应用案例 | 基于 PC 的控制技术和 EtherCAT 助力打造全自动体育用品试验机

倍福的控制与测量技术为 ADS(Automated Design Corporation)公司的现代化冲击试验机带来了诸多优势。例如，在运动鞋减震性能的动态测试中，使用倍福提供的标准组件，系统可获得精确的测量结果，且每台设备的硬件成本降低了 4000 美元左右。

ADC 公司重新设计后的冲击试验机很好地展示了工业自动化如何赋能传统的测量技术。“与我们大多数系统一样，这个冲击试验系统的设计更倾向于工业化，而不再是传统的，分开的台式实验室设备的样式，并且具有更广泛的数据采集(DAQ)功能。”ADC 公司副总裁兼首席开发人员 Thomas Bitsky 说道。该公司由 Thomas Bitsky 的父母于 1986 年创立，总部位于伊利诺伊州罗密欧维尔市，如今为很多知名的体育用品生产商提供测试研发系统。

CX5130 嵌入式控制器(左)和 ELM3502 测量端子模块(右侧为金属模块)节省了实验室环境下紧凑型试验机控制柜内空间

ADC 公司的冲击试验机在升级时需要考虑多种需求，包括精确的运动控制、实时的现场总线通信和极短的循环时间，以及最直观的 HMI 界面。此外，ADC 还希望设计方案能够消除传统测量和控制技术之间的界限。在 Thomas Bitsky 看来，数据采集行业长期以来一直处于“各自为政”的状态。过去，ADC 为了确保测量的质量，只能使用某个特定供应商的组件。但是，如果使用基于 LabVIEW™ 软件的传统 DAQ 控制器，自动测试则需要一台单独的 PLC。Thomas Bitsky 解释道：“这种情况会导致成本增加，通信速度变慢，同时布线将变得更加复杂。”然而运动控制和数据采集必须精确同步，才能获得准确、可重复的测试结果。如果使用分开式的解决方案，实现精确测量将变得非常困难。为了最大限度地减少接口处损失，ADC 决定将测量技术部署在灵活且开放的倍福平台上。

标准 I/O 系统中的高端测量技术

EtherCAT 优点众多，但对 ADC 来说，最重要的是它的速度和带宽优势。具有超采样功能的 ELM 系列 EtherCAT 测量端子模块可以用于冲击测试期间的模拟量数据采集。模块的超采样功能可在每个控制周期内实现数据的多次读取，从而提高信号的时间分辨率和精度。这使得 ADC 能够使用倍福 COTS(现货)的标准测量端子模块，而不是昂贵的专用硬件。ELM3502 高端测量端子模块采用坚固耐用的金属外壳，具有双通道测量功能，可无缝集成到倍福的 I/O 系统当中。模块的采样速率高达 20 ksps，可满足 ADC 公司大部分高端的测量任务。另外，ELM 系列中还有采样速率高达 50 ksps 的端子模块可供选择。

倍福的高集成且可扩展的自动化平台的另一个优势是可以提供各种高度紧凑的伺服和步进电机组件(这里是一个 AM8121 伺服电机)

我们之前使用过倍福的其它测量端子模块产品，尤其是适用于工业应用的 EL3356 模拟量输入端子模块。但我们测试测量领域的客户需要达到千赫兹级别的采样率，这在过去只能由传统的数据采集供应商实现。ELM 端子模块不仅能提供所需的高采样速率，还能通过 EtherCAT 与控制器精确同步。试验机目前的测试周期非常快。一次扫描即可获取所有运动相关的数据和负载的数据，我们的测量精度和可重复性看起来与传统的机架式测量控制器不相上下，甚至更好。”

—— ADC 公司副总裁兼首席开发人员

Thomas Bitsky

可扩展的标准组件

据 Thomas Bitsky 介绍，TwinCAT 3 的通用开发环境简化了程序开发过程。该控制软件还可以轻松集成 LabVIEWTM 和其它第三方软件。TwinCAT 让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，包括面向对象的 IEC61131-3 标准语言和高级语言、功能块和 Microsoft Visual Studio® 中标准的计算机科学语言。“TwinCAT 帮助我们节省了大量编程时间。”Bitsky 解释道。

在控制方面，ADC 采用了倍福的 CX5130 嵌入式控制器。这种适合 DIN 导轨安装的无风扇型嵌入式控制器不仅节省了设备空间，还为测试系统中的数据采集和运动控制提供了充足的计算能力。倍福嵌入式控制器具有高可扩展性，使得 ADC 可根据需要选择更高性能的型号。

EtherCAT 通信可确保载荷与测量位置之间的精确同步，保证测试数据的完整性

再者，倍福的紧凑型驱动技术非常适合用于体育用品生产商的测试系统，这些系统通常是在安装空间十分有限的实验室环境中。EL7211 伺服端子模块(用于驱动 AM8100 伺服电机)和 EL7041 步进电机端子模块以体积精巧的 I/O 模块形式提供高性能驱动技术，可与 EL5101 编码器接口端子模块一并安装在控制柜中。

“我们还可以使用第三方电机和驱动器，如果它们是基于 EtherCAT 协议的，集成起来也非常简单。我们可以使用 TwinCAT 运动控制的功能库来控制这些第三方设备。我们的大部分应用需要简单的点对点运动。我们对材料施加规定的冲击载荷，然后读取测量位置，这需要称重传感器输入和运动控制器之间做到精确同步。如果载荷过大，测试将无法进行。”

—— Thomas Bitsky

“旧的机架式测量控制器不支持这种功能。”他补充道。“但 EtherCAT 分布式时钟可确保载荷与测量位置的精确同步。因此，凭借倍福的自动化新技术，我们能够实现其它技术无法比拟的功能。”

节省时间和成本

现代化的冲击试验机符合 ASTM F1976 和 F1614 标准，用于测试运动鞋减震鞋垫吸收冲击力的能力。在采用了标准的自动化组件后，包括高端测量 I/O 模块，每台设备可节省约 4000 美元的成本。倍福提供的解决方案还节省了布线、装配和编程时间。每当 ADC 需要帮助时，倍福的团队都会立即响应，提供高效、可靠的全天候技术支持。

由于 ADC 在测试和自动化领域具有独特的市场地位，因此知识产权的保护对其有这非常重要的意义。TwinCAT 在这方面提供了额外的价值产出，倍福的应用工程师 Dave Zimbrich 说道：“我们提供的 OEM 证书，使得 ADC 能够对其代码进行加密并通过密码加以保护。这意味着无论他们的试验机将来被用在何处，代码都是安全的。