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2020年12月21日

AES 重新设计具有物联网连接功能的超紧凑型工业气体输送系统

EtherCAT 插拔式模块和紧凑型面板型 PC 扩展了高纯工业气体应用中的控制器功能

美国 Applied Energy SystemsAES)公司对其成熟的控制器进行了升级改造,用于向生产线提供高纯气体,以支持其在先进的工业 4.0 解决方案中的应用。CP6606 面板型 PC EJ 系列紧凑型 EtherCAT 插拔式模块显著增强了设备功能,同时保持了与前代设备相同的小尺寸规格。

超纯工业气体对电子制造和很多科研项目都非常重要,但由于很多气体具有较高的可燃性或毒性,如果处理不当,会造成致命的后果。AES 公司控制技术研发总工程师 David Stetz 表示,这些工业气体处理系统的设计过程变得越来越复杂。例如,对于半导体制造商来说,虽然安全是重中之重,但还必须保障生产速度和产能,同时确保半微米或更小范围内的质量和精度偏差。

AES 公司自上世纪 80 年代中期开始制造高纯气体处理系统以来,其目标就一直是提供安全、可靠、高性能的系统。高纯气体的应用领域包括一般制造业、研究实验室、光伏太阳能、制药和生物技术,而超纯气体主要用于制造航空航天部件、半导体和其它电子产品。在现在高科技环境下,我们迫切需要继续设计新产品并对现有的设备进行升级改造,AES 公司总经理 Jim Murphy 说道:“我们专注于自主研发并扩大我们的制造业务,以支持我们的客户目前所需要的工业 4.0 解决方案和物联网(IoT)技术。”GigaGuard™ GSM-V™ 控制器是我们针对超纯气体领域推出的一款具有重要创新意义的产品之一。它可以监测和控制超纯气体的输送,专门设计用于替代 GSM-5™ 的前身型号,因为该型号不具备工业 4.0 能力。

CP6606 面板型 PC 通过 7 英寸触摸屏为实现控制和 HMI 操作提供了一个结构紧凑的解决方案。
CP6606 面板型 PC 通过 7 英寸触摸屏为实现控制和 HMI 操作提供了一个结构紧凑的解决方案。

严格按照要求重新开发

AES 三十年前推出了 GSM-5,仅在上世纪 80 年代和 90 年代就安装了约 1 万台。“由于这些旧版产品的支持和维护不够,因此它们正慢慢接近寿命终点。”David Stetz 说道。“在这种背景下,重新开发就顺理成章了,尤其是可以紧跟制造业中的物联网功能趋势。我们还希望为最终用户提供一个简单的即插即用解决方案,并提供速度更快的数据处理、更直观的人机界面和更优化的互联互通,以实现数据传输和气体状态的持续监测。”

GSM-V 还需要高效地监测气体状态,以保持超高的纯度水平并确保安全的作业条件。气体纯度稍有下降,可能就会毁掉整批高价值的产品,造成巨大的经济损失。因此,输送系统送出的气体纯度至少要与进入时的纯度相同,甚至在通过额外的过滤器和纯化器后达到更高的纯度。此外,如果气体状态出现异常,就表示有更大,甚至可能致命的问题存在,因此,通过人机界面和网络进行实时监测对于确保系统的安全运行至关重要。

GSM-V 项目的另一个要求是达到最佳性价比。所有增强控制器功能所需的组件都需要安装在一个位于超纯气体供应柜上边缘的 8 英寸高、10 英寸宽、12 英寸厚的外壳中。David Stetz 补充说道:“这些系统很多都采用硬接线,周围建有额外的设备,如自动喷水灭火系统。因此,如果我们要保持直接替代换能力,就不能改变设备的外形尺寸。”

PC 控制技术凭借其紧凑、开放的系统给人留下深刻印象

据 David Stetz 介绍,倍福基于 PC 的控制产品系列提供了很多适合的硬件和软件解决方案,尤其是 CP6606 适合控制柜安装的面板型 PC,从一开始就引起了他的注意。“这款‘经济型’工业 PC 的尺寸完全满足气体输送系统的空间需求。面板不仅有一个7 英寸触摸屏用于 HMI 操作,而且无需使用额外的硬件 PLC,可以显著减少控制柜内占用的空间,并存储一个活动告警日志,用户可以通过 HMI 软件访问该日志。”CP6606 搭载倍福生产的 3.5 英寸主板和无风扇的 ARM Cortex™-A8 处理器,并集成了图形适配器。此外,它配备了一张 512 MB 的 microSD 卡,可以选择将其升级到 2、4 或 8 GB。

CP6606 上安装的 TwinCAT 3 自动化软件支持所有控制和显示功能,而在以前,David Stetz 必须使用多个程序来实现这些功能:“TwinCAT 3 将 PLC 和 HMI 集成在同一个平台上。以前必须在单独的软件包中编程并在单独的 PC 上运行的所有 HMI 功能现在都被整合到了一个软件包中。基于 PC 开放式解决方案确保 GSM-V 可以与最终用户的 SCADA 系统进行通信,并通过 OPC UA 命令协议将数据发送给云端。”

Applied Energy Systems 公司研发控制技术总工程师 David Stetz(右)和倍福美国区域销售工程师 Tim Beckel(左)密切合作,使用 CP6606 和 EJ 系列 EtherCAT 插拔式模块对 GSM-V 进行升级。
Applied Energy Systems 公司研发控制技术总工程师 David Stetz(右)和倍福美国区域销售工程师 Tim Beckel(左)密切合作,使用 CP6606 和 EJ 系列 EtherCAT 插拔式模块对 GSM-V 进行升级。

EtherCAT 插拔式模块大幅减少占用空间和 I/O 接线工作量

所有用于控制和安全功能的数据通信都通过 EtherCAT 实时进行。相应的 I/O 层由 EJ 系列 EtherCAT 插拔式模块构成。GSM-V 配备了 1 个 EtherCAT 耦合器 EJ1100、16 通道数字量输入模块 EJ1889、8 通道模拟量输入模块 EJ3108、4 通道模拟量输出模块 EJ4134 和两个 16 通道数字量输出模块 EJ2809。EJ 系列插拔式模块可以直接安装在电路板上,这一点令作为电气工程师的 David Stetz 非常赞赏,因为这样就消除了点对点的 I/O 接线,而且这种安装方式还可以节省非常大的空间。“如果使用的是其它系统,我需要使用一个至少比它大两到三倍的安装箱才能容纳这么多的 I/O 通道。这些 EJ 插拔式模块结构非常紧凑,而且可以很轻松地安装在电路板上,因此帮助 AES 提升了批量生产的灵活性,并显著减少了布线工作和出错可能性。”

提升灵活性,缩短安装时间

GSM-V 控制器于 2017 年问世,自那时起取代了大量过时的 GSM-5 控制器。新系统符合所有所需的安全标准,包括 SEMI S2、SEMI S8 和“统一消防规范”,其增强的功能已经经过实践验证。据 David Stetz 介绍,系统灵活性的提升带来了更多优势,使得标准产品系列可以很容易地适应每个客户的具体需求。“由于 GSM-V 基于 TwinCAT 3,因此可以根据需求轻松添加任何在 PC 上运行的软件。倍福的解决方案既支持新产品,也支持旧产品,让我们可以充分展示我们产品的多功能性、创造性和独创性。”

GSM-V 仅保留了相同的尺寸和形状,但没有繁琐的接线需求。相反,新系统通过 EtherCAT 在网络连接上运行,并通过 C13 电源线供电,如果客户需要,也可以选择硬接线。这种即插即用型解决方案将安装时间缩短了一半,David Stetz 解释道:“在最终确定 GSM-V 之前,我们一直使用不同的解决方案替代 GSM-5 控制器,因为需要修改的地方很多,所以安装至少需要一天的时间。但有了新的 GSM-V 控制器之后,我们的现场技术人员可以在一天内更换两到三个系统。”

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