基于 PC 的控制技术在塑料加工行业的应用
长期以来，塑料机械制造商普遍采用自主研发控制设备的方式，在先进控制技术与成本效益之间寻求平衡。然而，这一做法在不久前已遭遇瓶颈。劳动力短缺、资金压力以及适应最新技术的需求等因素，共同推动了行业转向采用经验丰富的专业厂商提供的开放式自动化系统。日本长野县的注塑机制造商日精树脂工业株式会社（Nissei Plastic）正采用倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术践行这一转型。
德国工业 4.0 倡议强调了制造业标准化与互联互通的重要性，为开放式控制架构的成功奠定了坚实的基础。在包括注塑机领域在内的多个行业中，具体实践正加速推进。尤其值得注意的是，OPC 统一架构（OPC UA）已成为工业 4.0 标准化的核心通信框架。在此背景下，日精树脂迈出了其称之为开创性的一步：基于搭载了 TwinCAT 软件的倍福工业 PC 与 EtherCAT 开放式通信技术，开发出一套先进的控制系统。更值得一提的是，日精树脂已成为全球首批符合 OPC UA 标准要求的制造商之一。
为何选择开放式架构？
塑料是生产智能手机、电视、个人计算机以及汽车零部件等产品不可或缺的材料。根据最终产品的尺寸与类型，生产所需的注塑机涵盖从紧凑型到锁模力超过 7000 吨的超大型注塑机。日精树脂作为全球领先的注塑机制造商之一，将其控制平台向开放式架构的转型视为关键战略决策。
和其他很多制造商一样，日精树脂最初采用自主研发的微控制器实现定制化控制系统。然而，这种方式要求企业完全自主管理所有硬件组件，带来了巨大的挑战。他们不得不应对诸如元器件停产、版本变更，以及与注塑技术核心领域无关的技术难题。此外，同步最新 CPU 技术更新所带来的压力也加剧了企业负担，迫使他们持续投入硬件开发。因此，日精树脂决定将资源集中在软件开发上，并采用可扩展的标准控制硬件。
选择基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术作为核心解决方案
经过全面的基准测试，日精树脂发现倍福基于 PC 的控制技术结合开放高速的 EtherCAT 通信系统，最能满足其当前及未来需求。主要决策依据包括：
- 高性能：要生产出具有极高重复精度和高质量的注塑件，需要一套周期时间低至 125 微秒的高确定性控制系统。日精树脂的专家认为，倍福基于 PC 的控制技术提供了所需的性能，这尤其得益于其深厚的研发与生产专业知识。倍福不仅自主研发生产 IPC 主板，开发用于实时控制的 TwinCAT 自动化软件，并凭借其作为 EtherCAT 发明者所拥有的无与伦比的现场总线通信专业知识。这种全面且长期积累的技术底蕴至关重要。
- EtherCAT：特别是在日本，EtherCAT 经过多年发展，已成为事实标准。这为日精树脂在选择最适合其注塑机的供应商和组件时提供了极大的灵活性。与倍福合作可确保日精在遇到任何与 EtherCAT 相关的问题时都能获得一流的支持，并能提前接触到未来可节约成本的 EtherCAT 技术，如 EtherCAT P。EtherCAT 是唯一一项能够在保持高度灵活性和广泛现场总线覆盖的同时，提供所需速度和精度的技术。此外，EtherCAT 的可扩展性为未来系统升级预留空间，增强了企业的投资保障。
日精树脂认为，要在塑料行业保持竞争优势，关键在于打造出在工程、生产及维护方面极具成本效益的机械设备。除了依靠标准自动化硬件实现规模经济效应外，倍福基于 PC 的控制技术还提供了多种降低总体成本的方案：
- 集中式且可扩展的控制硬件：倍福控制系统基于集中式且可精确扩展的计算机平台，因此可从丰富的 CPU 产品线中选择契合特定应用需求的型号。如果新增机器学习等功能，这些附加功能可以用包括 IEC 61131-3、C++ 或 MATLAB®/Simulink® 在内的多种编程语言在 TwinCAT 中编程，然后作为软件模块实时运行。如果需要更高的算力，只需迁移到新的工业 PC 或 CPU 版本即可轻松实现，无需更改现有的 TwinCAT 项目或既定的自动化架构。
- EtherCAT 插拔式模块：EJ 系列 EtherCAT 插拔式模块将多个 I/O 功能集成到一块紧凑的电路板，即信号分配板上。标准化的信号分配板可用于实现不同类型设备的扩展型号，且只需一个基础版本，因此能够显著缩短研发周期和上市时间。这种方案不仅消除了布线成本与错误，还可通过插接新模块的方式实现灵活定制，无需重新开发电路板，为企业带来显著效益。
标准化机型向基于 PC 的控制解决方案转型
日精树脂于 2016 年启动了针对配备倍福技术且兼容 EtherCAT 的注塑机的研发工作。次年，日精树脂在日本率先推出新机型 FNX-IV（液压版），并于 2018 年宣布与倍福建立合作伙伴关系。这标志着倍福技术首次成功集成至其设备，成为首个重要的里程碑。随后，电动 NEX-V 系列的问世意味着日精树脂所有量产机型如今均采用了倍福技术。
FNX-IV 和 NEX-V 机型采用搭载 Intel Atom® 四核处理器的高性价比的 CX5140 嵌入式控制器作为控制核心。该控制器用作 EtherCAT 主站，能够实现极快的控制周期。此前，模拟通信方式限制了控制速度与精度。但据日精树脂表示，转向 EtherCAT 技术后，所有应用（包括外围设备）均可完全集成到高速网络中，显著提升了控制精度、抗干扰能力以及成型质量。
此外，TwinCAT 能够将各种功能集成至基于 PC 的控制模块，以保障未来系统扩展时无需对硬件进行修改。日精树脂尤其重视 TwinCAT 作为开发环境的开放性特征，例如，它提供了多种集成现有源代码的选项。TwinCAT 3 C++ 可将原先在自研微控制器板上使用的软件资产直接转换为新控制模块。这些模块与 TwinCAT 3 PLC 相结合，能以最小开发工作量构建全新的控制系统。由此，日精树脂成功在短时间内开发出高度灵活的系统。
日精树脂的物联网战略
受德国工业 4.0 倡议的启发，全球各行业正致力于实现制造商之间的数据互操作性标准化。这一行动的核心框架是 OPC UA，但它并不能完全满足所有生产设备的需求。为弥补这一空白，各行业领域纷纷制定了契合自身行业特性的专属配套规范：
- 塑料机械行业： EUROMAP
- 机床行业：umati
- 工业机器人行业： OPC UA for Robotics
- 包装机械行业： PackML
认识到采用 OPC UA 的紧迫性，日精树脂率先行动，早在 2018 年就与倍福共同推出了基于 OPC UA 的 EUROMAP 解决方案。2019 年，这家设备制造商推出了将 OPC UA 作为标准功能集成的新型 TACT5 控制器。据日精树脂表示，这种开放技术方案不仅为用户带来更大效益，还促进了日本塑料行业的跨领域协作，确保持续竞争力。
与倍福的战略合作
日精树脂对与倍福的合作关系寄予厚望。展望未来，公司希望深化与倍福的合作，包括通过新产品测试来优化成本与性能。日精树脂高度重视建立长期的、互相信赖的合作伙伴关系，除获得倍福在所有相关生产国的本地专家提供的销售和技术支持服务外，还包括与倍福各专业部门的紧密沟通。