高度调节器 SBHA#3 具有体积小、装配速度快的特点。”Sodecia GTAC 的 PLC 和机器人技术员 Jesse Underhill 说道，“我们调整了用于诸如旋转分度工作台逻辑与基于伺服的运动控制和数据传输的标准代码结构。”Chris Drees 补充道：“我们还想要提高设备的运行时间，提高设备综合效率(OEE)，提升设备性能。同时我们最近还对标准代码进行了一些更新，以扩展功能。”

　　新设备由五个部分构成。两个部分用于装配安全带高度调节器释放按钮，即一个弹簧式执行机构。在下一部分设备中，安全带总成被插入到一块带螺母的小型钢板中，随后钢板在一根钢轨上上下滑动。第四个部分是将安全带总成安装到导轨上，导轨最后会被安装到车辆底盘上。最后一个部分是质量检验，测量安全带总成的高度和负荷。系统为此配备了 2 个伺服驱动器以控制 4 台伺服电机、2 台机器视觉相机、5 台变频器(VFD)、6 台库卡机器人、13 个电磁阀组和 100 多个 I/O 端子模块。因此，高效的实时控制和通信是关键。

　　最早的装配生产线由多个独立的单元和用于在其间输送工件的外部输送设备构成。在第一次重新设计该系统时，GTAC 的工程师将设备体积缩小了近一半，外壳尺寸减小为 6 x 6 m(20 x 20 英尺)。“前两次迭代实现了每 5.4 秒生产一个零件，但这一次需要将生产时间缩短到 5.1 秒。”Chris Drees 解释道。

　　基于 PC 和 EtherCAT 的逻辑与运动控制

　　基于 PC 的自动化解决方案配备灵活的 TwinCAT 3 通用软件平台，控制包括 PLC、机器人运动学、功能安全以及 IoT 在内的所有设备功能。基于 PC 的设备控制器上可以同时运行 TwinCAT 以及其它软件。TwinCAT 开发环境完全集成在 Microsoft Visual Studio™ 中，因此 GTAC 的工程师们能够选择他们最熟悉的或最适合自己项目的编程语言。倍福的 CP2215 面板型 PC 上装载了 TwinCAT Runtime，既可用作设备控制器，也可用作用户界面。15 英寸的多点触控显示屏支持直观操作、诊断以及通过访问 PLC 代码进行故障排除。

　　EtherCAT 作为理想的运动控制总线，实现了倍福 AX5000 系列伺服驱动器、第三方变频器和库卡机器人的快速循环。“库卡机器人已经采用了 EtherCAT 技术，因此我们除了能够简化通信任务之外，甚至还可以使用 Safety over EtherCAT(FSoE)实现更安全的系统。”Chris Drees 说道。这种经过 TÜV 认证的安全协议省去了安全控制器与每个急停装置、光幕或其它安全设备的硬接线工作。FSoE 通过标准 I/O 使用的相同以太网电缆发送安全数据，从而减少了布线工作量。AX5000 驱动器配备了 AX580x TwinSAFE 选项卡，可以实现驱动器集成的安全功能。

　　GTAC 工程师认为，EtherCAT 的另一个主要优势是强大的诊断功能。“当我们改用 EtherCAT 后，我惊讶地发现故障和错误排除竟然如此简单，真是太不可思议了。”Sodecia GTAC 控制部门经理 Danilo Silva 说道。“我曾经使用过的其它现场总线很难做到这一点。通过 EtherCAT 可以诊断出任何故障，准确地知道故障节点出现的具体位置并加以解决。”EtherCAT 支持 30 多种重要的现场总线和通信协议，简化了两台机器视觉相机的集成工作，只需增加一个 EK9500 总线耦合器，即可通过 EtherNet/IP 连接这两台相机。倍福拥有各种防护等级为 IP20 的 DIN 导轨安装式 EtherCAT I/O 端子模块或者可直接安装在设备上的 IP67 级 EtherCAT 端子盒，可以根据每个应用的独特需求提供合适的解决方案。

　　安全带装配工作开足马力，全速前进

　　GTAC 工程师通过新型定制设备取得了惊人的成绩。Sodecia 使用 TwinCAT 自动化软件对其代码库进行了重要更新，实践证明这些更新非常有益。SBHA#3 实现了 5.1 秒/件的吞吐率，支持 EtherCAT 总线的设备控制器以 125 μs 的超快扫描速率运行。项目也按照时间节点准时完成：2021 年 9 月开工，在2022 年 3 月开始试运行。

　　在该项目的建设中，Sodecia 与倍福加拿大分公司的区域销售经理 Dean Herron 和应用工程师 Jim Fallowfield 一直保持密切沟通和良好合作。“倍福与 Sodecia 都创立于 1980 年，我们都一直孜孜不倦地努力钻研我们的技术。”Dean Herron 说道。“Sodecia 灵活的模块化设备开发方案与我们基于 PC 的控制技术理念相得益彰，他们的团队因而能够显著简化软件和硬件开发工作。”

　　更多信息：

　　www.beckhoff.com.cn/automotive

　　图片译文

　　与第一次设计的装配系统相比，Sodecia 将系统的体积缩小了近一半，需要用 SBHA#3 进一步提升系统产能

　　采用单电缆技术(OCT)的 AM8000 系列伺服电机减少了 50% 的布线工作量

　　工程师可以将防护等级为 IP67 的 EP 系列 EtherCAT I/O 端子盒直接安装在生产环境中

　　倍福可以提供各种 EL 系列 EtherCAT 数字量和模拟量端子模块以及 TwinSAFE I/O，支持集成到各种网络中

　　倍福的 CP2215 多点触控面板型 PC 既可用作设备控制器，也可用作直观的用户界面

　　在位于安大略省伦敦的 Sodecia 全球技术和自动化中心(左起)：Jessy Underhill、Danilo Abijaude Silva、倍福加拿大分公司的 Dean Herron、Ervin Pfaff 和 Chris Drees