基于 PC 的控制技术和 OPC UA 通信在电动车领域激光焊接系统中的应用

导语：全球电动汽车市场的快速增长需要特别高效的锂离子电池制造工艺。Manz 公司的 BLS 500 激光焊接系统可以通过高精度的焊接方式将单体电芯组装成电池模组。

全球电动汽车市场的快速增长需要特别高效的锂离子电池制造工艺。Manz 公司的 BLS 500 激光焊接系统可以通过高精度的焊接方式将单体电芯组装成电池模组。Manz 的图形化编程工具和虚拟调试工具，以及倍福基于 PC 的高速控制技术和基于此技术实现的连续 OPC UA 通信确保了高效率的生产。

Manz AG 总部位于德国罗伊特林根市，是一家全球领先的高科技设备制造商，专精于电动车、动力电池、电子装置、能源和医疗器械生产设备整体解决方案。其产品系列包括：定制化的实验室生产设备或试点和小批量生产设备以及针对批量生产的标准化模块和系统或交钥匙生产线。因此，公司对设备配置的自动化技术的灵活性和性能要求特别高，比如锂离子电芯和电池系统以及电容器生产设备。

可根据应用需求定制的激光加工平台

全新的电池激光系统(BLS)500 就是最好的例子，它是一个灵活的用于完成锂离子电池生产中的各种激光工艺的加工平台。它配备标准的设备底座，既可以作为一个手动装载工件的单个系统独立运行，也可以作为集成式生产线的一部分，实现高精度激光焊接，以及激光切割和钻孔，或移除部分材料。

在实验室场景的 BLS 500 的应用中，一个由若干个圆柱电芯组成的电池模组被手动插入到设备中，但除此之外，其余步骤全部都是自动完成。然后通过激光将电芯焊接到接触元件上。图形化编程工具 Smart Laser Assistant 使用底层电池模组的 CAD 数据创建相关配方，即所有焊接点的最佳路径计算，以及每种情况下的合适激光功率。Manz 公司软件核心设计和产品开发主管 Stephan Lausterer 在介绍其明显的应用优势时说道：“我们的编程工具可以帮助 BLS 500 更轻松地适应不同的应用需求，即不同的电芯类型和模组格式。”然后可以在 Manz 的虚拟调试工具中方便地检查结果，并且不仅如此，他补充道：“使用该模型可以在设备真正进行机械安装之前事先详细和真实地测试控制程序，从而加速和简化调试流程。此外，通过图像处理功能比较电池包的 CAD 数据与真实数据，并将焊接过程中的所有偏移值计算在内，以实现高精度加工。所有这些方面都可受益于 TwinCAT 控制软件，它集成了方便、强大的 OPC UA 功能。”

基于 PC 的控制技术的系统优势

近年来，Manz 公司越来越重视灵活、高性能的控制技术，正是这一点最终促成了我们与倍福的合作，至今已持续了 10 多年。Stephan Lausterer 对此做出了详细的解释：“一开始，Manz 开发了自己的控制技术;但由于机械工程越来越多地使用电子元器件，并且该领域的创新周期又特别快，自行开发变得越来越困难。因此，我们决定寻找一个专业的控制系统供应商合作。我们根据一定的标准评估了多家供应商的产品和技术，最终结果证明，基于 PC 的控制技术是最符合我们需求的解决方案，尤其是基于 PC 的解决方案具有灵活、开放并可精确扩展的系统架构。此外，吸引我们的还有倍福的创新实力，那时我们就已经非常重视创新。”

倍福汽车行业经理 Tilman Plaß 从自动化的角度补充说道：“基于 PC 的控制技术可以很好地满足 Manz 系统的高要求，比如使用我们的控制技术可以实现较短的周期时间，以及涵盖整个应用所有过程的逻辑，这一点尤其可以加快规格切换速度。全面的 TwinCAT 软件功能以及 OPC UA 通信从两个方面带来了更多优势。例如，Manz 作为 TwinCAT 3 的早期用户，可以为我们提供重要的用户反馈信息，这也是双方合作的一部分。”

BLS 500 控制器的硬件核心是一台 C6030 超紧凑型工业 PC，Stephan Lausterer 在描述其主要优势时说道：“C6030 非常适合用于像这样安装空间有限的应用。此外，它搭载 Intel® CoreTM i7 处理器，为设备控制和可视化提供了足够的计算能力，并且能够满足未来的应用需求，尤其值得一提的是，倍福正逐步集成合适的新一代处理器，在超紧凑工业 PC 系列中推出拥有更多接口的型号，如 C6032。”Stephan Lausterer 认为，从另一个角度来看，这款多功能工业 PC 也为他们带来了很大的优势：“它可以显著简化采购和仓储工作。这也适用于对我们 Manz 公司来说非常重要的整个软硬件测试工具链。所有软件都使用虚拟机以及真实硬件进行测试。”

总而言之，TwinCAT 自动化软件很好地满足了 Manz 的要求，Stephan Lausterer 证实道：“TwinCAT 集成在 Visual Studio 中也让我们获益匪浅，因为我们的软件团队中也有多名高级语言程序员。除此之外，通过各个编程语言的编辑器以及安全编辑器、TwinCAT Scope 和 TwinCAT HMI 等各种功能还能提高整体灵活性。我们认为，这种高集成度是 TwinCAT 的独特卖点。”使用 C++ 语言和 TwinCAT 3 NC PTP、NC I 和运动学变换功能模块可以非常方便地编程和仿真运动控制系统，然后在实时环境中作为 TcCOM 模块运行。此外，TcCOM 概念可以更轻松地重复使用程序代码，并对知识产权提供适当的保护。

通过 OPC UA 实现上位通信

Manz 除了使用 EtherCAT 实现设备过程本身的高速通信之外，即工业 PC 和 EtherCAT 端子模块或驱动器之间的通信，还采用 OPC UA 交换整个 BLS 500 的数据。包括将相机图像传输给 HMI，集成到上位系统，以及双向通信等任务都通过 TwinCAT 3 OPC UA(TF6100)功能组件实现。虚拟调试工具也通过 OPC UA 与 TwinCAT 控制器交换数据。在这方面，Tilman Plaß 指出了以下几点：“OPC UA 的通信范围极为广泛。Manz 很早就认识到了标准化、安全以及独立于供应商的通信所具备的优势，并大规模地使用了高性能的 TwinCAT OPC UA 服务器和客户端。”Stephan Lausterer 证实了这一点：“几乎所有的外部通信都通过 OPC UA 实现，无论是我们的工业 4.0 产品还是客户应用。对于不支持 OPC UA 的第三方组件，则可以使用 TwinCAT 3 TCP/IP(TF6310)功能组件或 XML 服务器(TF6421)，这也充分显示了基于 PC 的控制系统的开放性。”

除了独立于制造商之外，IT 安全性对 Manz 来说也是一个很重要的方面。OPC UA 在方面有明显的优势，即通信堆栈中已经集成了相应的安全机制，这意味着从一开始就已经提供了必要的安全性能。Stephan Lausterer 认为，安全性在未来会成为越来越重要的话题。另一个好处是，倍福作为 OPC UA 技术的早期践行者，已经很就在控制端实施了 OPC UA 客户端。Tilman Plaß 也证实了这一点：“倍福早在 2014 年就已经展示了通过 SOA PLC(SOA = 面向服务的架构)实现的 TwinCAT 3 应用场景，它结合了逻辑功能和 OPC UA 服务，实现了数据一致、安全和标准化的通信。”