基于 PC 的控制技术优化塑料制品的二次加工和深加工

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。

德国考特斯机械制造有限公司全电动吹塑机的客户专属操作单元强调了机械设计，并在操作时增加了人体工程学设计。

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。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性能和成本优化的软硬件产品：

• 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。这种防护等级高达 IP67 的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。

针对高动态定位任务的驱动系统

倍福驱动技术可以与 TwinCAT 自动化软件中运动控制解决方案结合，构成一个适用于所有塑料加工应用的完整的驱动系统。EtherCAT 用作高速通讯系统，适用于实现高动态性单轴和多轴定位任务。倍福的驱动技术具有可扩展性，因此设备制造商能够根据具体的性能需求设计驱动解决方案。

具有高性能 EtherCAT 系统通讯功能的 AX5000 和 AX8000 系列伺服驱动器具有出色的性能与动态性。AX 系列集成了高速控制技术，支持执行薄膜制备领域等所要求的高精度定位任务：展平辊用于在收卷前使挤出的薄膜展平，调整范围必须控制在亚毫米范围内。AX5000 为超高速加工过程提供理想解决方案。AX5000 灵活的驱动设计（1 和 2 个通道单元）以及可变的电机功率能够为您提供成本优化的解决方案， AX8000 系列驱动器是专为紧凑型、模块化驱动装置和笛卡尔坐标机械手而设计的。

对于小型控制任务，可以使用 EtherCAT 伺服端子模块产品，它们在标准端子模块外壳中整合了一整套伺服驱动单元，价格低廉、结构紧凑，适合用于重量较小的工件或功耗较低的附加装置。

倍福所有伺服驱动和电机产品几乎都是自己自主研发和生产的。驱动器产品在威尔总部生产，而电机产品则由倍福集团旗下的一家子公司开发和生产。因此，所有驱动技术组件都遵循一致的开发理念。各种直线和旋转伺服电机都专为倍福伺服驱动器量身定制。这种开发上的成功合作结出了累累硕果，比如 AM8000 电机系列采用的单电缆技术，它将动力和反馈系统整合在一根标准电缆中，从而节省设备安装空间，降低调试成本另一项成果就是技术上具有创新意义的 AMP8000 分布式伺服驱动系统。它将伺服驱动器直接集成到伺服电机中，结构非常紧凑。

倍福驱动组件可以无缝集成到 TwinCAT 开发工具中。 TwinCAT NC-PTP、NC I 和 TwinCAT Rotobotics 等运动控制软件包可与伺服驱动器和电机匹配。通过集成安全技术，倍福的伺服驱动器既能够满足严格的塑料机械安全要求，同时也能简化生产单元的配置工作。倍福的 TwinCAT 平台中集成了用于设计电机和齿轮减速机的软件工具，可以对设备进行再次开发。对于复杂应用与新系统设计，倍福也可以为电机和齿轮减速机设计提供支持。倍福工程师多年来在各种驱动应用中积累了丰富的专业知识，将协助客户提升竞争力。

TwinCAT：集成式开发和控制平台

TwinCAT 将所有开发环境和 Rumtime 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 Rumtime 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^® and 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 与机器学习算法连接的接口允许在传统控制环境中使用 AI 方法。

TwinCAT Motion Control：非常适合用于实现塑料加工行业的所有驱动任务

多年来，Motion Control 功能组件一直是倍福软件开发工具的重要组成部分。而 TwinCAT PTP 和 TwinCAT NC I 可以很好地满足塑料机械及其外围设备对电动驱动技术的要求。可为不同的任务（如凸轮盘、多轴同步和插补运动）提供种类繁多的软件模块。NC PTP 完全适用于广泛使用的笛卡儿机械手系统；可以轻松集成到加工设备的控制器中。TwinCAT Plastic Application Components 可用于独立的机械手应用。作为 TwinCAT 软件平台的行业专属扩展功能，它们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）。基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术可以优化高速加工过程，如借助侧面搬运机械手进行模内贴标。EtherCAT 现场总线可以实现几乎无延迟的同步，因此周期时间非常短。

TwinCAT Motion Control 遵循开放式自动化技术理念，是一种用于设计生产单元的软件工具，允许集成倍福驱动组件和第三方组件。TwinCAT NC PTP 是适用于各种驱动方案的开发工具：从简单的开关轴和步进电机或变频器，到伺服驱动器。支持带有现场总线接口或通过 I/O 直接连接的各种编码器。这样就可以根据市场需求，以优化的成本和模块化的方式灵活设计生产单元。

特别是，主/从轴在几乎任何结构中的耦合特性，以及高性能和多样化的 TwinCAT 运动控制功能可以出色满足广泛的应用需求： 例如，使用飞锯软件库可以高效同步挤出生产线上的修边单元。TwinCAT CAM Design Tool 和 TwinCAT ScopeView 等功能强大的软件工具支持系统设计和调试。大量符合 PLCopen 运动控制标准的 PLC 功能库使得编程更加方便，而且工艺模块的可重用性可以减少开发工作。