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2021年9月9日

PC 控制技术和 EtherCAT 在汽车 PCB 板高温老化测试分选机中的应用

控制系统的重新设计助力增强功能,简化布线,降低成本

当 Pensar Otra Vez(POV)公司被委托为一家汽车供应商开发一台在高温下进行最终 PCB 板测试的设备时,公司已经具备类似系统的开发经验。然而,与倍福一起重新设计的控制系统获得了重大改进。此外,基于 PC 的控制技术简化了最终客户能源管理数据的采集和分析。

Pensar Otra Vez 公司由机械工程师 Mike Edwards 于 1994 年在亚利桑那州图森市成立。多年来,公司一直致力于为医疗、电池和汽车制造等多个行业开发和生产机械设备。公司名字就已经体现了他们定期重新评估组件、流程和战略的理念:它在西班牙语中的字面意思是“再想想”。因此,当一个长期合作的客户,一家一级汽车供应商在 2019 年需要设计生产一款新型 PCB 板高温老化测试分选机时,毫无意外,Mike Edwards 自动回到绘图板重新进行设计,而不是复制现有的设计。在德克萨斯州一个客户的工厂里,已经有 20 多台原始的测试分选机在运行,因此有一个明确的基准线衡量改进成果。

新型分选机在室温条件下接收进入的 PCB 板,将 PCB 板的温度提高到大约 110°C ,并在对 PCB 板进行最后的功能测试时,将温度的上下浮动保持在 3 度以内,以模拟车辆的行驶条件。由于测试时间在 120 秒以内,测试分选机必须迅速给产品加温。吞吐量很重要,所以分选机需要最大限度地缩短测试时间与分析时间。PCB 产品在分选机内通过传送带上的四个预热工位,到达测试工位。每个预热工位都有红外温度传感器监测温度上升。以前,将传感器集成到控制系统中会给接线工作带来挑战,同时还会增加劳动力和布线成本。

D2 Engineering 公司所有人兼高级软件工程师 Dan Distefano(左)与倍福区域销售工程师 Casey Taylor 正在 POV 工厂检查新的 PCB 板测试分选机
D2 Engineering 公司所有人兼高级软件工程师 Dan Distefano(左)与倍福区域销售工程师 Casey Taylor 正在 POV 工厂检查新的 PCB 板测试分选机

通过中央平台提升性能和透明度

新型高温 PCB 板测试分选机需要提升性能,遵守测试流程,同时降低元器件成本。POV 希望在满足这些目标的同时,减少布线工作量,最大限度地减少设备占地面积,提升设备易用性。最终客户还希望能够提高设备的数据采集和分析性能,以助力实现工业物联网和工业 4.0 方案。这家汽车供应商在世界各地都有工厂,采取的关键举措旨在完善测量过程和提高效率。“客户工厂越来越重视能源管理。包括满足输送机不使用时自动断电以及精确监测电机转速等需求。”POV 项目经理 Mike Edwards 解释说道。

虽然客户之前使用 Visual Basic(VB)自主完成了设备的编程工作,但汽车制造商现在希望有能够提升设备的灵活性,并能够访问整个系统的性能数据。因此,POV 的工程团队决定与 D2 Engineering 有限责任公司股东兼高级软件工程师 Dan Distefano 合作进行设计和编程。“我们的主要目标之一是通过同一个开发环境访问所有系统和设备。”Dan Distefano 说道。“我们拥有 20 多年使用倍福解决方案的经验,TwinCAT 3 自动化软件和 EtherCAT 工业以太网系统可以简单集成第三方组件,非常适合用在这里。”POV 的工程团队与倍福区域销售工程师 Casey Taylor 密切合作,为应用指定了最佳组件和系统。

TwinCAT 3 集成在 Microsoft Visual Studio® 中,因此不仅可以使用高级语言进行编程,也可以使用包括面向对象扩展功能在内的所有 IEC 61131-3 编程语言进行编程。Dan Distefano 使用了软件套件中的多个解决方案:“比如 TwinCAT HMI 用作图形用户界面,TwinCAT PLC 和 Motion 软件功能用于设备控制,以及 TwinSAFE 用于集成功能安全系统。我们的主要目标是使用同一个开发系统轻松完成所有开发任务,而相同的 Visual Studio® 前端帮助我们很好地实现了这一目标。”这些能力提高了现场和远程支持的便利性。

TwinCAT Runtime 被装载在倍福搭载 Intel® Core™ i3 处理器的 C6030 超紧凑型工业 PC 上。分选机采用了配备 21.5 英寸显示屏和定制按钮扩展件的 CP3921 多点触控控制面板,它的性能更加强大,操作界面也更加人性化。

热试验机由倍福的超紧凑型 C6030 工业 PC 控制
热试验机由倍福的超紧凑型 C6030 工业 PC 控制

提高通信效率和运动控制性能

EtherCAT 凭借其良好的开放性、全面的内置诊断功能和高实时通信性能,可以将所有重要的设备组件连接到一个生态系统中,改进了设备当前设计,操作更加便利。EtherCAT 不使用网络设备的 IP 地址;相反,它自动识别和配置网络上的每台设备。“因此,无需使用额外的软件即可访问、调试每台设备。”Dan Distefano 补充道。

分选机混合使用了防护等级为 IP20 的 EtherCAT I/O 端子模块、防护等级为 IP67 的 EtherCAT 端子盒和通过一根电缆为现场设备供电及传输信号的单电缆解决方案。“EtherCAT P 和能够直接安装在设备上的 I/O 组件让我们能够只用一根电缆回接到主控制柜。”Mike Edwards 说道。

分选机的输送机通过倍福 AS2022 步进电机和 AG2250 减速机驱动,装载 PCB 板通过高温测试工位。防护等级为 IP54 的 AS2022 步进电机由 EL7047 EtherCAT 端子模块驱动,集成了防扭编码器。“以前的设计是在挡边输送带的每一侧使用一个电机加上减速机。电机速度输出值是一个模拟量数字,并不读作电机转速或皮带转速。” Casey Taylor 说道。“倍福的驱动技术可以显示真正的电机转速,因此可以准确地监测和调节输送带的两侧。”

防护等级高达 IP67 的 EtherCAT 端子模块通过 EtherCAT P 单电缆技术,将动力和通信整合在一根电缆中
防护等级高达 IP67 的 EtherCAT 端子模块通过 EtherCAT P 单电缆技术,将动力和通信整合在一根电缆中

重新设计带来了重大改进

“在自动化领域,很少会将最新的技术与之前执行任务采用的方式放在一起进行直接比较。 “我们为我们的汽车行业客户重新设计高温 PCB 板测试分选机,让我们拥有一个绝佳的机会进行同类比较。”Mike Edwards 说道。使用 EtherCAT I/O 模块可以节省 9% 的成本,通过提高布线效率节省 11% 的现场布线工作量,并缩小了 12.8% 的电气柜尺寸,对于 POV 团队来说,同样重要的是可以大幅缩短调试时间。同时还可以在包罗万象的 EtherCAT 网络上轻松集成红外传感器等第三方设备。

Mike Edwards 认为,在设计和建造完成后,倍福为 POV 带来的优势包括减少了项目中约 36 小时的控制系统设计时间。“编程被整合到同一个平台中,如温度控制和测量、能耗检测和速度监测等额外的功能是以前的组件所没有的,具有更大的灵活性。”他说道。这只是倍福平台的优势之一,Dan Distefano 说道:“通过 EtherCAT 将所有设备联网,让我们能够以最少的软件开发工作,以及不需要使用额外的硬件,即可采集更多的信息用于优化设备流程和诊断支持。”重新设计的分选机程序在现场运行没有任何问题,Pensar Otra Vez 团队希望最终用新的倍福架构对其它设备进行改造。