基于 PC 的控制技术和 EtherCAT：提升光伏组件生产效率，降低生产成本

基于 PC 的控制技术原理

光伏行业的机械工程持续承受着性能和成本的双重压力。太阳能光伏组件技术的进一步发展以及设备联网和云端连接是光伏企业在生产太阳能光伏组件过程中必须面对的挑战。因此，在机械工程方面需要整合新的技术，以提升生产设备的效率和透明度。为此，确定成本驱动因素并定期对这些因素进行测试非常重要：传统的专用软硬件只能暂时可靠地完成工作，不仅采购成本高，而且在工程、网络和维护以及长期备件维护方面也很复杂，而且代价不菲。如果一台设备在功能扩展时需要修改这种专用硬件的设计，那么上述所有因素都会带来成本的增加。

倍福基于 PC 的开放式控制平台提供了出路：大量的硬件和软件供应商、服务、标准化和经济的接口，以及同样重要的令人难以置信的高性能，使得工业 PC 成为当今自动化技术各方面不可或缺的好帮手。倍福始终坚持自主开发和生产工业 PC，包括主板、TwinCAT 自动化软件和 EtherCAT 实时现场总线系统，很好地满足了基于 PC 的工业控制要求。硬件产品的长期可供货能力、工业设计、实时性、丰富的诊断功能以及性能可扩展性构成了倍福 PC 控制技术的基础。随着 PC 领域的不断发展，例如处理器技术的发展，不断融入到倍福工业 PC 的开发过程中，从而保证工业 PC 性能在未来能有机、自动地提升。

EtherCAT：太阳能光伏机械工程的全球标准

EtherCAT 技术协会（ETG）拥有的全球 6000 多家会员单位现在都支持倍福开发的控制技术，它是目前几乎所有尖端太阳能光伏生产设备的基础。EtherCAT 可以实现远低于 1 ms 的周期时间，具有同步性能出色、拓扑选择灵活、诊断功能全面及配置简单等特点，EtherCAT 是非常适合用于实现太阳能光伏机械工程，并已经成为光伏行业的通讯标准。实时现场总线系统将 I/O、安全技术和驱动总线系统集成为一体，负责实现所有环节的通讯。由于 EtherCAT 技术在全球范围内广泛使用，市场上有大量支持 EtherCAT 技术的传感器和执行器，保证了较高的投资安全性，并为应用中遇到的每个难题提供合适的解决方案。

EtherCAT 的高速通讯能力可以缩短循环时间，同时提高加工精度。EtherCAT 的优势主要体现在以下两个方面：能够以纳秒级（XFC 极速控制技术）的超高精度采集和输出信号，可以精确检测太阳能硅片和电池片，从而能够高精度控制光伏组件上下料设备。光伏设备制造商在使用 EtherCAT 时拥有完全控制权，他们根本不需要考虑通讯结构即可完成设备的设计和建造；EtherCAT 可与选定的设备拓扑结构相匹配。EtherCAT 几乎支持任何拓扑类型，包括线型、树型、星型等拓扑结构。最妙的是：扫描仪、条形码和二维码打印机或其它传统 IT 设备等基于 TCP/IP 的标准设备都可以通过 EtherCAT 轻松连接。

EtherCAT P 大幅缩短装配时间

在极端情况下，大量电缆的使用会给生产、装配和集成带来很大的工作，工程成本也将随之显著上升。因此，利用先进的可替代技术尽量减少电缆的数量，是工程设计时需要考虑的问题。在后续运行中，电缆也会是引起系统出错的一个很大原因，尤其是当电缆也在运动时。拖链和机器人的弯曲和扭转运动会导致电缆出现磨损。EtherCAT P 可显著降低系统成本，它将 EtherCAT 通讯与所连接的用电设备的动力电源整合在一根 4 芯标准以太网电缆中。EtherCAT P 保留了 EtherCAT 技术的所有优点，包括网络拓扑结构的自由选择、高速度、高带宽利用率、动态处理报文、高精度同步和范围宽泛的诊断功能，等等。这使得 EtherCAT P 成为太阳能光伏机械工程中使用的传感器、执行器和测量技术的理想总线系统。结果：减少布线工作，减少需要维护的部件数量，降低复杂性，并可在保持产品功能的情况下降低成本。

XFC 极速控制技术助力提升设备性能

太阳能电池片加工是一个高动态过程，电池片上的很多加工过程都是即时完成的，不能停止。因此，在加工前和加工过程中，准确知道被加工太阳能电池片的位置是非常重要的。这样就可以在不损坏太阳能电池片的情况下准确地开启和关闭加工设备；控制精度越高，生产出来的电池片的质量就越高。TwinCAT 自动化软件和 EtherCAT 高速通讯系统是实现这一目标的基本功能模块。在较低毫秒级甚至亚毫秒级范围内的周期时间允许实现快速反应和响应时间。然而，这些时间不能完全被消除。

XFC 极速控制技术可以通过 EtherCAT 中的分布式时钟功能为此提供帮助。所有来自现场的信号和控制器内的计算都以此时间为基准。系统可以在此基础上高精度地计算出控制生产单元所花费的时间，并与实际信号信息一起发送给 EtherCAT 输出端子模块。因此，PLC 以及现场总线引起的延迟在这个应用中几乎可以完全被消除。

XFC 技术的超采样功能也可用于改进工艺。尽管设定的 PLC 周期时间已经很短，但只要涉及到从设备上采集或输出更高分辨率的信号，就可以使用这项技术。技术诀窍：在一个 EtherCAT 循环中，一次冲程最多可传输 100 个等距离时间的信号值；信号的时间分辨率也按照这个系数适当增加。这样可以提高硅片和/或太阳能电池片的检测精度，而且无需使用额外的硬件即可实现太阳能电池片的串联。

通过 TwinCAT 简单实现项目管理、仿真和诊断

随着光伏行业对机械工程的要求越来越高，调整制造工艺，以满足客户对定制化生产的需求已经成为标准化需求，并对企业能否在激烈的市场竞争中持续胜出起着至关重要的作用。但这种需求导致出现的基本问题是，由于设备的复杂性不断增加，会出现各种各样的设备版本。可用的开发和设计时间随之大大缩短，而调试和现场测试则会很快超过规定的时间。如果在最后一刻发现在设计阶段有某个细节问题没有考虑到，想要进行修改就会变得非常复杂，而且会带来很高的成本。倍福的 TwinCAT 3 软件系统为解决这一困惑提供了一剂良方。

开发和调试阶段
在这个阶段，TwinCAT 中集成的源代码管理器接口可为开发团队提供支持。从一开始就可以随时追溯所有变更，并有针对性地合并不同的项目版本。开发人员越遵守固定的标准规范，程序代码的可读性就越高。通过静态代码分析可以监控全公司范围内的任何编程规则。TwinCAT 3 PLC Static Analysis 可确保在开发阶段提醒程序员注意是否与既定规范有偏差。

TwinCAT 3 Simulation
在设备的开发过程中，越早发现错误，修复错误的成本就越低。在存在疑问的情况下，确认速度的快慢决定了一个项目是否能够 100% 盈利。因此，现在的趋势是在开发过程中对设备进行仿真。但需求往往千差万别。标准设备制造商倾向于使用尽可能精细的仿真，因为这样就可以“一劳永逸”。大型设备和特种设备制造商更需要可轻松和快速实施的解决方案。TwinCAT 控制平台中的多种软件产品都可为这两种用户群体提供支持：

TwinCAT 3 CAD Simulation Interface

• 设备设计一般都采用现代化的 CAD 系统实现。倍福的 TwinCAT 3 CAD Simulation Interface 软件工具可以连接 TwinCAT 与 3D CAD 系统。有了它，TwinCAT 就可以非实时控制 CAD 系统中显示的虚拟光伏设备。这种三维机械零部件仿真是实现虚拟调试的关键。在仿真时，每个安装部件的运动和交互都会在组中显示，并提前确定碰撞和系统的临界状态。此外，仿真还可以用来通过使用仿真后的临界机械条件，提前对操作人员和维修人员进行常规操作培训，并定义故障排除的工作指引。

TwinCAT 3 EtherCAT Simulation

• TwinCAT 3 EtherCAT 仿真软件 用于实时仿真 EtherCAT 所连接的设备。这一“虚拟”硬件的行为与连接 EtherCAT 所连接的“真实”设备完全相同，包括所有 Runtime 属性。目的是在开发早期阶段，甚至在没有任何物理硬件的情况下，测试和优化所生成的控制代码，以便能更快地进行实际调试。

TwinCAT 3 Target for Functional Mockup Interface (FMI)
TwinCAT 3 Target for Functional Mockup Interface (FMI) 支持用于连接仿真软件的标准化接口。很多专营生成机械系统及机械本体动态模型的软件厂商都在使用 FMI。以这种方式生成的模型可以集成到 TwinCAT 中，并像真实的现有系统一样进行控制，以检查其机械特性。通常在设备开发之初对这些动态系统进行仿真，让机械设计师和软件开发人员能够深入了解开发设计的动态特性。

TwinCAT 3 诊断功能
TwinCAT 软件平台内置了丰富多样的诊断系统。所有系统信息既可以直接在 TwinCAT 开发环境 （XAE）中查看，也可以通过 TwinCAT 3 Scope 以周期同步的方式实时记录。后续分析可以随时进行。TwinCAT 3 Realtime Monitor 可以高精度诊断和优化 TwinCAT 3 Runtime 任务和进程的 Runtime 特性。如果您希望更进一步：TwinCAT 3 Analytics 将是特别适合的软件工具，它能够实现并提供跨多台设备和系统的长期分析，以便进行诊断、采集设备和生产数据或采取预测性维护措施。

TwinCAT 运动控制：针对高动态定位任务的驱动系统

TwinCAT 是一个集所有控制功能于一体的通用软件平台。在驱动控制方面，TwinCAT 拥有很多可以控制各种电气轴的不协调和协调运动的软件功能。它必须克服两个往往看起来相对立的挑战：一方面，光伏组件加工中使用的基本驱动技术种类非常多。另一方面，根据这些技术和机械设备类型，往往需要选择不同的协调运动方式。

驱动技术：

TwinCAT 运动控制软件控制的驱动系统和技术在行为和特性上有很大不同：包括用于输送太阳能硅片和/或电池片的步进电机或小型伺服电机，以及用于控制金刚石线锯的高动态伺服驱动器。另外还有各种电机集成的测量系统和带有各种接口的外部测量系统。在大型设备中，所有这些类型共存的情况并不少见。

轴运动：

多根不同轴的运动方式取决于设备类型：单轴、轴耦合、电子齿轮或同步功能等都是光伏行业对设备的标准要求。

TwinCAT 可为此提供相应的软件功能块：

• TwinCAT 3 NC PTP（用于实现运动控制功能的基本软件包）
• TwinCAT 3 CAM Design Tool 和 NC Camming（凸轮盘设计和 Runtime 功能库）
• TwinCAT 3 NC Flying Saw（从任何动态相位与主轴同步）
• TwinCAT 3 NC-I（每通道最多可插补 3 根主轴和 5 根辅助轴）

TwinSAFE：开放且可扩展的安全技术

倍福的 TwinSAFE 通用型安全解决方案可以将安全功能集成到标准的控制平台中：从 PLC 到 I/O 到驱动技术。急停、安全门监控、双手操作、安全地垫分析和静音、安全定位和安全限速等所有安全功能可以在集成式 TwinCAT 开发平台上编程和配置。安全技术通过 TwinSAFE I/O 模块无缝集成到整个 I/O 系统中，安全信号可以根据需要与标准信号混合在一起传输。

典型的安全功能可以根据具体的安全需求在标准安全功能块基础上在例如 TwinSAFE 逻辑端子模块 EL6910 或紧凑型安全控制器 EK1960 上编程和配置。所有倍福安全控制器都可用于达到安全等级 SIL 3 级的应用场合（符合 IEC 61508 标准或性能等级为 ISO 13849-1）。EL6910 和 EK1960 安全控制器支持复杂的安全模拟分析。

借助 TwinSAFE SC （单通道）技术，可以利用标准信号实现任何网络中的安全任务。我们可为此提供相应的 EtherCAT 端子模块，通过 EtherCAT 采集和安全传输这些信号。

大型联网设备对所有参与方都提出了很大的挑战，特别是在安全技术方面。许多联网设备的都设有自己的安全区，分散在大面积生产区域的各个地方，使后续的扩展和翻新改造任务异常艰巨。通过 TwinSAFE，用户可根据具体需要部署完全或部分分布式安全解决方案。用户可以很轻松地为每台设备或每个装置配备自己的安全逻辑。TwinSAFE 逻辑内置于每个安全输入或输出端子模块及很多驱动产品中。这样能够轻松建立可互相通讯的自主安全区。在生产和调试过程中，每台设备都可以由相关部门进行安全验证和确认。

作为基于 PC 的控制技术专家，倍福将其成熟且非常成功的 TwinCAT 产品系列整合到 TwinCAT Vision 集成式图像处理解决方案中。这款新软件的面世也很好地说明了图像处理的重要性越来越高，它已经成为提高制造机械质量的关键因素，特别是在工业 4.0、质量优化及跟踪与追踪等应用中。

基于 PC 的控制为这些应用提供了一个理想的解决方案：TwinCAT Vision 将图像处理功能添加到整合了 PLC、运动控制、机器人、高端测量技术、物联网及 HMI 的通用控制平台中。这样可以显著简化开发工作，因为相机配置和编程任务能够在熟悉的 PLC 环境中实施。另外，与图像处理相关的所有控制功能都可以在运行时系统中精确实时同步，从而消除了延迟，实时执行图像处理算法，与传统机器视觉解决方案相比有了质的飞跃。光伏设备制造商可以借助 TwinCAT Vision 将图像处理任务完全集成到中央控制系统中，为更先进的机器设计铺平道路，从而能够满足未来的市场需求，提高市场竞争力和投资安全性。

TwinCAT Vision 的优势

• 竞争优势：将图像处理功能整合到总的控制系统中可以提高设备和生产线的生产效率。机器视觉功能可以实现卓越的实时应用性能。
• 轻松实现工业 4.0 解决方案：将 PLC、运动控制、测量技术和机器视觉功能与物联网以及分析功能集成在同一个平台上，能够更轻松地实现工业 4.0 应用。
• 提高生产效率：高精度测量和精确的光学检测确保符合工艺参数。
• 品质保证：诸如跟踪与追踪等应用支持全面的产品质量追溯。
• 开放性：TwinCAT Vision 遵循的是倍福开放式控制技术理念。
• 独立于硬件：TwinCAT Vision 支持带 GigE Vision 接口的线阵扫描和面阵扫描相机。
• 软件扩展：允许用户访问原始相机数据，并轻松合并自己的图像处理算法。
• 云连接：TwinCAT Vision 集成在 TwinCAT 控制平台中，它可与 TwinCAT IoT 和 TwinCAT Analytics 直接连接。这样可确保与云服务器轻松通讯，能够访问基于云的服务，并简化工业 4.0 应用。
• 实时应用：将 PLC、运动控制、机器人、高端测量技术和机器视觉集成在同一个平台上可以实现卓越的实时应用性能，显著提高设备效率，同时避免运动控制和机器人控制中不必要的延迟。

适合安装在 DIN 导轨上的模块化工业 PC

随着 CX 系列嵌入式控制器的推出，倍福将 PC 技术和模块化 I/O 相结合，构成一种可以安装于控制柜中的 DIN 导轨单元。用户可以选择增加或减少模块和接口，仅安装应用中所需要的组件即可，因此，嵌入式控制器的应用范围非常广泛，例如可用于从太阳能硅片到太阳能光伏组件的生产。

CX 系列紧凑型嵌入式控制器坚固耐用、性能强大可靠，非常适合用于环境比较恶劣的工况条件。倍福可以提供不同性能等级的嵌入式控制器，用户可以根据自己的应用需求确选择最合适的产品。CX5100 和 CX5200 系列高性能嵌入式控制器搭载多核处理器。例如，这种性能等级的设备适用于控制 PECVD 设备。CX20x0 和 CX20x2 系列高端控制器适用于如集成图像处理功能、实现机器学习或处理大量数据等要求较高的应用。

与倍福整个工业 PC 产品系列一样，嵌入式控制器的另一个优点是备件可长期供货，全面保障客户投资安全。

节省空间，灵活扩展，坚固耐用：全新一代超紧凑型工业 PC

倍福的 C60xx 系列工业 PC（例如 C6015 和 C6032）可以满足金属加工行业对坚固性、性能可扩展性和低空间要求等所有需求。这款设备与其它产品一样，也是倍福自主研发生产的，包括主板、电源模块和整个外壳“坚固耐用”的设计。因此设备可在环境温度最高达 55°C 的条件下工作。有空调控制柜的地方通常不会出现这样高的温度，但在这些空调区之外、靠近会产生大量热量的装置以及在在一些气候比较极端的国家，这样的高温会是一个极大的挑战。但在工业环境中，耐久性并不是唯一信条。

工业 PC 借助诊断功能可为设备制造商和运营商提供有关设备运行状态的全面信息：用户可以通过简单的网络浏览器访问这些信息，然后直接在 PLC 中进行分析，并可根据需要在设备可视化系统中显示这些信息。这些数据还包括所使用的存储介质（SSD）的状态，例如，如果使用了两个存储介质，它可以在 RAID 模式下运行。如果在长时间运行后需要更换存储介质：尽管设备结构紧凑，但可确保维护方便、快捷。

EtherCAT I/O 模块将温度控制、电能测量和安全技术集成到控制平台中

倍福于 1995 年推出总线端子模块，随后总线端子模块成为自动化技术中最为重要的技术标准之一。2003 年，倍福又开发出了 EtherCAT 高速通讯系统。倍福推出的这款开放式系统仅仅几年时间就成为全球自动化标准。倍福可为用户提供广泛的 EtherCAT I/O 端子模块产品系列，在性能和变化方面都非常适合用于塑料机械及其外围设备的各项功能的自动化。

EL3318 用于温度测量

• EtherCAT 端子模块 EL3318 非常适合用于通过热电偶进行温度测量。此款 8 通道输入端子模块集成了冷端补偿，结构非常紧凑，能够以高精度和高信噪比测量温度。

EL3403 用于电力测量

• EL3403 三相电力测量端子模块可以监测光伏烧结炉的能耗。与TwinCAT 3结合使用，EL3403 可经济高效地对烧结炉中的燃烧区进行监测。

EL6910 和 EL3124-0090 用于安全监测

• EL6910 TwinSAFE 逻辑端子模块将安全技术无缝集成到控制器中。倍福的安全解决方案具有可扩展性，适用于具有分布式 I/O 的大型复杂系统，以及小型太阳能硅片和太阳能电池片装卸设备。一个 TwinSAFE 端子模块就足以实现整个安全技术，
• EL3124-0090 EtherCAT 模拟量输入端子模块用于处理 4…20 mA 范围内的信号。借助 TTwinSAFE SC（单通道）技术，可以利用标准信号实现安全任务。此项技术非常适用于监测用于完成植绒和 PECVD 工艺的设备，例如生产太阳能电池片时用到的设备。

高动态、模块化、可扩展：倍福驱动技术

光伏行业要求高精度：太阳能硅片和电池片生产的每一个步骤、太阳能光伏组件的层压和各种装卸过程都必须高精度完成，才能生产出高质品质的太阳能光伏组件。任何偏差都会对质量产生影响，有可能还需要复杂的返工或出现废品，从而对产量产生负面影响。

倍福可扩展的驱动系统可以与 TwinCAT 运动控制软件和 EtherCAT 高速通讯系统相结合，很好地满足光伏行业的高要求。AX8000 和 AX5000 系列伺服驱动器中集成的高速控制技术支持实现高速、高动态定位任务。EtherCAT 伺服端子模块 EL7xxx 价格低廉、结构紧凑，非常适合用于实现小型控制任务。

各种直线和旋转伺服电机都可以很好地与伺服驱动器匹配。AM8000 系列伺服电机采用单电缆技术（OCT），即动力和反馈系统整合在一根标准电缆中。对于简单定位驱动器的应用，倍福可以提供全系列的驱动产品，如步进电机或直流电机。

TwinCAT 3：通用的开发和控制平台

TwinCAT 3 将所有开发和控制功能集成在一个通用软件平台上。这适用于编程、配置、实时环境和所有 Runtime 模块。通过使用常用的 IEC PLC 语言进行编程以及集成 C/C++ 算法，光伏设备制造商可以根据编程人员的任务和服务策略，自由选择最合适的编程方法。通过集成 MATLAB^®/Simulink^®，可基于开发模型开发控制方案，从而助力实现虚拟机的开发设计。TwinCAT 与机器学习算法连接的接口允许在传统控制环境中使用 AI 方法。Microsoft Visual Studio^® 被用作统一的程序员工作台，支持不同版本的控制系统，简化了团队协作流程。对于批量生产，TwinCAT 3 可以提供将商用 IT 系统集成到设备程序生成过程中的 Automation Interface 开放式接口。

• TwinCAT 软件的算法都是经过测试和优化的，因此使用大量针对运动控制应用的 TwinCAT 软件库可以显著节省开发时间。TwinCAT 3 PTP 和 TwinCAT NC I 功能非常适合用于实现直角坐标机器人的机械手应用。对于其它机器人运动学，如 SCARA、Delta 和关节型机器人，TwinCAT 运动学变换功能库可提供应用就绪解决方案。
• 完全集成到 TwinCAT 系统架构中的 TwinCAT Scope 软件示波器可以加速和改进调试和维修过程，从而有助于提高设备质量。
• PLC 软件模块 TwinCAT 3 温度控制器可以监测和控制所有加工过程中的温度。它简化了 PID 温度控制方法的实施，可以满足客户各种复杂的工艺需求。
• 基于 TwinSAFE 软件的安全技术简化了复杂系统的布线工作；变量可以在软件中映射。例如，这样可以用模块化方式开发和调试生产单元。文档编制工作也得到简化，并且可以快速根据客户的其它需求进行调整。
• 基于浏览器的集成式 TwinCAT HMI 可视化解决方案可以方便地开发和维护可视化对象。这些信息可以在设备和系统上显示，也可以使用 Web 浏览器通过 Internet 显示。TwinCAT 与 HMI 之间的高效通讯通过（自动化设备规范）协议实现。
• TwinCAT 3 IoT 支持用于云应用程序的标准化通讯协议，从而为在云端或生产设备本地聚合数据提供了先决条件。采集到的过程和质量数据能够分配给每个硅片，例如可以精确跟踪每个生产步骤，并通过 TwinCAT 3 Analytics 进行分析。此外，通过云端连接还可以简化远程维护和设备诊断。