使用 TwinCAT 3 實現高級測量數據處理

倍福集成式狀態監測系統助力實現過程優化

  TAR Automation 公司專注于高品質自動化技術的研發，通過集成創新的控制解決方案為制造企業提供支持。除了設計和實施新的系統以及對生產機器進行自動化改造之外，TAR 公司還開發運動控制和狀態監測領域的系統解決方案。該公司總部位于德國丁斯拉肯，最近正在以倍福的集成式自動化解決方案為依托開發一套高效的生產設備狀態監測系統（CMS）。

  TAR 9964 狀態監測系統基于裝有 TwinCAT 3 軟件的 CX5140 嵌入式控制器、TwinCAT 狀態監測軟件庫和 EtherCAT 端子模塊構成的控制平臺

  “在我們公司成立初期，我們幾乎使用的都是傳統的 PLC 和 SCADA 產品。現在，我們越來越多地采用倍福基于 PC 的自動化解決方案。”TAR Automation 公司總經理 Alfred Rachner 解釋道。“多功能的 TwinCAT 3 自動化平臺為我們的工程師創建軟件組件提供了一個高效的開發環境。它采用的是模塊化結構，但盡管如此還是集成式的。可精確滿足各種性能需求的嵌入式控制器系列為實現手頭上的任何任務提供了理想的硬件平臺。”

高度精確和可定制化：無縫集成狀態監測系統

  “基于 PC 的控制解決方案讓我們能夠將許多新功能集成到自動化技術中，而這在過去只能使用專用的‘黑盒子設備’實現。生產設備的狀態監測系統就是一個很好的例子。”Alfred Rachner 說道。傳統的 CMS 通常作為獨立的子系統安裝在整個系統內，它由專為數據采樣和分析用的專用硬件構成，有一定數量的通道和定義的功能。這使得這類獨立解決方案非常不靈活：用戶無法響應不斷變化的需求，狀態監測功能變得難以整合，而且非常昂貴。

  提升靈活性并降低成本的需求都推動了 TAR 工程團隊在裝有 TwinCAT 3 軟件的 CX5140 嵌入式控制器、TwinCAT 狀態監測軟件庫和 EtherCAT 端子模塊構成的控制平臺基礎上開發 TAR 9964 狀態監測系統。狀態監測端子模塊 EL3632 用于連接 IEPE 加速度傳感器。集成式配置具有很多優點：

– 系統可自由編程，從而可以隨時添加新的功能

– 除了溫度測量或數字量 I/O 之外，可以使用各種 EtherCAT 端子模塊 I/O 隨時對振動和模擬量通道進行翻新改造

– EtherCAT，作為一個具有高精度時鐘的高帶寬實時網絡，用于同步，以及超采樣技術使得 100 kHz 的采樣率可以用于模擬量信號，50 kHz 的采樣率用于加速度值

– 狀態監測端子模塊 EL3632 用于連接 IEPE 傳感器（加速度，擴音器，等等），配備超采樣技術、可參數化并基于硬件的抗頻混濾波器、數字量濾波器和偏移量補償

– 基本分析算法可以集成為一個 PLC 軟件庫，能夠隨時修改或擴展功能

– 集成到客戶的系統中非常簡單 — 所有常用接口，包括 PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP、CANopen 和 Ethernet，提供的一個功能

不只是狀態監測：制粒機的過程優化

  作為一個真實的例子，TAR 9964 狀態監測系統可以實現用于諸如 PCB、制冷裝置、洗衣機、各種塑料或輪胎中使用的部件等可回收材料的破碎機的監控和工藝優化。制粒機有一個用于切刀軸的 400 kW 的驅動器和一個用于推動裝置和定子調整的 12 kW 的液壓裝置。切刀軸配備有加速度傳感器，傳感器數據通過 EL3632 記錄。首先，TwinCAT 狀態監測軟件庫中的軟件功能塊采集和捆綁超高速任務中的數據。在一個或多個后續任務中，各種分析功能塊用于額外操作，如傅立葉分析、限值監測、求平均值和分類。狀態監測軟件庫也確保采集和分析任務的正確時間關聯性。

集成式狀態監測系統可以給破碎系統運營商帶來實實在在的好處：

– 軸承監測：過去，軸承通過溫度測量監控，因此當檢測到有軸承即將損壞時就已經太晚了

– 振動、限值和趨勢分析：在代價高昂的損壞實際發生前檢測潛在的軸承損壞

– 過量潤滑檢測：最小化潤滑浪費

– 優化系統運行：如果工作區未正確關閉，材料就會在切刀軸上“跳舞”且不能正確破碎。由此產生的振動現在可以被測量，并通過施加壓力的方式校正進給

– 全自動 V 形皮帶張力檢測：全自動檢測和調整松弛的 V 形皮帶

– 檢測已經鈍掉的切刀：過去，工廠“通過耳朵”檢查，要求工作人員實際去聽設備的變化，并在需要時手動將切刀磨鋒利。狀態監測系統為檢測已經鈍掉的切刀提供可靠的測量讀數，并自動將切刀磨鋒利

– 集成入機器控制系統中：過去，物料進給都是手動控制的。以前曾想要用光學測量系統控制進給的嘗試均宣告失敗，因為待破碎的材料的大小和形態差異較大。現在，使用狀態監測系統的振動分析功能能夠可靠地檢測造粒機何時是空的，并自動提供新的材料。機器的可持續利用使得生產效率提高了 50%

系統集成商的新潛能

 “對于 TAR 公司來說，將狀態監測系統集成到自動化和控制系統中也開辟了新的機遇和銷售潛力。” Alfred Rachner 指出。“TwinCAT 對我們來說是一個理想的集成式平臺：從簡單的控制任務到運動控制、CNC 應用、狀態監測和安全技術 — 我們可以使用同一個系統解決任何任務。這樣就無需花費成本讓程序員進行有關不同平臺的培訓，我們只需要在我們的部門中安裝和維護一個工程系統就夠了。同樣也可以減少在我們的客戶現場進行的維護工作量。”

倍福萊茵-魯爾區銷售辦事處經理 Ralf Stachelhaus 與 TAR Automation 公司總經理 Alfred Rachner（從左至右）

  “除此之外，TwinCAT 支持諸如 PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP 和 CANopen 等所有常用的現場總線接口，因此我們能夠將我們的解決方案輕松地集成到我們客戶使用的控制環境中 — 例如，當談及現有系統的現代化改造時。前方最有效的路是基于 TwinCAT 的全集成 PLC/NC/CMS 解決方案，雖然這明顯只能對新系統可行。”

工業 4.0：針對垂直和水平聯網的通訊標準

  各種嵌入式控制器在性能和 I/O 配置方面都可以擴展，同時提供各種聯網選項。在實施控制架構時非常自由，因此可以為現有任務優化解決方案。“無論我們是處理一個小型、獨立的解決方案，還是聯網分布式、智能控制器或一個高性能的中央解決方案 — 一切都是可能的。”TAR 總經理總結道。“再加上支持 OPC UA 用作垂直聯網的通用標準，它也可以集成到 ERP 系統中，無論是在一個領域內還是跨領域。”

借助 TwinCAT 和 EtherCAT 實現狀態監測

EtherCAT 的使用不再需要子系統

  過去，使用現場總線系統是不可能實現 100 kHz 的采樣率的。有了 EtherCAT，一切都變得不一樣了 — 通過全雙工、高速以太網和幾微秒的總線周期，其功能原理使得可用的數據速率遠遠超過 90%。直接將測量數據緩存在 EtherCAT 從站中的超采樣技術能夠將采樣率提高到遠遠超過實際的總線周期。EtherCAT 從站中的分布式時鐘確保整個網絡的時間同步數據采樣。抖動明顯小于 1 微秒，有時甚至小于 100 納秒。這樣可以將各種功能集成到控制系統中，這在過去只能使用分布式智能子系統實現，以滿足速度要求。現在，EtherCAT 可以非常快速地將測量數據傳輸給控制系統。

通過 EtherCAT 實現高精度測量技術

  倍福利用 EtherCAT 功能不斷開發新的測量 I/O。端子模塊已經可以提供用于溫度測量、負載單元分析、電流和電壓記錄、振動監測和各種模擬量信號，如 +/-10 V 或 0…20 mA。

狀態監測系統無縫集成入控制系統中

  除了 EtherCAT 和高精度測量端子模塊，基于 PC 的控制技術在性能上的不斷提升也是能夠直接（而不是通過子系統）操作狀態監測系統的關鍵因素。高性能設備中（如嵌入式控制器 CX2040）使用的是時鐘頻率為 2.1 Ghz 的 Intel? Core? i7 四核處理器。即使對于復雜的控制任務，這意味著有有足夠的性能儲備可用于分析測量數據。

TwinCAT 3 優化數據處理

  TwinCAT 3 自動化軟件讓用戶能夠將各個程序任務分配給單獨的 CPU 核。例如，若要使用計算密集型算法來分析測量數據，可以定義一個專門的分析任務并在一個單獨的處理器核中執行。此外，TwinCAT 3 為 PLC 程序員提供了一個狀態監測軟件庫來處理測量數據。它被設計為一個軟件套件，讓用戶能夠根據具體的應用和知識水平在基本數學算法或用戶專用的模塊中選擇。分析、統計和分類領域的基本算法示例包括用于快速傅里葉變換、包絡、峰度、波峰因數、真有效值和限值監測的功能塊。用戶擁有一個全面的基本算法來開發自己的分析例程。

  用戶模塊用作另一個走向應用的步驟。例如，這些模塊包括基本算法并封裝了監測輥子軸承所需的算法。這樣，用戶可以給模塊配置各個軸承幾何數據和示教限值，而無需在內部進行的詳細的計算知識。

狀態監測系統安裝在一個緊湊的端子盒中，已經可以投入使用。

 IMI Sensors 公司的壓電傳感器

  TAR Automation 公司使用的振動傳感器基于 ICPR 技術，具有將測量信號當作具有低源電阻的電壓值不受干擾地傳輸的顯著優勢。這樣可以最大限度地減少相鄰設備的電氣和電磁干擾。在幾乎任何情況下都可以方便地使用不同版本和類型的傳感器，包括高溫應用或工業防爆危險區。