基于 PC 的测试装备控制：开放、灵活的自动化解决方案，系统集成高端测量技术

基于 PC 的控制技术原理

不管是在生产环境中还是在专用测试装备中使用测试测量技术：通常情况下，它是专为实现新的测量任务类型、采集数据或检查设定点。这往往需要安装特殊设备，并连接至控制层。这会导致大量调试工作和复杂的系统维护工作，从而带来成本的增加。

倍福早在上世纪 90 年代就认识到，通用 PC 是实现各种控制任务的理想工具。任何可以通过编程计算能力解决的问题，原则上都可以在一台中央 PC 上（也可能在几台 PC 上）运行，然后通过执行器（如电机或阀门）自主地作用于环境。PC 通过部署在中央控制器附近（甚至安装在中央控制器中）或者分离为远程 I/O 的灵活 I/O 系统（输入/输出）接收信息。这种方法也可以用于轻松实现计量环境所需的任务。无论是记录 5 个、500 个还是 50,000 个测量通道，大量积累测量数据，并在此基础上进行复杂的计算，还是“永久”存储千兆级文件，这些要求对于基于 PC 的控制技术来说都是日常任务，并不是什么难题。随着消费者驱动的快速发展，工业 PC 配备长期可用的组件，能够应对任何编程挑战。(例如，请参见 C60xx、C69xx 和适合 DIN 导轨安装的 CX2xxx 系列。)

倍福的模块化 DAQ 系统：从数据采集到分析的全面集成

倍福首次将高端测量技术直接集成到已经广泛应用于生产机械、设备、试验台或任何由编程好的控制器控制的所有工艺过程的自动化系统中。优势：由于不再需要在不同的站点中实施测量技术及相关软件，因此可以显著减少调试时间和设备复杂性，也无需使用目前为止还在使用的交叉通讯方式。

涵盖从传感器到数据处理等所有过程的完整测量链：

• 将最低硬件层次中的传感器连接至 IP20 和 IP67 的 I/O 模块。
• EtherCAT 和 EtherCAT G 等高性能现场总线系统也可以将大量数据同步传输给控制器。
• TwinCAT 软件将开发、PLC、运动控制、安全功能、可视化、通讯以及测量技术集成在同一个环境中。它支持本地运行、本地部署或分布给远程站点。
• 倍福的控制器中已经集成了现代化的云端互联互通功能，任何已经在全球 PC 上实现的通讯技术也可以在工业控制 PC 上实现。

倍福 I/O 模块可用于电气连接力、压力、温度、速度、频率、扭矩、测量电桥、振动、电流、电压等常用传感器。防护等级为 IP20 的 I/O 模块可安装在控制柜中，而防护等级为 IP67 的 I/O 模块则可直接安装在机器设备上。ELM3xxx 系列 EtherCAT 测量端子模块装备了与插头兼容的金属外壳；因此可以在 DIN 导轨上混合使用 EL 和 ELM 端子模块。

倍福倾向于将 EtherCAT 和 EtherCAT G 用作测量总线。EtherCAT 的可用数据速率为 100 Mbit，可容纳数百个具有 24 位分辨率和超采样、同步采样、纳秒级分辨率的时间戳和电缆冗余的通道。EtherCAT G 适用于数据吞吐量高达 10 Gbit 的数据密集型应用。用户也可以选择使用倍福支持的 PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP 等其它现场总线系统采集测量数据。

测量软件包括部署在本地控制 PC 上的 TwinCAT 软件以及在云端使用的软件

本地部署的 TwinCAT 软件由以下软件模块组成：

• TwinCAT 3 用于实现开发、PLC、运动控制、安全技术、可视化、通讯及测量技术
• TwinCAT Analytics：用于分析过程数据的软件平台
• TwinCAT Power Monitoring 用于电网分析
• TwinCAT Condition Monitoring 用于信号分析
• TwinCAT MATLAB®/Simulink®：集成 MATLAB^®/Simulink^® 模型和用于标准自动化技术的算法
• TwinCAT Connectivity 能够使用云系统、数据存储和第三方测量软件，如基于 TwinCAT 中开放接口的 LabView

云端中的测量软件：

• TwinCAT IoT 用于通过 OPC UA Pub/Sub、AMQP 或 MQTT 等通讯协议与各种云系统进行通讯
• TwinCAT Analytics 用于分析中央系统中多台机器的完整过程映像，以高效实现数据聚合
• TwinCAT Analytics Cloud Storage Provider 用于简单连接各种公有云平台的云存储服务

高速、开放且成熟的测量现场总线：EtherCAT

在必要时使用 EtherCAT 将高精度测量技术直接集成到控制平台中，可简化系统配置工作并降低复杂性。其它技术优势包括：基于 EtherCAT 标准简单配置参数，通过分布式时钟同步采样（包括基于 PTP/IEEE 1588 的时间源或其它时间源的外部同步）以及从控制器到 I/O 级别的持续诊断。

作为全球公认的通讯标准，EtherCAT 现在也已经成为测量技术领域广泛应用的通讯系统。EtherCAT 具有 100 Mbit/s 的高数据传输率，可以满足实验室或生产环境中的测量应用需求。而对于数据密集型应用，EtherCAT G 可以提供高达 10 Gbit/s 的通信带宽，可以轻松实现具有数千个通道的应用，即使每个通道的采样率为 100 ksps 或更高。不仅是倍福的 EtherCAT 总线支持实现高性能测量设备，倍福的一些基础组件也支持高性能测量设备，例如 CU2508 端口倍增器，必要时可用它将多个 EtherCAT 网段并行排列，可以成倍提升最大可能的数据吞吐量。在此基础上，一个 EtherCAT 系统内最多可以容纳 65,535 个 EtherCAT 设备。基于 PC 的控制原理也让控制器的性能能够跟上大量数据涌入后的需求变化。在这里，倍福产品良好的可扩展性为 I/O 和控制层面都带产生了积极影响！

EtherCAT 目前已在在高度专业化的测量技术领域得到了广泛应用，可以帮助用户完成各种具有挑战性的任务。倍福组件可能无法满足所有任务需求，但市场上有大量支持 EtherCAT 技术的设备可供选择。EtherCAT 技术协会 ETG 联合支持 EtherCAT 技术的厂商，通过制定规范和一致性测试确保所有 EtherCAT 从站与主站相互通讯。这样的互操作性可以确保 EtherCAT 从站可以通过总线混合。目前（2020 年），ETG 在全球范围内已拥有 6000 多家会员单位，其中 100 多家是EtherCAT主站设备厂商，因此，现在市场上几乎所有的传感器或执行器都带 EtherCAT 接口。

您只要浏览一下倍福网站，就会发现倍福的集成式测量技术的巨大优势，特别是能够在 DIN 导轨上与数百个其它 EtherCAT 端子模块混合使用。在每一项测量任务中，无论任务多么复杂，总是能找到“简单”的数字量或模拟量输入/输出模块进行控制，即以尽可能低的成本完成控制任务。倍福成熟的自动化产品系列通过可以轻松与测量端子模块混合使用的 EL 端子模块证明了其价值。诸如 EP/EPP 端子盒（IP67 防护等级，防水）或针对批量生产的 EJ 模块等其它 EtherCAT I/O 产品也可轻集成到倍福测量解决方案中。

在时间同步方面，倍福可为实现超高测量精度提供配置非常合适的设备（端子模块、端子盒、模块）。一个测量值往往只有在测量时间也已知的情况下才可使用。EtherCAT 的分布式时钟系统恰恰可以弥补这一不足：具备 EtherCAT 分布式时钟的设备支持所有输入和输出的高精度时间同步，无论是相对于网络中设备的相对值，还是相对于上位全局基准时间的绝对值，通常时间不确定性远低于 1 µs。后者对于需要暂时联网多台控制器的应用场合尤为重要：TwinCAT 中的倍福 EtherCAT 主站时间可以调整到外部时间，该时间可以通过 PPS 或 PTP 等方式进入 EtherCAT 系统。这里可以选择使用 TwinCAT TF6225 功能组件以及 EL6688 和 EL6695 EtherCAT 端子模块。因此，总线上的所有 EtherCAT 设备也会与外部时间同步。例如，这就允许：

• 同时采集多个分布式模拟量输入；
• 如果要执行试验台或生产设备上的工艺流程，则需要对阀门或电机等执行器进行高精度的时间控制；
• 以高达 10 ns 的精度记录设备（端子盒模块、端子盒、模块）上融合的过程数据；其中一个例子是 EL1252，它的两个输入都在硬件中本地采集。因此可以采集输入端的相对过程，其精度比将端子模块分布在系统中的方式高好几个数量级；
• 长期测量结果和可以理解的时间戳一起被保存。

EtherCAT 助力优化测量系统架构：

• 设备控制、测量技术以及安全功能只需一个通讯技术
• 优化协调产品和技术
• 速度超快的以太网现场总线
• 可容纳 500 个倍福 EtherCAT 端子模块
• 可轻松集成第三方产品
• 时间戳功能确保测量的高精品质
• 保护投资：无需版本控制（自 2003 年至今只有一个 EtherCAT 标准）

EtherCAT 可轻松实现高精度时间测量

TwinCAT 控制平台可与用于连接分布式输入/输出设备的 EtherCAT 现场总线结合，构成高性能的本地控制和调节系统。例如，这种性能可用于：

• 高速过程
• 每秒钟生产很多产品的高速生产设备
• 木材或纸张加工机械中的高速物料流
• 控制周期在微秒范围内的实验室应用
• 观察千赫兹范围内的动态信号，如振荡、噪音和振动
• 数据密集型图像处理
• 同步监测分布式系统中的能量流

时间同步在这里很重要，在内部（现场总线上的设备之间），以及必要时在外部与上位时钟系统同步。TwinCAT 和 EtherCAT 都适合用于实现这个应用。

• 内部同步：无论控制设备数量有多少，也无论它们之间的距离有多远，EtherCAT 分布式时钟可以实现控制设备之间的同步精度 <1 µs。设备中的时钟分辨率为 1 ns。时间戳和超采样等 XFC 产品技术都以此为基础。时间基准是主站之后总线上的第一个具有分布式时钟功能的设备，通常是一个 EtherCAT 耦合器。TwinCAT 中的 EtherCAT 主站主要“仅”提供用于分配基准时间；设备自行重新调整。当分布式时钟与 EtherCAT 功能相结合时，如热连接（运行期间连接/断开连接网段）或闭环运行中的电缆冗余，主站需要做更多的工作。
• 外部同步：当需要将 EtherCAT 系统重新调整到更高级别的时间时，TwinCAT 全面的软件功能就有了用武之地，因为现在必须接收外部时间戳并将其整合到本地 EtherCAT 系统中。无论外部时间信息是通过以太网（如 IEEE1588 PTP 或 NTP），还是通过 EL6695 等桥接端子模块，从另一个 EtherCAT 网络，或者作为纯粹的二进制秒脉冲（PPS）信号（如来自第三方控制器的信号或 GPS 信号）传输给 TF6225，TwinCAT 都可以实现。顺便说一句：当然，TwinCAT 也可以成为其它系统的时间源 — 如果这些系统也可以重新调整。

结论：TwinCAT、EtherCAT 和倍福的 I/O 组件是同时满足同步性以及高精度时间测量要求的合适的工业级解决方案。

EtherCAT G：系统规模可从百兆扩展到万兆

EtherCAT G 基于成功的 EtherCAT 技术运行原理，同时将数据速率提升到 1 GBit/s 和 10 GBit/s。这就为使用集成式测量解决方案实现自动化任务提供了全新的应用场景：可以实现更多的测量通道和更大的数据吞吐量。

EtherCAT 协议本身保持不变：

• 网络中的所有设备都会收到由 EtherCAT 主站发送的报文。
• 每个 EtherCAT 从站都会以“on the fly”的方式读取寻址到该设备的数据，并将其需要交换的数据插入到继续向下游传送的帧中；现在，所有这一切都以 1 Gbit/s 或 10 Gbit/s 的速率进行。
• 报文只会因为硬件吞吐时间而有延迟。
• 网段（或分支）中的最后一个设备识别出有一个端口未使用，因此使用以太网物理层的全双工功能将报文发回给主站。

EtherCAT G/G10 完全保留了 EtherCAT 的所有其它性能特征。带有三个或者四个端口的设备（拓扑扩展模块）方便用户灵活配置网络拓扑，并完全满足设备结构的需求。根据需要，可选的机器模块仍可通过热连接功能接入系统或者从系统中移除。网络诊断功能可以减少设备的停机时间并提高可用性。当然，内置的分布式时钟功能仍可确保设备同步精度小于 100 ns，而诸如 CANopen over EtherCAT（CoE）、File Access over EtherCAT（FoE）和 Beckhoff ADS over EtherCAT 等管理机制仍然可用。

在 100 Mbit/s 和 1 或 10 Gbit/s EtherCAT 网络之间进行交互的分支概念也是非常基本的。因此，可全球供货的现有的标准 100 Mbit/s EtherCAT 设备可以连接至千兆网络。这使得 EtherCAT 在未来几年内能够从根本上实现可持续发展，并能满足所有通讯任务需求，甚至将现有系统扩展或升级到 EtherCAT G/G10。

百兆 EtherCAT 系统与万兆 EtherCAT 系统的相同特性：

• 直达 I/O 层的实时以太网
• 灵活的拓扑结构
• 出色的诊断功能
• 即使在分布式系统中，同步精度也小于 100 ns
• 参数设置/配置非常简单
• 低系统成本
• 性能卓越
• 可集成安全功能
• 符合 IEEE-802.3 标准

EtherCAT P：传感器、执行器和测量总线

是否要在分布在系统中的控制柜外部安装各种体积的测量装置，并具有高性能的查询功能？也许还可以安装一些线路？仍然通过大家所熟知的 EtherCAT 直接对设备进行寻址?倍福为此在 2015 年开发了 EtherCAT P。

EtherCAT P 单电缆解决方案将 EtherCAT 通讯与供电整合在一根标准的四芯以太网电缆中。集成了 EtherCAT P 从站和所连接的传感器和执行器的 24 V DC 电源：U_S（系统和传感器电源）和 U_P（执行器围电压）相互电气隔离，并可分别为所连接的组件提供最大 3 A 的电流。EtherCAT P 保留了 EtherCAT 的所有优点，如网络拓扑结构的自由选择、高速度、高带宽利用率、实时处理报文、高精度同步及全面的诊断功能。

U_S 和 U_P 的电流直接注入 100 Mbit/s 电缆的导线中，从而能够实现非常经济且紧凑的连接。EtherCAT P 具有将小型、远程 I/O 站点连接到端子盒以及将本地 I/O 组件实现分布式处理的优点。倍福为 EtherCAT P 专门开发了一系列连接器，从而避免潜在的由于误连接至普通 EtherCAT 从站带来的危险。它可以满足所有应用，从 24 V I/O 层到 400 V AC 或 600 V DC 且电流最大为 64 A 的驱动器。

将 EtherCAT P 与分布式测量技术相结合带来了全新的协同效应：只需很少的布线工作，就可以采集设备每个部分的高品质测量数据 — 直至临时或甚至是移动测量站，这些测量站仅放置在当前需要的地方。EtherCAT P 耦合器 EK1300 安装在控制柜中并且连接 EtherCAT 测量端子模块。ETG 现已正式发布官方 EtherCAT P 技术规范，因此所有有兴趣的设备厂商都可以在其设备中实施此项技术。

具有“单电缆优势的”高速现场总线：

• 已针对在现场直接连接 EtherCAT P 设备而优化
• 减少布线工作，节省时间
• 减少出错可能
• 无需使用单独的电源电缆，传感器和执行器体积更小
• 轻松连接组件

模块化电力监测硬件和软件

什么是电力监测？如何通过电力测量构建便捷的电能管理系统？无论是针对一栋建筑还是一台设备，这里记录的数值都适用于很多方面，当然，也包括消耗量估算，或者在此基础上计算成本效益。通过快速估算每台设备的电力需求数据及当前任务信息，可以轻松评估出预测性维护方案，最终避免设备意外停机。如果您对其中一个话题感兴趣，不妨看看我们的 EL3443 电力测量端子模块及其同类产品：适用于分布式电力测量的 EL3443 电力测量端子模块及其同类产品：适用于分布式电力测量的 EL3446 或适用于中压以下电压系统测量的 EL3453。

倍福将高性能工业 PC、电能测量技术、电流互感器和 PLC 软件库结合，为帮助客户实现电力测量任务提供完整的电力测量系统。这种高端电力测量技术可在短期峰值电流和/或电压也很重要的风力发电机组传输点或电机试验台上使用。例如，您是否需要访问正弦波实际电流和电压曲线？您是想要检查它们是不是真的正弦，还是想要关闭一个微秒级控制回路？那么您来对地方了。

与基于 PC 的控制原理完全一致，测量记录从倍福电力监测超采样端子模块开始。超采样描述的是 XFC 极速控制技术在一个 PLC 周期内记录多个读数的能力，从而将有效采样率提高到 20 kSps。同步记录的电流和电压瞬时值（例如三相交流电系统的瞬时值）被直接传输给工业 PC 中的 PLC，无需进一步处理，因此不会丢失信息。这里可以使用一个强大的处理器，在 TwinCAT 软件库的功能块帮助下，它可以轻松、高效地实现计算非常复杂的分析。

TwinCAT TF3650 电力监测功能提供以下用于分析原始电流和电压数据的功能：

• 计算电流、电压和功率的 RMS 值
• 所有功能块都可以输出瞬时值或平均值，以及最大值和最小值。
• 可以测定频率和频谱，如网络中的谐波及其负载以总谐波失真（THD）的形式出现。
• 所有功能块均可用于单相和三相系统。
• TwinCAT 产品 TE1300 TwinCAT 3 Scope View Professional 或 TF6420 TwinCAT 3 Database Server 适用于显示或永久存储数据。

EtherCAT 电力监测端子模块 EL3773 和 EL3783 设计用于检测三相交流电压系统状态，包含以下功能：

• 每个相位上的电压高达 288 V_eff/410 V DC 或 690 V，扩展范围为 130 %，电流高达 1 A_eff/1.5 A DC 或 5 A_eff，同样扩展范围为 130 %，16 位的分辨率被记录为瞬时值。
• 基于 EtherCAT 超采样原理同步测量六个通道，时间分辨率高达 50 µs。
• “扩展量程”功能为用户提供了标称满量程值的 130 % 的技术测量范围。端子模块支持分布式时钟功能，可以与其它 EtherCAT 设备一起同步进行测量。

系统还可以通过添加端子模块（如用于 IEEE 1588 PTP 的 EL6688）的方式与外部时钟同步。

TwinCAT 将状态监测功能集成到控制器中

倍福的 TF3xxx 软件库系列中包含了大量 TwinCAT 3 功能块程序和功能组件。例如，TwinCAT状态监测软件库 TF3600 提供了一个用于分析测量值的模块化数学算法工具包，主要包含分析、统计和分类等软件功能。除了通过 FFT 或使用如包络谱进行的频谱分析之外，它还能够计算关键统计值，如峰度或波峰因数。这些算法与限值监测的结合非常适合用于（例如）监测滚子轴承。TwinCAT/EtherCAT 系统的优点是能够以每秒数千个样本的速度集中采集和分析所有可能的测量点中的原始数据。EtherCAT 高性能现场总线可以与如 ELM 系列测量模块配套使用，直接、清晰地查看传感器的实时数据。这样可以立即对实时原始数据进行分析，必要时还可以在 TwinCAT 控制软件中实时分析通道之间的相关性。如果使用 TwinCAT 数据库 TF6420 记录原始数据，并在后期处理时进行分析评估，就可以显著系统系统性能。例如，倍福的 TwinCAT Analytics 就可以做到这点，用户可以通过该软件，基于历史数据开发实时状态监测的分析功能，并轻松地加载到实时系统中。

这种基于原始数据的倍福状态监测解决方案已经在很多设备和风力发电机组中成功实施。如果某个组件超出了阈值，状态监测系统就会触发警报，通知系统操作员有关磨损、不平衡或不被允许的运行状态。这些报警可以直接报告给系统控制器或其它运行系统，等待进一步处理。当然，也可以在线连续监测设备状态。在这里对特征值趋势进行分析，并将其转化为具体的行动方案建议，例如计划维护间隔时间。

可根据具体工况条件分布式或集中式部署的 I/O 解决方案

柜外还是柜内？无论对于哪种应用场景，倍福都可为您提供不同设计和不同精度等级的测量解决方案！重点是要固定使用：在设备或测试装备中固定使用并供应 24 V 直流电。

倍福自 1995 年起就开始生产模块化的 I/O 设备，即 KL 端子模块 — 模块化的端子模块系统，它可以通过总线耦合器（BK、BC）连接各种现场总线。这套系统至今仍可使用，且规模将越来越大。2003 年，倍福的第一款带 EtherCAT 通讯协议的 EL 端子模块问世，通讯速度实现了质的飞跃。突然间，总线耦合器中不再有较低的 I/O 层；相反，可以在现场总线层直接寻址每一个 I/O 功能，从根本上缩短了调试时间并降低了诊断复杂性。这两套系统，都能满足固定式 I/O 组件安装在控制柜中的需求，防护等级为 IP20，即可以防止人的手指接触到设备内部的零件，但不能防水或防尘。因此，来自现场、传感器或执行器的信号必须通过电缆传输到控制柜中，其优点是可以将较复杂的设备集中在一起，达到更好的防护效果。这对于测量应用特别有优势，可以防止控制柜受环境影响和 EMC 干扰。倍福的 ELM 系列遵循了这一理念；此外，坚固的金属外壳也给予了高精度（100 ppm 或更高）和高速（每通道高达 50 kSps）测量模块双重保护。

此外，倍福还可提供针对批量生产应用的 EJ 系统。它由防护等级为 IP20 的更小体积模块组成，安装在控制柜中的客户专用背板上。

倍福的 IP67 端子盒可以安装在制柜外，与包括 EtherCAT 在内的各种现场总线进行通讯。IP67 防护等级表示端子盒具有防水防尘性能，适合自由安装在设备内合适的地方。倍福也可根据用户需求提供塑料、不锈钢或压铸锌外壳型号。

这些系列的 I/O 设备可能无法满足每个应用的独特需求，但倍福可为此提供所需的基础组件。因此，最重要的是，倍福不仅是测量技术细分领域优秀的解决方案供应商。倍福还可以提供多种性能非常出色的标准通讯 I/O 产品系列，让所有设备规划师能够根据安装位置、成本、通讯速度和精度等不同的应用需求选择最合适的解决方案。所有一切都一站式提供，并可集成在一个系统中。

更多信息：

• IP20 │ 总线端子模块：KL/KS/KM
• IP20 │ EtherCAT 端子模块：EL/ES/EM
• IP20 │ EtherCAT 插拔式模块：EJ
• IP67 │ 现场总线端子盒：IP/IL
• IP67 │ EtherCAT 总线端子盒：EP/EPP/EQ/ER

测量技术和安全功能集成在同一个系统中

倍福是一家经验丰富的自动化解决方案供应商，其开发的很多产品和技术可以轻松整合于一体。您有“标准”的自动化任务？您想集成电气测量技术吗？还有人身安全问题？那么您应该了解一下我们的 TwinSAFE 一体化安全解决方案，它在必要时可以避免在设备中安装和维护不同的系统。安全 I/O 产品通过整体黄色来区分。顺便说一句：TwinSAFE SC 产品可以将模拟量测量和安全功能整合在 EtherCAT 端子模块或者端子盒中，将直接模拟量测量（如温度）集成至安全系统架构中。这些 I/O 产品可以通过部分黄色来区分：例如 EL 端子模块的侧面有一条黄色条纹。

系统集成高端测量技术为实现 24/7 全天候运行提供高可信度的数据

在很多工业应用领域，客户对设备无故障运行的信赖是企业能否赢得合同的关键。因此，在今天，无论是生产线、包装线、能源分配应用，还是实验室应用，测量技术已经成为不可或缺的一部分。系统集成的高端测量技术可以实现精益的控制架构，提供高可信度的数据。倍福的生产部门在 EtherCAT 测量端子模块出厂前对它们进行了全面的测试和校准，确保产品质量以及可靠而精确的测量。

低老化率保障端子模块能够长期稳定运行，甚至可以根据客户的工况条件进行调整，再加上自诊断功能和出色的高温稳定性能，这一切都为实现高性能工业测量设备的奠定了坚实的基础。高端测量模块配备坚固耐用的金属外壳，可以安装在控制柜中的 DIN 导轨上，构成高品质测量解决方案。倍福测量解决方案常常被用于无人值守的应用：即没有人每天检查线路情况，也没有人检查测量值的合理性。因此，所使用的测量硬件都被期望能够在技术上可行的范围内进行自我测试和验证。

ELM3xxx 系列端子模块专为工业应用而设计：可以快速安装到符合工业标准的控制柜中。它另外一个特点是具有全面的自诊断功能，可以确保无人值守、低维护系统的长期可靠运行。EtherCAT 测量端子模块会立即自动检测到任何不正确的测量结果，否则可能会在很长一段时间内被误认为是有效的。全面的连接诊断、自检测和内部反复测试，以及对温度和过载检测输入的持续监测可以提高运行和测量的可靠性（可通过 EtherCAT 以诊断报告的形式持续检索）。对于众所周知的测量不确定度是一种的全新视角！

ELM3xxx 系列测量端子模块具有较高的测量精度，完善了 EL3xxx 端子模块中现有的模拟量产品系列。这里的规定值可以是 ±100 ppm（±0.01 %），而“标准”的模拟量输入产品（IP20 端子模块或 IP67 端子盒）的精度更有可能是在 ±0.3 %（±3000 ppm）的范围内。当然，其中一个重要的方面是规范的“细则”：特别是指定的环境温度范围对倍福产品系列内外的可比性影响很大。目前，ELM3xxx 包括 2 个系列：ELM3x0x 基本系列和 ELM3x4x 经济型系列。

ELM3x0x | 基本系列 EtherCAT 测量端子模块

ELM3x0x 基本系列 EtherCAT 高性能测量端子模块设计用于高精度测量高动态过程，可以同步测量所有通道和端子模块。该系列每个通道的采样频率设计为 10 kSps，在环境温度 23 °C 时的测量精度为 ±100 ppm。此外，每个端子模块的采样率可能会有很大不同，例如，ELM3602 端子模块每通道的采样率高达 50 ksps。ELM370x 具有集成多种测量范围的多功能通道（±60 V 至 ±20 mV、±20 mA、全桥/半桥/四桥应变片、IEPE、热电偶、RTD、电位计）。ELM300x、ELM310x、ELM350x 和 ELM360x 系列的功能少一点，可提供具有不同通道数量的成本优化型号。

ELM3x4x | 经济型 EtherCAT 测量端子模块

ELM3x4x 系列经济型 EtherCAT 测量端子模块设计用于测量动态性较差的过程；同时，它们的价格也低得多。此外，这些端子模块的通道采用复用方式，即通道依次工作。集成的 24 V 传感器电源和 24 V 电源触点有效地减少了控制柜中的布线工作。在经济型中，有标准信号输入 10 V/20 mA（ELM314x）和热电偶输入（ELM334x）两个系列。

这两个产品系列都支持纳秒级的分布式时钟时间戳和现场总线诊断等成熟的 EtherCAT 功能。 此外，它们还具有如两步数字滤波、True RMS 计算、拖拽提示控件等丰富的本地数据预处理功能。值得注意的是，它们能够在本地计算几乎任何高达 39 阶的数字滤波器，并且可以根据具体应用需求，使用 TwinCAT 滤波器设计工具 TE1310 设计并加载到端子模块中。

测量系统组件

端子模块最好是由耦合器 EKM1101 和 ELM9410 电源端子模块等系统组件供电。这些电源装置专为满足计量需求而设计，在技术上区别于标准组件 EK1100 和 ELM9410：输出电压是再生的，相互之间电气隔离，因此特别稳定。此外，它们还具有电压和环境监测功能，确保所连接的 ELM 端子模块的运行能力。

ELM 系列还有诸如 ZS9100-0003 屏蔽罩和 ZS9100-0002 屏蔽连接端子模块等其它附件。

可靠的集成式综合测量解决方案为制造质量保驾护航：

• 采样率高达每秒采样 50,000 次
• 视不同的量程，环境温度 23 °C 时的测量精度高达 25 ppm
• 金属外壳，具有很强的散热和屏蔽干扰功能
• 非常坚固，非常适合用于恶劣工况
• 满足不同应用需求的前端插头：LEMO，BNC，推入式
• 在生产时进行预处理，以确保长期高质量测量值
• 集成接口和功能诊断
• 可选择带校准证书

值得一提的是，ELM2xxx 系列多路复用器端子模块，它可以切换模拟量信号并将信号馈入至所有复杂度的测量端子模块中。对于使用大量通道的场景，这样可以显著节省成本和安装空间。

用于以图形化方式显示所有测量信号

TwinCAT 测量产品系列的亮点是功能强大的 TE1300 TwinCAT Scope 示波器软件。绘图工具被当作一个独立的项目集成到 Visual Studio^® 中，能够以图形化方式显示个位数微秒范围内的测量信号。除了诸如触发、图表同步和光标等传统功能之外，TwinCAT Scope View 还支持多核处理器，以充分利用显示包括超采样值在内的高频信号所用的系统的计算能力。产品中集成的多个向导简化了 TwinCAT Scope View 的直观操作。除了项目向导之外，它还包含一个用于选择和转换物理单元的向导，还有一个用于将数据转换为其它格式（如 csv 或 tdms）的向导。使用后者还可以舍弃不必要的数据，并指定导出时间段。此外，数据记录和导出可以通过 PLC 完全自动完成。免费的 TwinCAT XAE 开发环境中已经包含了基本版本，可以在里进行各种测试。扩展许可证的专业版包括长时间记录等额外功能。

TwinCAT Scope 可以与其它 TwinCAT 产品无缝交互。除了针对运动应用的模板外，例如，与 TwinCAT 状态监测库结合使用的条形图非常适合用于显示功率谱或幅度谱的频率响应。即使是来自视觉系统的图像也可以在数据流中按时间戳进行排序，并在示波器软件中显示。这样，可以将所有测试测量任务的基本数据都捆绑在示波器软件中。

示波器软件是 TwinCAT TwinCAT 3 Measurement 软件包的一部分，软件包中还包含了新版本的 Scope View、Scope Server、Bode Plot 和 Filter Designer 等各种测量软件产品。基于 TwinCAT Scope 的 Bode Plot 可以优化调整驱动技术。它可以将设定值传输给驱动器，并以图形方式将驱动器响应显示为频率响应和相位，以优化驱动器参数。通过这种方式，这些带很多过程和测量值的系统可以为状态监测和分析软件提供数据。

具有多核计算能力的软件示波器：

• 用于高分辨率数据的高端绘图工具
• TwinCAT XAE 中集成有基础免费版
• 长时间和触发器控制的记录
• 通过 ADS 或 OPC UA 标准进行通讯
• 示波器软件控件，用于集成到用户自己的基于 .NET 的 HMI 中

校准证书是测量能力的证明

精密加工设备和试验台需要校准测量：从传感器到电缆到数字化。倍福还可以为一些模拟量设备提供出厂校准服务，为这类特殊应用提供有效支持。倍福可提供厂内校准服务、ISO 17025 和 DakkS 服务，也可根据要求在德国威尔生产基地重新进行校准。

基本上，倍福的所有模拟量设备（输入或输出）都经过倍福生产部门的校准和严格测试。倍福会给指定的设备提供校准证书，即测量能力的书面证明。用户可以在倍福官网下载相关的 PDF 校准证书。

这也彰显了倍福各类 I/O 产品系列的优势：从最简单的数字量输入端子模块到标准的 12 位模拟量输入端子模块，再到拥有 DAkkS 校准证书且测量精度 <100 ppm 的 24 位测量端子模块，可以满足系统和 EtherCAT 通用通讯系统中多样化的需求。

TwinCAT 3：基于 PC 的控制系统的核心

TwinCAT 由实时执行 PLC 的 Runtime 系统、HMI、运动控制、机器人技术、安全功能、测量技术、机器视觉和物联网应用组成，同时也是用于编程、诊断和配置的开发环境。所有主要的 IEC 61131-3 编程语言都可用于实时应用程序。C/C++ 和 MATLAB^®/Simulink^® 模块可以通过现有的接口集成到 IEC 环境中，也可以在 TwinCAT 3 实时环境中独立运行。

TwinCAT 可以轻松实现测量数据处理领域要求较高的任务；系统可以根据通道数量和数据量轻松扩展。一个系统和一个界面即可实现从数据采集和处理再到存储等所有任务。此外，TwinCAT 中还有专为测量任务设计的 TwinCAT Scope 和 TwinCAT Analytics 等软件功能。

例如，倍福的 TwinCAT 系统性能已经在全球范围内的风力发电机组中得到了无数次的验证：无需再使用复杂的子系统，控制和状态监测任务全部由中央 TwinCAT 控制器实现。

这同样也适用于制造加工、流程工艺以及测试系统中用到的许多其它类型的设备，即所有需要同步运行专用系统以及通讯比较密集的应用。TwinCAT 可以高效处理大量输入数据流（I/O 系统、工业相机、上位系统等），并作为控制系统通过执行器（驱动器、执行器、阀门等）对设备进行实时追溯。

通过模块化设计提高灵活性：

• 支持全球所有主流工业总线系统：适合连接测量设备、驱动器或标准自动化产品
• 高质量的实时平台支持高达 50 µs（每秒 20000 次循环）的周期时间，甚至更高
  
• 可以根据需求调整和扩展模块化解决方案（参见基于 PC 的控制技术）
• 具有高可扩展性的计算机平台可以满足所有性能等级需求
• 所有数据存储和分析选项：在本地设备上、公司自己的网络上或云端
• 通过模板简化代码生成
• 简单复制已创建的代码，以实现批量生产
• 支持多种工业通讯标准；如有必要，可以在开放的开发环境中轻松实施更多的标准

使用 TwinCAT Analytics 实现一致且无缝的数据分析

大数据逐渐成为企业最重要的资源之一，而正确的大数据可以为企业带来核心竞争力。因此，近年来市场上也涌现出越来越多的数据分析工具。但它们大多不了解设备制造商的需求，并且在概念上也只能受限于少数几种场景。相比之下，TwinCAT Analytics 系列（TE35xx，TF35xx）功能组件则是专为机械工程开发而成的。TwinCAT Analytics 开发工具可以无缝集成到设备应用程序所熟悉的 Microsoft Visual Studio^® 环境中。熟悉的开发环境可以节省大量开发时间。例如，它可以提供直接参考机械工程和相应的应用程序的语言专门开发的大量算法。与用于数据可视化的 TwinCAT Scope 等知名 TwinCAT 软件工具的交互可以显著简化数据分析工作。

TwinCAT Analytics 不仅限于在设备上有针对性地进行故障查找，还可以永久监测网络中的一台或多台设备。实现 24/7 式全天候监测相对也比较简单；只需轻点一下鼠标，即可从配置工具中创建的分析数据生成可读的 PLC 代码。它既可以与分析IPC 上 Analytics Runtime 中的设备并行运行，也可以在虚拟机中运行。生成的代码可以用大家所熟悉的编程语言进行扩展，以进行个性化的分析。现有的代码可以一对一地采用。TwinCAT 3 HMI 可以用于设计分析仪表板，为终端客户带来高附加值。此外，TwinCAT Analytics 不仅适用于分析实时数据，而且还适用于分析历史数据。TF3520 Analytics Storage Provider 可以用于访问数据库。总的来说，TwinCAT Analytics 不仅仅只是一个产品，更是一个完整的工作流程，可以让您灵活运用物联网技术，从而实现真正的工业 4.0 应用。

数据分析可为用户带来高附加值：

• 基于数据分析的新业务模型
• 快速、简单地进行故障分析
• 设备优化
• 轻松将开发环境集成到 TwinCAT XAE 中
• 通过自动生成 PLC 代码降低成本，实现 24/7 式全天候监测
• 数据管理几乎完全自动化
• 通过物联网技术实现高灵活性

TwinCAT Analytics 由多个可在开发期间（TE3500，TE3520）或在运行时（TF35xx 系列，例如 TF3510）执行的软件工具组成。

MATLAB^® 和 Simulink^® — 测试测量领域中实力强大的合作伙伴

MATLAB^® 和 Simulink^® 在测量数据分析以及系统建模和仿真中设立了新标准。MathWorks 的这两个工具在许多行业中被广泛接受。倍福支持将这两种工具集成到 TwinCAT 3 开发系统中，并提供以下两款产品：Target for MATLAB^®/Simulink^®（TE1400）和 Interface for MATLAB^®/Simulink^®（TE1410）。使用 Simulink^® 开发时，可以使用 TE1400 在 TwinCAT 3 中生成 TwinCAT 对象（TcCOM 模型）的实例。在 TwinCAT 中，可以通过实时任务或其它 TcCOM 模型直接触发这些模块。作为嵌入在 TwinCAT Engineering 中的控件，该功能块图让您能够在 TwinCAT 中设置这类模型的参数并监控信号。您可以使用此产品开发，例如，可以实时执行的监视器或用于推断无法直接读取的测量值的虚拟传感器，或实时仿真不存在的组件的行为（硬件在环）。TE1410 提供一个基于 ADS 的通讯接口，用于在 TwinCAT 和 MATLAB^®/Simulink^® 之间交换数据。它支持同步和异步读/写过程以及模块调用（读/写）。您还可以使用此产品将基于 MATLAB^® 的分析用作可以从 TwinCAT 内调用的函数。或者，您也可以将该产品与 Simulink^® 结合起来使用，以便作为基于模型的软件开发的一部分，进行软件在环仿真。

TE1400

• 在 Simulink^® 内一键生成 TcCOM
• 增加 TwinCAT 中可实例化的模块
• 功能块图用作 XAE 中的控件
• 参数设置和（内置）模型信号的图表
• 可以在 XAE 中调试

TE1410

• Simulink^® 中的客户端
• 嵌入在 Simulink^® 功能块中的目标浏览器
• MATLAB^® 中的 ADS 客户端/服务器

通过灵活的工具减少数据流 — TwinCAT 滤波功能

倍福的集成式测量解决方案可以提供整台生产设备和整个试验台中的大量原始数据，需要时可以通过 EtherCAT 集中进行。这些数据是所有关注过程分析的用户的宝贵基础，因此，也是设备优化的基础。系统支持集中式和分布式模拟量值处理方式。

• 集中式：
  理想的情况是，下位测量设备中的数据不会减少，因此不会破坏信息；一切都在 TwinCAT 控制器中集中处理。I/O 设备通过 EtherCAT“向上”传输未经滤波的原始数据，需要时，可以发送数千个通道数十 ksps采样率 的高分辨率数据。然后对数据进行分析、关联并集中存储在 TwinCAT 中，可扩展的倍福基于 PC 的控制原理是实现这一切的强大基础。
• 分布式：
  在下位测量设备中已经进行了预滤波，必要时降低 I/O 设备的采样率。这可能是由于用户对低总线负载感兴趣，或者是因为根据经验知道应该如何滤波原始数据。倍福的 I/O 设备中，特别是在 ELM 测量端子模块中拥有丰富而强大的功能，它们可用于这种数据处理方式。

用于说明模拟信号中与过程相关的信息的基本工具是在低通、高通等频率范围内的单级滤波器级。根据所需的执行位置，可以使用倍福选择以下选项：

• 分布式：
  • 几乎所有的模拟量输入设备（EL、KL、EP 系列等）都预装了固定滤波器
  • 滤波器属性通过设备设置（CoE 或寄存器）设置
• 分布式：
  • ELM3xxx 系列测量端子模块中灵活、可变的滤波器
  • 使用 TwiCAT Filter Designer 构建滤波器
• 集中式：
  • 控制器中灵活、可变的滤波器，例如，在 PLC 或 C/C++ 中
  • 使用 TwinCAT Filter Designer 构建滤波器，并在 TwinCAT Filter Library 中实时执行

倍福开发 TwinCAT TE1310 Filter Designer 旨在让滤波器理想地适应具体的测量任务。这个软件是免费的，而且是 TwinCAT 测量软件包的一部分，软件包中还包含了新版本的 Scope View 、Scope Server 和 Bode Plot 和等各种测量软件产品。目前可选择的滤波器有巴特沃斯滤波器（Butterworth）、切比雪夫型滤波器（Chebyshev）和切比雪夫Ⅱ型滤波器（Inverse Chebyshev）；可能的滤波器类型有低通、高通、带通和带阻滤波器（更多类型正在准备中）。Filter Designer 能够通过表格规范或图形对滤波器系数产生影响。一旦滤波器系数被确定

• 就可以在 PLC 中的数字滤波器功能块（例如在 TF3680 或 C/C++ 中）中使用这些系数，
• 或者通过拖放传输给 ELM 测量端子模块。

然后可以使用 TwinCAT Scope TE1300 或 TwinCAT Analytics TE3500 中的实时数据检查滤波器是否成功。

简化数据库连接，实现高效的测量应用

来自设备、系统或试验台的数据具有宝贵的价值，必须加以保护。TwinCAT Database Server（TF6420）通过处理 TwinCAT 和各种数据库系统之间的数据流量精确实现这一目标。它可以在执行此过程期间写入或读取值。Database Server 提供四种功能模式。Configure 模式允许快速、简便地配置数据库连接，无需任何编程。PLC Expert 模式是专为不想在 PLC 中创建自己的 SQL 命令的 PLC 程序员设计的；Database Server 自动执行此操作。SQL Expert 模式具有全方位灵活性，因为用户能够自行组合命令，甚至可以在数据库端触发存储过程。这个模式也适用于 C ++。在频繁更改测量活动的环境中，关系型数据库中严格的表结构特别难以管理，因此 Database Server 会给传统关系数据库（如 Microsoft SQL，Oracle，MySQL 或 SQLite）提供支持，此外还有可以连接到所谓的 NoSQL 数据库（如 MongoDB）的 NoSQL Expert 模式。因此无需预定义方案，可以显著提高应用灵活性。

无需编程即可方便地集成数据库

• 直接链接实时环境和数据库
• 支持关系数据库和 NoSQL 数据库
• 可在 TwinCAT 开发环境中轻松配置
• 生成便于在控制器中实施的 PLC 代码
• 可以为所有用户组提供 PLC 功能块

轻松实现倍福设备与 LabVIEW™ 系统的结合

LabVIEW™ 在很多实验室应用中都被设置为程序语言、配方管理系统和人机界面。如果倍福的 TwinCAT 系统要与其实时系统以及独立的 LabVIEW™ 系统进行通讯，可以选择使用 TF3710。试验台操作人员可以使用 TF3710 功能组件，通过熟悉的用户界面访问B倍福测量硬件中的 TwinCAT 数据，并生成更多的测量功能。TwinCAT 和 LabVIEW™ 之间的通讯是双向的。TwinCAT 数据可以流式传输给 LabVIEW™，以进行处理和显示。也可以将启动事件或外部测量信号等 LabVIEW™ 数据从 LabVIEW™ 传输给 TwinCAT。