应用案例 | 使用倍福 TwinCAT 实现锅炉房管道焊接系统的模块化设计

　　Pipe Titan 是 LJ Welding Automation 公司最新推出的焊接机器人。倍福基于 PC 的集成式控制技术可以轻松实现模块化系统结构，为不断变化的全自动或半自动焊接生产工艺提供极大的灵活性。锅炉生产厂商 Cleaver-Brooks 使用该系统提高了管道焊接的吞吐量、质量和安全性。

　　总部位于加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿市的 LJ Welding Automation 公司的自动化工程经理 Dean Jacobs 用一个词形容了焊接设备世界：栓接。“这里安装一个子系统，那里安装一个子系统。”Jacobs 说道，“很快，焊接单元就有了 7 个控制面板，需要一个巨大的电源棒为所有这些面板供电。”因此需要采用这种栓接方案。但随着技术的进步和设备终端用户对模块化解决方案的需求日益增长，这类系统的设计和维护变得难以为继。

　　而 LJ Welding 很早就认识到，集成方法不仅能带来更简洁的外观，还能帮助企业在激烈的市场竞争中脱颖而出。公司可提供全面的焊接解决方案，并专注于埋弧焊机器人。公司业务已经遍布全球 50 多个国家，为各个行业客户提供服务。产品研发副总监 Tim Robinson 说道：“在过去的 17 年里，我们迅速发展壮大，现在我们可提供数百种产品以及很多定制的应用解决方案。我们还可以将多台设备组合在一起，提供完整的交钥匙系统。

　　新型 Pipe Titan 管道焊接系统就是这样一个焊接中心，专为直径为 2 至 24 英寸的管道而设计。首批 Pipe Titan 系统安装在位于安大略省斯特拉特福德的 Cleaver-Brooks 工厂内，用于实现高性能管道焊接。倍福的 EtherCAT 和基于 PC 的控制技术将所有功能集成到一个中央控制架构中，并提供一个灵活的全集成解决方案。

　　LJ Welding 的 Pipe Titan 焊接系统是一个交钥匙焊接中心，可加工直径为 2 至 24 英寸的管道。Cleaver-Brooks 使用该系统制造坚固耐用的防漏锅炉系统管道。

　　焊接是锅炉制造企业的核心竞争力

　　Cleaver-Brooks 是一家全球知名的锅炉房解决方案供应商，致力于降低能耗、成本和对环境的影响。作为成套火管和水管锅炉的先驱，它能够为各种规模的应用提供一体化的锅炉房设备与解决方案。公司焊接专家 Joel McLeod 表示，Cleaver-Brooks 对 Pipe Titan 提出了多项要求，包括降低成本、提高质量、提升生产效率和增强安全性。

　　“焊接是 Cleaver-Brooks 的核心竞争力，因为它有助于确保锅炉房产品和系统的结构完整性和可靠性。”Joel McLeod 解释道，“我们在整个生产过程中使用各种焊接工艺来组装和连接各种金属部件，从而制造出坚固耐用且防漏的锅炉系统。”

　　LJ Welding Automation 工程团队的任务是将简洁的设计、高确定性的控制和系统模块化结构结合于一体。Dean Jacobs 表示，他们还需要自动化和通信技术来集成 EWM 的高端焊接设备。这种焊接设备使用高度定制化的程序限制工件中热量的积聚，从而最大限度地减少压力管道的变形和腐蚀。因此，为了确保始终如一的良好焊接效果，新的焊接系统必须与现有的配方管理系统协同工作。

　　CP6700 面板型 PC 将加工中心的主控 CPU 与用作操作界面的 10 英寸触摸屏相结合。

　　基于 PC 的控制技术支持平台方法

　　Dean Jacobs 一如既往地选择倍福来应对项目中遇到的挑战。“当我十年前开始在 LJ 工作时，他们在自动化平台方面还是一片空白。”他说道，“基于 PC 的控制技术的一大优势就是能够将第三方技术集成在同一个平台上。”

　　Pipe Titan 使用适合控制柜安装的经济型面板型 PC CP6700 作为焊接设备的中央控制器，此款 PC 将用于 HMI 的 10 英寸触摸屏与用于控制的 Intel Atom® 处理器结合于一体。Pipe Titan 有两个独立的定位器，每个定位器配备了一台倍福的 CX 系列嵌入式控制器。“这两台定位器都有自己的控制器，用于简单的单轴或双轴旋转管道应用，以及功能安全和 HMI 服务器。这样，它们就可以在需要时独立运行。”Dean Jacobs 说道，“你只需拔下一台定位器的插头，将它移到设备的另一侧即可使用。我们在所有大型设备上都使用了这种模块化结构。

　　模块化的 TwinCAT 3 自动化软件使得这种架构成为一种端到端的开发和运行时环境。TwinCAT 将 PLC、HMI、运动控制、物联网、分析乃至机器学习等所有功能集成在一个中央控制平台上。TwinCAT 支持使用所有 IEC 61131-3 语言及其面向对象的语言扩展、自定义或预定义的功能块以及 Microsoft Visual Studio® 中的计算机科学标准语言进行编程。LJ Welding 可根据需要使用用于开发 HMI 的结构化文本和 JavaScript 等语言。TwinCAT 让开发团队可以专注于一个工具链，避免在不同的开发环境之间切换。据自动化工程 EIT 的 Benjamin Vandenberg 介绍，它还为源代码控制提供了高级选项。

　　AM8100 系列伺服电机以高精度旋转定位器中的管道，以实现精密焊接。

　　EtherCAT 集高速度、灵活性和安全性于一身

　　事实证明，EtherCAT 实时以太网技术的灵活性和可扩展性对于实现一体化和模块化设计起着决定性作用。EtherCAT 可以自由选择拓扑结构和热连接功能。Pipe Titan 的模块配备的多个急停按钮可通过倍福的TwinSAFE 集成式安全解决方案进行通信。严格来说，它支持模块化设备设计，无需对任何硬连线安全控制器进行物理调整，Benjamin Vandenberg 解释道：“我们有三个独立运行的安全系统，每个系统都配备一个 EL6910 TwinSAFE 逻辑端子模块。它们通过 Safety over EtherCAT(FSoE)相互通信，有了 TwinSAFE，我们只需通过软件就能打开或关闭这些连接。我们可以根据需要添加或移除不同的设备，从而使系统具有更强的适应性和可扩展性。”

　　LJ Welding 还使用了大量的 EtherCAT I/O 端子模块。EL7211 和 EL7221 伺服电机端子模块为 AM8100 系列伺服电机提供了一个紧凑的驱动解决方案。EL3255 5 通道电位计模块可确保定位器在由手柄、变速脚踏板等控制时精确的速度。支持 EtherCAT 技术的第三方设备(如 Pipe Titan 上的 VFD)可与倍福的 EtherCAT 控制器无缝连接。EtherCAT 还支持连接 30 多种通信协议，只需添加一个 I/O 模块作为网关即可。这不仅提高了组件选择的灵活性，而且还避免了栓接方案集成度低的问题。“Pipe Titan 上安装的 EL6224 IO-Link 主站端子模块特别适合用于连接激光位移传感器，此后我们还会将其用于很多其它应用中。”Dean Jacobs 说道。

　　焊接系统效果显著

　　LJ Welding 团队通过倍福基于 PC 的自动化系统实施了一套超出 Cleaver-Brooks 预期需求的系统。据 McLeod 介绍，Pipe Titan 让焊接系统的性能得到明显提升。Cleaver-Brooks 将电弧时间平均缩短了 63%，这相当于将生产速度提高了近三倍。该系统还将焊缝清理时间缩短了 90%，返工率降低了 10%，填充金属消耗量减少了 39%。“相比人工，Pipe Titan 焊接系统让我们能够更快、更高效地完成任务，从而提高生产效率和产能。错误和误差减少了，产出质量也提高了。”Joel McLeod 说道，“机械设备可以根据各项任务进行编程，并可轻松重新配置，以满足我们不断变化的生产需求。Pipe Titan 焊接系统可以取代人力，降低工伤事故风险，从而提高人员的安全性。”TwinCAT 加快了开发速度，而系统集成的 TwinCAT Scope 软件示波器则有助于实现设备的优化设置。通过倍福的工业 PC 安全指南，LJ Welding 可以安全可靠地远程访问客户设备，进行维护或故障排除。但团队的目标远不止于此。Pipe Titan 及其它设备的下一步规划是连接更高级别的系统，以进行分析和持续改进。对于 Dean Jacobs 来说，幸运的是，这是倍福技术可灵活扩展的另一个领域。TwinCAT 中已经集成了标准分析算法、无代码操作界面、通过 OPC UA 进行安全通信等功能。