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2020年12月7日

40 年创新之路

2020 年是很有意义的一年,也是倍福公司成立四十周年。

作者: Ronald Heinze

发表在 2020 6 月刊《Open Automation》上,VDE-Verlag,www.vde-verlag.de

倍福公司成立于 1980 年,1985 年推出首款基于 PC 的控制器,又在 1995 年推出总线端子模块产品。来自德国知名杂志《Open Automation》的主编 Ronald Heinze 就倍福的诸多创新技术与产品采访了倍福公司创始人兼总裁 Hans Beckhoff 先生。

“公司目前的总体经济效益表现较为乐观。”Hans Beckhoff 说道。“作为一家一直保持高速增长的企业,自 2000 年以来,我们的年均增长率始终保持在 15% 左右。”直到 2019 年,这种高速增长才首次放缓。因为从 2018 年下半年开始,倍福的客户订单数大幅下滑,尤其是在机械工程行业。尽管如此,Beckhoff 仍然非常乐观:“我们 2019 年的全球销售额为 9.03 亿欧元,仅比上一年小幅下滑了 1%,在市场环境如此严峻的情况下,这个结果还是令人满意的。”

2020 年,倍福全球各家分公司的销售情况各有不同。倍福中国分公司的业绩表现十分抢眼,其销售额占全球总销售额的 20%,在光伏太阳能、风力发电及通用机械制造领域都取得了斐然业绩。在欧洲,除德国、奥地利和瑞士之外,其他分公司的销售情况也比较稳定,在德国也仅出现了个位数下降,主要是在资本品领域出现了一定的下滑。由于全球汽车行业不景气,以及新冠病毒引发的危机和全球贸易紧张局势造成的经济衰退,这些都给设备制造业带来巨大冲击。但另一方面,制造业仍在蓬勃发展,德国亦是如此。“这些复杂的外部环境因素也让我们这么多年保持的高增长率出现了下滑。”Beckhoff 说道。

尽管存在新冠病毒危机,但 2020 年我们的营业额仍在增长

“在新冠疫情危机期间,我们的生产和供货能力从未受到影响。”Hans Beckhoff 说道。“我们的员工一直都保持着工作状态,整个公司都是满负荷运转。根据最近几周的销售情况统计,我们今年的总销售额预计将小幅增长 2%,总销售额约为 9.2 亿欧元。”新客户的增长弥补了倍福由于疫情危机带来的传统客户数量的下降。

“尽管受到新冠肺炎疫情的影响,我们都一直坚持做好已经规划好的每一个投资项目。”总裁指出。公司还在继续扩大驱动产品的生产规模,将目前的生产面积扩大三倍。此外,将精益生产理念与更短的输送路线、更高效的物料搬运以及全新的工作流程相结合,将大大提高生产效率。Hans Beckhoff:“扩大电子驱动产品的生产规模将是我们未来几年发展的一个主要方向,包括传统的回转和线性驱动产品以及可作为替代方案的线性输送系统,如我们的 XTS 磁悬浮输送系统以及具有六自由度的 XPlanar 平面磁悬浮输送系统。”

倍福在美国德克萨斯州的休斯敦(过程工业的主要中心)设立了新的办事处,以拓展其在美国的销售网络。此外,倍福还在德国亚琛 RWTH(应用科学大学)附近开设了一个新办事处,加强公司在科研领域的合作活动。“为了增加我们在当地的认同感,我们也为全球很多分公司投资了自己的办公楼。”总裁说道。例如,倍福丹麦分公司 8 月份搬进了新总部大楼。“我们的宗旨就是,客户在哪里,我们就在哪里,所以我们要不断扩大和巩固销售网络。”

四十年磨一剑

四十年对于自动化技术的发展来说意义非凡。1980 年,Hans Beckhoff 自己一个人在一个小仓库里开始了他的创业,他在那里为他父母的电气安装客户制作控制柜。学核物理出身的他很快就意识到微电子学领域将会有大发展,并开始开发基于微处理器的定位电子技术,他将其与控制柜结合起来,作为系统解决方案,提供给门窗和木工机械领域的客户。随后,他从仓库搬到了车库,父亲电装公司的电工经常在车库里面帮忙,1984 年,他又从车库搬进了自己的第一栋办公楼里。在最初的几年里,公司是以系统集成商的身份运营的,其部分电子产品都是自己完成开发的。“1986 年,随着我们基于 PC 的控制技术取得了进一步发展,情况发生了变化。我们认识到这项技术可以为由 CPU、I/O、驱动技术、软件和 IT 功能构成的完整的自动化系统奠定基础。这一属性组合使得我们在竞争中遥遥领先,因此 1990 年我们决定参加汉诺威工业博览会,向全世界展示我们的产品。”Hans Beckhoff 回忆道,“我们是控制技术的革命者,我们的理念与传统自动化系统制造商的理念截然不同。有开拓创新意愿的客户认为这项技术很令人兴奋,但思想比较传统的客户却表示拒绝。我很高兴地看到,我们参加的第一个展会和今天的展会一样精彩,成果都非常丰硕。同样没有改变的是,仍然还是那些乐于创新的客户喜欢来找我们,共同分享我们对技术的热情。”

倍福自动化公司在前十年只专营某些自动化产品。到 20 世纪 90 年代,公司开始在德国组建了一支较为全面的销售团队,并从 2000 年开始向全球扩张。“到现在为止,我们在德国已经有 22 个办事处,业务覆盖全球 75 个国家,并在其中 39 个国家设立了分公司。”Beckhoff 说道。在一开始,这位雄心勃勃的企业家全靠自己一个人焊接了第一批零件,而如今他的工厂却能生产出数以百万计的零件。“今天,我们可以回顾一下公司 40 年的发展历程,销售额从第一年的 5 万马克增长到现在的 9 亿欧元,员工人数从 1 人增加到如今的 4300 人,技术上从搭载 4 MHz 的 8 位微处理器发展到目前拥有搭载 4 GHz 的 48 核/64 位处理器的产品型号。我们在产品和组织架构上不断变化,但我们仍然觉得自己还是一个刚起步的创业公司,只是已进入不惑之年,规模比以前大了一点,但其特点仍然是享受用新技术彻底颠覆世界带来的快乐。”

“我们在销售与分销模式上也需要不断创新,虽然疫情让我们无法参加展会,无法与客户进行面对面的沟通。”Hans Beckhoff 继续说道,“但幸运的是,我们现在有了 Microsoft Teams 沟通协作平台,无论客户身在何处,我们都可以与他们进行更深入的交流。”公司通过直播的形式及在线 Automation Updates与客户沟通重要的技术创新,与他们保持联络。“我们将在 SPS Connect 线上展览会以及我们自己的线上活动中推出我们的新产品,同时也会通过线上平台展示我们基于 PC 的控制理念的功能系统方案。”Beckhoff 解释说道,“在倍福,自动化技术意味着提供一个统一的平台:从经济实惠的小型控制器到搭载多核处理器的高性能工业 PC、基于 EtherCAT 技术的 I/O 总线端子模块、驱动器以及传感器,速度超快且在某些情况下高度复杂的 PLC 深度集成了逻辑和运动控制安全功能,以及从简单的点对点行程到 5 轴 CNC 和机器人运动学的多轴运动功能,再到创新的基于动子的磁悬浮输送系统。此外还有各种集成功能,包括集成在控制功能中的高精度测量技术、实时 C++ 高级语言程序应用、集成实时 MATLAB®/Simulink® 功能、集成实时图像处理、人工智能以及集成基于边缘计算和云端的工业 4.0 功能。这个全面综合的自动化平台是我们 40 年坚持创新和经验积累的结晶,也是我们与客户 40 年密切进行项目合作的成果。”

机器学习与云计算

我们今年重点关注的是机器学习领域,并开发完成了第一批机器学习产品。“我们在四年前就开始积极参与人工智能(AI)领域的研究。”Hans Beckhoff 说道。“我们置身于这项迷人的技术,掌握了一定的基础知识,对其进行开发,并根据自动化应用进行调整。让我们特别自豪的是,我们的 ML 推理环境可以在 PLC 中实时运行。这为我们现在以 TwinCAT 集成式组件的方式向客户提供的许多新的控制功能开启了一扇大门。”

Hans Beckhoff 表示,在云端的开发平台正处于内部测试阶段:“有了在云端的开发平台,我们就可以在云端的虚拟机上轻松使用各种开发工具,而不是直接在笔记本电脑上使用。”通过互联网浏览器,无需安装任何硬件或软件,即可从各种设备和任何操作系统访问在云端的开发平台。“这款产品将在今年年底发布。”Beckhoff 说道。

Beckhoff 认为,在这种情况下,对基于云的计算持保留意见是没有根据的,因为源代码不一定要存储在云端中,这样既方便又安全,因为大的云供应商都会以数据库(Git)的形式提供相应的服务,因此也会支持这种方式。“我们在这一领域正在与微软和亚马逊网络服务商(Amazon Web Services)紧密合作。”他补充道。

倍福在 TwinCAT 软件方面也有许多创新,包括用于 XPlanar 系统的新软件库和用于 TwinCAT HMI 的新控件。倍福控制器具有许多开放式接口,现在又添加了一些新的接口,可以与西门子设备进行通讯。因此,系统现在可以与西门子的工业物联网即服务解决方案 MindSphere® 连接。倍福还实现了最新的 TwinCAT-to-S7 通讯功能。

倍福还是 GAIA-X 计划的积极支持者和参与者。“目标是为底层云解决方案中的数据服务定义一个标准化接口。”Hans Beckhoff 解释说,“GAIA-X 计划旨在减少欧洲对美国和亚洲云计算巨头的依赖,我们认为这种方法对自动化技术的应用也很有助益。”

TwinCAT MTP 优化支持过程工业中信息物理系统的模块化
TwinCAT MTP 优化支持过程工业中信息物理系统的模块化

为流程工业的发展提供推动力

倍福凭借其基于 PC 的控制技术也已经在流程工业活跃了相当长的一段时间。例如,FDT/DTM 接口多年来一直是 TwinCAT 不可或缺的一部分。它用于配置我们的 HART 产品,并将其集成到其它系统中。随着我们的 TwinCAT MTP(Module Type Package)面世,我们在流程工业又迈出了一大步。”Hans Beckhoff 解释说道。该软件包用于轻松地将由倍福控制器控制的模块集成到基于 OPC UA 的过程控制系统中。这样,就可以通过 TwinCAT MTP 中的导出功能将 TwinCAT 自动化系统模块轻松集成到总系统中。

“过程自动化技术日益朝着模块化自动化发展的趋势日益凸显了我们基于 PC 的控制技术的优势。”Beckhoff 说道。由于倍福的控制器可以精确满足各种性能等级需求,因此模块制造商能够选择与每个模块匹配度最好的控制器。TwinCAT MTP 将于今年年底发布,已在部分项目中进行试点。

工业 PC 技术创新硕果累累

在倍福工业 PC 技术发展了 35 年后的今天,用户今年可以再次看到我们会推出更多令人兴奋的创新技术和产品。事实上,CPU 制造商在设计中会越来越多地考虑到工业应用,这也给德国自动化企业的发展带来了额外的推动力。他们可以确保程序的长期可用性,并在芯片上特别集成如内部总线的定时控制和基于 TSN 的以太网控制器等功能。

成功的 C60xx 系列超紧凑型工业 PC 队伍越来越庞大。搭载 Core i 处理器的 C6025 无风扇型工业 PC 将于 2020 年底发布配备最新的 Intel‘Whiskey Lake’处理器的型号。“这些性能出色的超紧凑型工业 PC 也可以用作边缘设备。”Hans Beckhoff 自豪地说道。

“防护等级达到 IP 65/67 的新型 C7015 可以直接集成到设备中,为工业 PC 的应用开辟了新天地。”Hans Beckhoff 在谈到下一个创新产品时说道。这款全新的 PC 将搭载 Intel‘Apollo Lake’Atom® 处理器,集成的 EtherCAT P 主站提供了额外的 I/O 链路,可以直接链接现场装置。凭借其广泛的接口和强大的 Intel Atom® 多核技术,这款工业 PC 是自动化和云通讯任务的理想选择。“有了这款工业 PC、EtherCAT P 和 IP 65 I/O 端子盒,就可以帮您轻松打造一个完整的数据采集系统,而且无需要使用开关柜。”Beckhoff 说道。

带有强制通风功能的 C6030 和 C6032 工业计算机以及所有配备 ATX 和 3.5 英寸主板的工业 PC 都将搭载 Intel® Core™ i8/9‘Coffee Lake/Coffee Lake Refresh’处理器,因此,使用一台工业 PC(最高 8 个内核)就能够实现高性能的自动化系统。“用户喜欢这些工业 PC 是因为它们具有出色的性能。”Beckhoff 补充说道,“即使在相对简单的应用中,利用它们的多核技术与 TwinCAT 3 的内核隔离功能也变得越来越重要。”

新的 CX20x3 系列嵌入式控制器现在也将搭载双核或四核 AMD Ryzen™ 处理器。“由于这些工业计算机具有出色的实时性能,支持 32 位和 64 位系统(即 TwinCAT 2 和 TwinCAT 3),因此它们是实现所有自动化任务的理想选择。”Hans Beckhoff 说道。“对于 AMD 来说,一家目前正在进行组织架构重组的‘老牌’玩家打算重返这个领域。”Beckhoff 预计,这将会推动计算机系统在工业领域中的广泛应用,因为除了成熟的基于 PC 的控制器外,边缘计算、雾计算、云计算、机器学习、人工智能和视觉等细分领域目前也正在寻找自己适当的位置,并拓宽应用领域。

随着 CU81xx 系列系统的推出,不间断电源(UPS)现在可用于所有工业 PC/CX/面板产品。它们具有一个灵活的通讯链路,既可以通过 UPS-OCT 单电缆解决方案提供 24 V 直流电源并传输数据,也可以单独通过 USB 进行连接。

另一款创新产品是搭载 ARM Cortex™-M7 处理器的 CX7000 控制平台。它的价格不到 200 欧元,提供一个功能强大的 TwinCAT 3 PLC,并集成有 I/O 和一个 LAN 端口。PLC 通过 EtherCAT 接口几乎可以任意扩展所有倍福总线端子模块,并可连接各种 EtherCAT 设备。据 Hans Beckhoff 介绍,CX7000 在价格和性能方面是一个真正的“奇才”。“我们可以为客户提供成本越来越低但性能却越来越强大的解决方案,不断扩大自动化技术的应用范围。”倍福公司总裁如此说道。

倍福 TwinCAT/BSD 是一款针对 TwinCAT 3 实时应用程序且支持多核系统并兼容 Unix 的操作系统
倍福 TwinCAT/BSD 是一款针对 TwinCAT 3 实时应用程序且支持多核系统并兼容 Unix 的操作系统

倍福开发的 TwinCAT/BSD 现在已经可以用作所有工业 PC 平台的替代操作系统,这一点已经不再让人感到意外了,它将 TwinCAT 运行实时核与兼容 Unix 的开源操作系统且无需 GPL 许可证的 FreeBSD 结合于一体。Hans Beckhoff 认为它将是 Windows Embedded Compact 7(CE7)的替代或换代产品。未来它甚至可能取代“大型 Windows”应用程序,即在 Windows 7 或 10 下运行的应用程序。FreeBSD 以及相应的 TwinCAT/BSD 支持 ARM CPU 以及 Intel® Xeon® 处理器,因此也支持紧凑型嵌入式控制器以及高性能工业 PC。Beckhoff 认为,这让倍福“与微软保持一致,除了支持 Windows 之外,也越来越多地支持 Unix 变种。”

对于倍福这样的企业来说,HMI 这个话题仍然具有很大的吸引力。“我们会及时响应客户的最新需求,打造出与具体应用最为匹配的面板和面板型 PC。”倍福总裁说道。客户甚至可以使用配置工具来调整每台工业 PC 的按钮扩展单元,以满足其特定的应用需求。早在 2012/2013 年,倍福就已经是最早将多点触控技术应用于工业领域的大型工业自动化供应商之一,开启了行业发展的新趋势。此后,大大小小的许多企业纷纷涌入工业 PC 领域。“我们拥有丰富的专业知识,我们不断扩大自己的生产规模,更为重要的是,我们与客户一直保持着紧密联系,这些都让我们能够开发出高性价比的工业 PC 硬件。”Hans Beckhoff 说道。

总线/EtherCAT 端子模块自动化系统的基本构件

总裁回忆道:“1995 年,也就是 25 年前,我们第一次在汉诺威工业博览会上展出总线端子模块产品。它们对于当时的整个自动化行业来说都是真正具有革命意义的产品,因为在此之前,现场总线模块 I/O 仅有 8 个或 16 个或 32 个输入/输出通道。我们的总线端子模块将成熟的端子排设计与现代 I/O 和通讯技术相结合。这样就可以直接在端子盒中按照所需的信号组合实现端子排结构。在很多应用中,它还可以省去整个接线层,使得端子盒的体积变得更小,降低整个 I/O 站点的成本。当时我们把总线端子模块称为自动化技术的新的基本构件,就像接触器一样。这一点很重要,因为几乎所有的自动化产品制造商都采用并模仿我们的设计。如今,总线端子模块已被用作标准的 I/O 组件,随处可见。遗憾的是,我们当时没有申请专利来保护我们的这个创意。总线端子模块系统也见证了公司的不断发展。当年的倍福已经是一家发展很稳健的软硬件公司,但我们在机电外壳设计方面还没有什么经验。于是我们找到了 Wago,让他们协助开发端子模块的外壳。我们两家都为该项目的顺利开展拿出了各自的专有技术,并将产品成功推向了市场。我们携手并进,成就了更好的自己!”

今天,倍福的总线/EtherCAT 端子模块产品有 1000 多种,几乎可以满足所有信号类型及应用的需求。系统多年来取得了稳步发展。除了用于标准信号的端子模块产品之外,公司还提供各种通讯端子模块、测量端子模块、‘黄色’安全端子模块、‘蓝色’Ex-i(防爆)端子模块以及电机控制端子模块等。Hans Beckhoff:“让我们特别高兴的是,我们的端子模块系统设计已经沿用了 25 年,非常稳定可靠。我们在 1995 年初推出的几乎所有端子模块现在依然是倍福的常规产品。我们很早就已经明白,长期可用性对客户来说是一笔巨大的财富。当然,我们会定期为各种信号的端子模块产品引入一些新的设计元素,以提高它们的性能和价格竞争力,但我们会保留总体的兼容性,并将继续保持下去。总线端子模块系统已经走过了 25 年,我们认为我们依然还有 25 年的时间。”

总裁补充道:“EtherCAT 是倍福发明的另一项基础技术,目前已在全球范围内得到认可和广泛应用。它是于 2003 年被引入市场。”令 Hans Beckhoff 感到自豪的是,EtherCAT 协议自推出以来一直保持稳定不变,并且在控制领域继续成为高速、高确定性、易于操作和经济实惠的通讯技术的参照标准。“我们还推出了完全兼容 EtherCAT 的 EtherCAT G 和 EtherCAT G10,即 1 Gbit/s 和 10 Gbit/s 以太网,这意味着为未来的应用提供了更充足的性能储备。”

总裁认为,EtherCAT 提供了你所需要的一切,在 I/O 层提供了一个易于使用且性能卓越的通讯解决方案。”我们投入了很多资源,积极支持 TSN 的发展。”Hans Beckhoff 说道,“TSN 特别适合用于将不同的控制器整合在一起。”但对于 I/O 层,“TSN 复杂的交换技术需要太多不必要的过载,”所以它不是 I/O 领域的解决方案。

在 I/O 领域的众多创新产品中,全新的 ELM72xx 系列伺服端子模块脱颖而出。它采用的金属外壳使它能够比以前的负载高一倍,最大驱动功率可达 1 千瓦。此外,STO/SS1 和制动斩波器控制默认集成在一起。Safe Motion 软件包可作为可选件提供,包含安全限速和安全定位等功能。因此,双通道伺服驱动端子模块具有显著的成本优势。ELM33xx 系列 4 通道和 8 通道热敏元件端子模块进一步完善了高精度测量端子模块产品系列。用于分析 5 V 增量式编码器(RS422/TTL)的新型 EL51xx 系列 EtherCAT 端子模块则可以节省一半的控制柜空间。

倍福工程师对于单对以太网(Single Pair Ethernet)技术也非常兴奋。“我们认为单对以太网的发展前景非常广阔。”Hans Beckhoff 说道,特别是从工艺技术角度来看。它的成功在很大程度上将取决于现场设备的可用性。本质安全防爆技术的集成为实施新方案开启了一扇大门,它不仅能够降低布线成本,改进诊断功能,而且还能够让现场设备安装后实现即插即用机制。“我们是单电缆技术的忠实拥趸,因此我们四年前推出了 EtherCAT P。”Beckhoff 继续说道。“对于单对电缆以太网的发展,我们也是用类似的角度看待。特别是在数据速传输速率较低的应用中,EtherCAT 凭借其高协议效率在这一领域优势较大。”

新的 PS 系列电源产品具有宽幅输入的特点,并取得多项技术认证,能够在全球通用,可广泛应用于 24 V 和 48 V 的直流应用
新的 PS 系列电源产品具有宽幅输入的特点,并取得多项技术认证,能够在全球通用,可广泛应用于 24 V 和 48 V 的直流应用

电源作为系统组件提供

“每个自动化解决方案都需要用到电源。过去我们的产品目录中没有电源产品,但现在我们做了一些改变。”Hans Beckhoff 说道。可靠的 24 V 或 48 V 电源是确保自动化产品无故障、持久运行的前提。例如,倍福在紧凑型驱动产品和 XTS 系统使用的电源交互方面拥有丰富的经验。拥有与电源的稳固交互,对于工业 PC 和过电流保护端子模块(EL922x)的运行来说可靠性也至关重要。

“我们充分利用将我们在电源领域积累的丰富经验,开发出了 PS1000、PS2000 和 PS3000 系列单相及三相电源产品,这些产品将很快与大家见面。”Beckhoff 说道。这些电源产品可以与倍福的自动化组件最佳匹配,效率非常高。“作为一家系统供应商,现在我们在电源领域也可以为客户提供综合评估和合适的解决方案。”这位物理学专业毕业的企业家强调道。

为实现高动态定位任务提供更多驱动力

倍福与其发展势头强劲的子公司 Fertig Motors 共同开发了全新一代高性能直线电机,并已批量供货。AL8000 产品系列采用模块化系统设计,由直线电机动子和定子磁板组成。它有三种宽度可供用户选择:50 mm、80 mm 和 130 mm。“我们的产品系列全部都在德国开发和制造,覆盖 120...6750 N 的力范围,并为优化定子长度提供了最大可扩展性。我们可以为每个客户装配出最合适的电机。”Beckhoff 说道。这些电机可以通过 Motion Designer 工具进行配置。

AL8000 系列模块化直线电机在极小的空间内提供高峰值力
AL8000 系列模块化直线电机在极小的空间内提供高峰值力

此外,我们又使用两个组合电源和轴模块 AX8540 和 AX8525 对 AX8000 系列伺服系统进行了扩展。因此,该产品线现在包括连续电流高达 40 A 并可用于高负载应用的轴控制器。这些模块可以与附加的轴模块连接。集成有功率放大器的 IP 65 级 AMP 电机已经在实际应用中取得了巨大成功。“我们目前正在扩大 AMP 模块的生产规模,因为我们预计客户会对这些产品很感兴趣。”总裁补充道。

XTS 磁悬浮输送系统的进一步研发工作进展得也很顺利。“我们在各个市场上都赢得了很多新项目。”Beckhoff 说道。公司在这一方面也有很多创新成果:现在,动子可以产生高达 200 N 的推力,开辟了新的应用领域。此外,我们能够制作 L 型、U 型和 T 型轨道,因此几乎可以实现任何形状的轨道布局。“轨道的正负半径可以组合,为动子提供了最大的自由度。”Beckhoff 补充道。

此外,由可实现非接触式运动的可自由悬浮的动子构成的 XPlanar 平面磁悬浮输送系统在市场上的反响也非常好。“目前我们的这项技术在很多行业领域都得到了应用,甚至是一些我们从未想到过的应用,例如用作名贵手表的展示装置。”Beckhoff 说道。系统现在支持三种规格的动子,即使在运行过程中动子被移除,也能自动检测动子。另一个新功能是轨迹管理,有了这个功能既可以同时使用多条轨迹路线,也可以彼此分开使用。动子也可以通过机械方式连接在一起。

看到公司有如此多的创新成果,总裁对 2021 年的发展前景持乐观态度:“我们将重新赢得大批量机械制造行业的客户,而且不要忘记,我们的新客户数量正在不断增加。”毕竟,公司一直坚持创新,不断开辟新的应用领域,长期帮助用户改进设备和系统。“只要有企业想更高效地生产出更多的产品,就会需要我们。”他总结道。