基于 PC 的控制技术助力提高塑料机械的生产效率

基于 PC 的控制技术原理

通过基于 PC 的控制技术，倍福可为自动化的各个领域提供不同性能等级的综合性系统解决方案。其基本原理是以性能强大的工业 PC 为基础，通过高性能现场总线与所连接的传感器和执行器、驱动组件等外围设备连接，并通过软件实现开发和实时控制。TwinCAT 自动化软件作为设备的“大脑”，将 PLC、运动控制、机器人技术、测量技术、图像处理、通讯、物联网功能和人机界面操作软件等所有所需的功能整合到一个软件包中。可以使用各种驱动产品系列对控制平台进行完善和补充。倍福的控制技术基于 IT 标准，并具有根据工业 4.0 概念实现智能生产解决方案所需的开放性。

由于倍福的所有 PC 系列都搭载了高性能的现代处理器，并在 TwinCAT 软件中集成了MATLAB^®/Simulink^®，因此可以将诸如图像处理系统、测量技术或仿真等计算密集型应用轻松集成到控制平台中。这样可以高效利用控制器的性能，并能够以较低的总成本实现前沿技术。倍福的控制和驱动技术在性能方面具有精确的可扩展性，并采用模块化结构设计，可以很好地满足各种应用需求。

PC 处理器性能的不断提升也为塑料机械制造商带来很多优势：采样时间的缩短已经在提高目前终端产品的质量，而未来实现自主学习设备也需要先做到这一点。例如，可以在虚拟设计过程中完全模拟注塑机，可以节省大量开发和调试时间。

EtherCAT 能够将塑料机械无缝集成到生产环境中

EtherCAT 由倍福公司于 2003 年推出，并作为自动化技术的开放式标准。EtherCAT 具有性能出色、拓扑选择灵活、诊断功能全面及配置简单等特点，非常适合用于塑料机械应用。倍福拥有大量基于 EtherCAT 的 I/O 和驱动模块。

EtherCAT 是塑料机械技术中应用最广泛的标准之一。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。对于电动注塑机来说，支持连接第三方供应商提供的驱动装置也具有很大意义。其它现场总线系统，如 CANopen、IO-Link 和 Profinet，也可以通过 EtherCAT 作为通讯层集成在塑料机械中。

高速、高精度的倍福 XFC 极速控制技术解决方案基于 EtherCAT 高速通讯网络和针对 XFC 进行过优化的特殊 I/O 模块，可高精度记录信号或触发动作。XFC 的 I/O 响应时间低于 100 μs，能够实现非常快速和确定性的响应，从而有助于优化工艺。以高时间分辨率采集快速切换的输入信号能够实现注塑机射胶过程的高精度控制，特别是采用伺服电驱动组件后。高速算法能够根据切换事件时间精确地计算控制值的幅度和趋势。从而减少零件重量波动和材料消耗。

大幅提升生产效率：XFC 能够有效减少原料消耗，提高工件质量

由倍福开发的高速、高精度的 XFC 极速控制技术能够有效减少原料消耗，提高工件质量。它由一台性能强大的工业 PC、超高速 EtherCAT I/O 端子模块、EtherCAT 通讯系统以及 TwinCAT 自动化软件组成，能够实现 I/O 响应时间小于 100 μs。记录具有高时间分辨率的高度可变输入信号能够精确控制注射成型过程。高速算法能够根据切换事件时间精确地计算控制值的幅度和趋势。工作窗口变得更窄，同时减少工件重量波动，降低原材料消耗。高精度伺服驱动技术结合 XFC 可以显著提高注射工艺的重复生产能力。XFC 还能够将测量技术集成到机器控制系统中，无需专用硬件。这样可以实现例如用于状态监测的经济型解决方案，它可以延长设备的使用寿命，并通过预测性维护大幅减少停机时间。

以高时间分辨率采集快速切换的输入信号能够实现注塑机射胶过程的高精度控制，特别是采用伺服电驱动组件后。高速算法能够根据切换事件时间精确地计算控制值的幅度和趋势。从而减少零件重量波动和材料消耗。

基于 XFC 的超采样技术可以精确确定信号曲线。结合 EtherCAT 的时间戳功能，它及时将每个事件与精确的时间点连接，与传统解决方案相比，它可以显著提高过程的可重复性。

TwinSAFE：开放且可扩展的安全技术

倍福的 TwinSAFE 将安全功能集成到与安全无关的控制架构中，实现一致的安全解决方案，无需使用单独的安全控制器。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 TwinSAFE 逻辑端子模块 EL6910 或紧凑型安全控制器 EK1960 上编程和配置。 倍福安全解决方案可加快开发进程，因为不同设备配置的安全相关要求都可通过软件实现。预备好的选项通过定制化激活，从而进一步减少工程工作量。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），因此可以满足注塑机 EN 201 标准。

安全技术通过 TwinSAFE I/O 模块无缝集成到端子模块网段中，安全信号可以根据需要与标准信号混合。这样可以确保位于不同安装位置的吹塑机或带有控制柜的生产单元的安全。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，以及小型注塑机和吹塑机。一个安全逻辑端子模块就足以实现整个安全技术，紧凑型安全控制器 EK1960 特别适合用于液压驱动和/或电动驱动的注塑机。它可以直接控制负载为 2 A 的数字开关阀，如用于抽芯装置的开关阀。借助 TwinSAFE SC 技术，能够以冗余方式使用安全级别较低的信号完成安全任务。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。

集成在控制器中的图像处理功能可以确保塑料加工过程中的工件质量

在塑料加工领域使用光学质量监测早已为人所熟知。但是，考虑到集成成本，再加上还没有完整解决方案，因此它还没有被确立为一个标准。基于 PC 的控制技术在此提供了理想的解决方案：倍福通过 TwinCAT Vision 软件将所有图像处理功能集成到设备程序员熟悉的开发环境中，显著简化编程和测试工作。所有图像处理得出的控制功能，如精确确定工件位置或触发相机和光源，都是实时同步进行的。这是集成式图像处理解决方案与独立系统相比最重要的优点之一。

倍福的机器视觉解决方案非常适用于塑料加工行业的工艺监测，例如对于顶出装置，它可以确定零件的几何形状并定位。

TwinCAT Vision 可为用户带来巨大优势

• 提高工件质量：高精度测量和精确的光学检测确保符合工艺参数。
• 提高效率：无需单独的测量工位，同步在线测量工件，提高效率。
• 品质保证：诸如跟踪与追溯等应用可以实现每个单独工件的产品质量的可追溯性，例如医疗技术领域的安全关键型应用或特殊汽车零部件。
• 温度测量：借助热成像摄像机可以测定塑料制件的表面温度。
• 机器学习：机器设置和工件几何形状之间的推理是开发学习算法的前提，是走向智能、自主学习设备的里程碑。

行业及客户专属控制面板和面板型 PC 成为设备的独特卖点

符合人体工程学的操作和极具识别度的外观对设备在市场上取得成功起着重要作用。除了设计和颜色，控制面板作为设备前端也起着非常重要的作用。因此，越来越多的机械工程客户希望有一个行业或客户专属的用户界面作为独特卖点。倍福可以为客户提供各种外观设计的标准控制面板和面板型 PC 解决方案。在颜色和尺寸上与设备外观相匹配的面板设计凸显了其创新特点。在实现客户需求方面几乎没有任何限制：嵌入客户专属公司标志，配色方案与设备设计相匹配，以及在个性化设备设计的基础上定制完全个性化的面板。

倍福提供适合各种工艺的控制面板和面板型 PC，以满足工业领域对人体工程学操作的需求。标准面板可以根据具体应用需求定制设计，通过整合手动操作按钮和开关的方式提高设备操作舒适度。倍福凭借其在塑料加工领域对各个工艺步骤积累的深厚知识，在不花费大量开发工作和支出的情况下，基于准面板打造行业专用面板。

XMold 面板型 PC 是倍福针对注塑应用领域各种标准和特殊要求开发出的一款交钥匙系统解决方案。它由一台 CP6212-1001 面板型 PC、一台 12 英寸竖屏格式显示屏、倍福 I/O 模块以及针对注塑机的工艺软件及驱动组件构成。XMold 面板具有一个针对注塑工艺进行优化的按键排列，其设计适合用于多样化的应用。工艺软件包括大量诸如抽芯功能等标准功能，从而减少了客户的编程工作量。

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，例如可用于塑料机械和生产单元。

CX 系列嵌入式控制器坚固耐用、性能强大可靠，适用于振动或高温等恶劣的工况条件。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。性能等级较低的设备适用于控制温控装置、计量应用和输送带。CX5100 和 CX5200 系列高性能控制器可用于控制注塑机和吹塑机。CX20x0 和 CX20x2 系列高端控制器可以实现复杂的用户界面、集成图像处理功能、实现机器学习或处理大量数据。

比嵌入式控制器的体积更小的是超紧凑型工业 PC 系列，因此，对于需要大幅减少安装空间的应用场合，可以选择倍福的超紧凑型工业 PC 系列。C6015 适用于小型控制任务，而 C6030 适用于各种标准控制任务。另一个优点是安装灵活：CX 系列只能水平安装，而 C60xx 系列设备可以安装在任何位置。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。

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 和 EL3446 用于电力测量
  EL3403 三相电力测量端子模块可用于测量和优化塑料机械的功耗。结合 TwinCAT Plastic Processing Framework，EL3403 可以通过在运行过程中连续交替测试，经济高效地对加热带进行状态监测。在传统控制结构中，电力测量端子模块也可用于测量电流。EL3446可用于简单监控加热带功能。结合电压测量，只需一个电力测量端子模块，就可以通过测量电流的方式经济地记录各个设备部件的功耗数据。倍福的 SCT 电流互感器（SCT2xxx，SCT1xxxx）可以实现传感器和电力测量端子模块的适当结合，无需具备专业知识。
• EL3255 用于位置检测
  EtherCAT 端子模块 EL3255 可以用来检测电子尺位置。由于集成了电源，即使在具有高频干扰场的环境中，端子模块也能提供精确的结果（电压值）。EL3255 特别适合用于液压驱动的注塑机和吹塑机。
• EL6224 IO-Link 端子模块
  IO-Link 是一种低成本的现场总线，用于读取实时性要求低的传感器。例如在挤出领域，EL6224 可以首选用于读取熔体压力和熔体温度。
• 热电偶现场总线模块 FM33xx
  带 EtherCAT 现场总线接口的现场总线模块可以安全、准确地读取注塑模具上的热电偶，例如在注塑模具制造过程中。该现场总线端子盒配有一个反向电压保护电路，以防止有外部电压施加到热电偶输入端上。由于无需使用补偿电缆，布线成本也显著降低。
• TwinSAFE 端子模块用于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，以及小型注塑机和吹塑机。一个安全逻辑端子模块就足以实现整个安全技术，紧凑型安全控制器 EK1960 特别适合用于液压驱动和/或电动驱动的注塑机。它可以直接控制负载为 2 A 的数字开关阀，如用于抽芯装置的开关阀。

高效电能管理

塑料加工过程中的能耗因工艺不同而有所差异同，但大体上都会非常高，也是导致成本增加的一大因素。因此，能效是可持续生产的重要组成部分。倍福可为能耗的连续监测以及新开发项目的详细能耗分析提供合适的技术。

倍福可为此提供各种高性价比的软硬件产品：

• TF3650 TwinCAT 3 电力监测软件库是一个 PLC 库，用于分析 EtherCAT 端子模块提供的原始电流和电压数据，同时为计算电流、电压和功率 RMS 值提供合适的功能块。

下列 EtherCAT 端子模块特别适合用于塑料加工行业：

• EtherCAT 端子模块 EL3443 和 EL3453 可以直接测量 EtherCAT I/O 系统中主电源的所有相关电气数据，轻松实现设备能效的综合监测。
• EL3773 和 EL3783 电力监测端子模块设计用于监测三相交流或直流电网状态。

EtherCAT 插拔式模块：针对批量机器生产的 I/O 解决方案

EtherCAT I/O 插拔式模块在电气上基于成熟的 EtherCAT 端子模块，它们同样具有广泛的信号种类，并包括功能安全模块（TwinSAFE）。其机电设计使得它们能够直接插接到一个应用特定的信号分配板上。这一线路板通过预制电缆和应用特定的插塞式连接器将信号和电源分配给机器模块。该信号分配板的主要优点是其生产过程高度自动化：从电路板及其组件的生产制造直到最终检验。所有接口板都可根据客户要求放置在电路板上。与应用相匹配的连接器层通过使用预制电缆和可定制化的插头连接器大大简化了接线步骤。可以显著加快加工过程，同时降低不正确接线的风险，节省工作时间，从而节约成本。通过自动化和编码的方案可以避免错误发生，因此能够以非常低的风险在全球不同地点进行生产。插拔式模块核心的 I/O 层采用的始终是相同的结构，因此特别适用于注塑机；通过 IP20 端子模块可以轻松、有选择性地进行扩展。安全技术和附加继电器的集成可以大幅减少安装空间需求，这对于中小型设备来说有着特别的意义。

通用型 EtherCAT 产品延伸至 IP67 领域

随着等级高达 IP67 的 EtherCAT 端子盒的推出，EtherCAT 技术现在也可以在没有控制柜的前提下使用。IP67 端子盒系列集成了一个连接 EtherCAT 的直接接口，因此，系统的高性能能够直达每个 I/O 模块。在 IP67 领域，采用倍福的 XFC 极速控制技术、高精度测量技术和在现场直接集成的驱动功能能够实现高速过程数据通讯。EtherCAT 端子盒结构坚固，能够直接安装在设备上使用。因此不再需要控制柜和专用的接线盒。除了坚固的 M12 螺纹连接器外，适用于机械手应用的 D-Sub 连接器也可用于成本敏感型应用。

• EtherCAT 端子盒 EP3744 可以用于监测机械手应用中使用的抓手组件的气动压力；同时，可以读取 6 个数字量输入。
• 在 EtherCAT 端子盒 EP1816 中，16 个数字量输入的采集与三轴加速力的测量相结合。
• EP3752 可以在没有额外输入的情况下测量加速力。加速度计测得的值可用于质量力的采集，例如，设备本体的质量力，或用于机械手上带加加速度补偿的创新控制方案。
• EtherCAT 端子盒 EP3314 适用于直接采集热量产生点的过程温度。它不仅能够提高测量精度，还可以省去热电偶用的补偿电缆。
• FM3312 或 FM3332 现场总线模块采用坚固的金属外壳，特别适用于测量注塑模具或挤出生产线上的喷嘴温度。一个工业连接器中最多可以包含 32 个温度通道。另外，对相电压的反向极性保护可以额外确保运行可靠性。
• EP3356 可以高精度分析称重传感器，在挤出机应用中需要将此用于计量塑化重量。

电动伺服驱动技术取代液压系统

用于塑料机械的 TwinCAT 工艺模块支持液压驱动技术和伺服电动驱动器，因此提供了多种驱动技术组件选择。AX5000 系列 EtherCAT 伺服驱动器中集成的高速控制技术能够实现高速、高动态运动过程。灵活的驱动设计（1 和 2 个通道单元）以及可变的电机输出分配方式能够为您提供成本优化的解决方案，这一优势在机械手系统中尤为突出。倍福全面的伺服电机系列已经针对 AX5000 伺服驱动器进行过优化。单电缆技术将动力和传感器线缆整合在一根标准的电机电缆中，可以减少电缆用量，节省安装空间，降低调试成本。通过集成 TwinSAFE 技术，倍福的伺服驱动器能够满足严格的塑料机械安全要求，同时简化生产单元的配置工作。基于 PC 的控制技术与 EtherCAT 伺服驱动器结合，非常适合用全电动解决方案取代液压轴，这有助于降低机器能耗。当论及节能机器时，每个轴都配备有电机和丝杆的全电动机器与液压泵由伺服电机驱动的伺服液压系统之间就有明显区别。对于这两个驱动方案，现有的解决方案包括了 AX5000 和 TwinCAT 工艺软件模块。这样可以有效地触发关键的模具保护程序，一旦在模具中检测到塑料部件，它就会快速停止机器运动。对于新机器的设计，倍福可以为电机和减速机配置提供支持。

TwinCAT：集成式开发和控制平台

TwinCAT 将所有开发环境和 Runtime 过程都集成在一个中央软件平台上。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，设备制造商可以根据编程人员的资质、服务策略以及保护专业知识的需要，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器方案，从而助力虚拟机开发。Microsoft Visual Studio^® 被用作集成的程序员工作台，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 可以提供将商用 IT 系统集成到设备程序生成过程中的开放式接口

• 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 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。
• 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 IoT 为在云端或生产设备本地聚合数据提供了先决条件。TwinCAT 还包括用于云应用程序的标准化通讯协议。
• 采集到的数据可以使用 TwinCAT Analytics 具体进行分析。
• TwinCAT 与机器学习连接的接口允许在传统控制环境中使用 AI 方法。

针对塑料机械行业的模块化软件解决方案

TwinCAT 3 Plastic Framework是我们专为塑料机械的控制提供的一款模块化的软件解决方案，它不仅能够显著减少开发工作，并且保持了倍福控制架构的良好开放性。TwinCAT 3 Plastic Framework 汇集了我们在塑料机械控制领域积累多年的专业知识，将重要的行业专用功能无缝集成到成熟的 TwinCAT 环境中，因此可以在同一个平台上编程、显示和控制塑料机械。

TwinCAT 3 Plastic Framework 包含三个软件库：TF8540 用于实现塑料加工中基于软件的全面温度控制。TF8560 软件包提供所有塑料机械运动控制功能组件。TF8550 是专门为塑料行业开发的 HMI 软件包，能够以极少的工程工作量实现典型工艺过程的可视化，并可无缝集成到其它工艺软件包中。

针对各种塑机应用的集成式专用应用模板和示例代码便于实现项目规划和编程，并通过 TwinCAT 3 Plastic Application 免费提供。当然，用户也可以使用现有的模板，并且可以集成自己的工艺专业知识。

TwinCAT 液压定位软件库提供阀门和泵控制的轴或伺服泵所需的所有软件功能

TwinCAT 液压定位软件库（TF5810）提供阀门和泵控制的轴或伺服泵所需的所有软件功能。通常，解决方案是独立于供应商的，因此机器制造商可以自由选择他们首选的液压设备供应商。将运动控制技术集成到 PLC 中后就无需使用额外的硬件控制器，并省去了额外的通讯工作。同时，基于软件的架构为峰值运动控制性能提供了很大的灵活性。液压软件库使用标准化的 PLCopen 接口，从而减少了开发工作量。任何液压轴的优化操作都可以通过适当的设定值发生器、自动特性曲线识别、分段运动和在力、压力和位置控制之间的自由编程切换实现。液压定位软件库方案能够实现具有匹配的 CPU 性能的任意数量轴的高级运动控制。当使用 TwinCAT NC I 或 TwinCAT CNC 时，液压轴可以在插补模式下运行。液压驱动系统需要不同的传感器和液压组件接口。因此，TwinCAT 液压定位软件库支持与倍福 I/O 系统配套的所有通用接口。

TwinCAT Motion Control：适用于液压和电动驱动技术

注塑机和吹塑机采用的是液压驱动、伺服电动或混合驱动技术。有了 TwinCAT 运动控制模块，设备制造商可以使用倍福多年来在所有运动控制领域积累的专业知识，并可以在同一个开发环境中开发各种驱动类型。

TwinCAT NC 软件可以帮助实现塑料机械的电动驱动概念。如果结合 TwinCAT Application Plastic Components，NC 非常适合用于实现位置和压力控制的替代控制解决方案。带加加速度限制的设定值发生器可以减少机械磨损，延长设备的使用寿命，提高设备精度。

液压驱动方案在塑料机械中仍占据重要地位。TwinCAT 液压定位软件库为控制液压驱动轴提供了所有所需的功能。支持各种不同的液压驱动方案，如阀门或泵控制轴或伺服泵。任何液压轴的优化操作都可以通过适当的设定值发生器、自动特性曲线识别、分段运动和在力、压力和位置控制之间的自由编程切换实现。

混合动力设备中使用的电动和液压驱动技术的组合在相同的 TwinCAT Motion Control 环境中开发。作为倍福 TwinCAT 软件平台的行业专属扩展功能，Plastic Application Components 支持注塑机和机器人之间广泛使用的 Euromap 接口，比如 Euromap 67 或未来的 Euromap 79（OPC 40079）。

OPC UA：可满足塑料行业未来所有标准的平台 — 倍福是 OPC UA 技术的主要推动者

从专有解决方案还在被广泛使用的时代起，倍福就一直是开放式标准的忠实拥护者，互操作性同样也是 OPC 标准化的一个重要的组成部分。倍福客户可以从倍福及第三方产品之间广泛的互操作性中受益。

倍福是少数几家在最新版本和最新功能上均通过真正互操作性和稳定性测试的公司之一，目前，不同机械工程领域的配套规范正在制定中。而塑料加工行业的配套规范制定工作由 Euromap 组织主导。倍福一直积极参与塑料加工行业配套规范的制定，因此能够迅速将新的规范整合到其产品中。用户可以在 TwinCAT 软件中选择满足相应 Euromap 配套规范的 OPC UA 接口（TF6100）。Euromap 82（OPC 40082）已经实现了机器对机器通信；Euromap 77 (OPC 40077)可用于连接主控计算机或云端。除了基于 OPC UA 的 Euromap 接口外，倍福还强烈建议将具有高确定性的 EtherCAT 现场总线用于对时间要求非常严格的过程，如高性能注塑机中的机器人同步。