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通用取代专用,软件取代硬件方案-贝加莱解决方案之妙用

通用取代专用,软件取代硬件方案-贝加莱解决方案之妙用

导语

贝加莱一直以解决方案为用户带来额外的价值,在很多应用场景里,借助于其领先的控制系统架构设计,以及高级语言编程的支持下,采用通用的控制器替代了传统的专用系统。解决方案价值正在于发挥架构之精妙,塑造机器整体“巧”实力。

为何会产生专用系统?

必须承认,术业有专攻,专用的系统主要通过其工艺价值而存在,如印刷的套色、棉纺中的自调匀整、配料与称重系统、纠偏、燃气轮机的点火控制、工程机械中防倾翻,乃至CNC和机器人系统,都属于专用系统。

机器通常采用嵌入式系统,如PLC,采用硬件电路处理逻辑为主的任务,而随着机器的速度不断提升,需要机器能够处理高速采样及回路调节(如温度、速度、压力闭环类),并通过物理或数据方式对工艺进行建模,以增强机器材料工艺适配性。物理建模的函数复杂性,数据建模对于数据存储,显示的需求,使得传统的PLC无法胜任,因此,基于专用的高速硬件(DSP/FPGA)或PC运行复杂工艺的专用系统应运而生。

专用系统的核心仍然在“知识”的积累,以软件形式存在的工艺Know-How,但由于处于较为细分市场,因此硬件成本批量小而因此往往成本较高,也迫不得已选择封闭的架构来保护工艺Konow-How。

PLC早已不是那个PLC

不过,对于传统PLC干不了的复杂算法与高速任务而产生专用系统这个问题,并非所有PLC干不了。例如,贝加莱,早在90年代2000系列PLC,其控制器即采用MC68K及后Intel X86架构的处理器,其芯片组包含了用于浮点运算的协处理器,并支持定性分时多任务的操作系统,这个架构使得PLC支持复杂函数计算和高级语言编程能力。并有Power Panel集成PLC和HMI一体的控制器、Windows+RTOS的工业PC控制器,而自2004年推出的X20系列目前发展到更强Core i,Appollo Lake级处理器,如图1所示。

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图1-贝加莱控制系统架发展

紧随IT技术的发展,这使得贝加莱的PLC能够通过一个通用的控制器架构来解决传统需要专用系统或PLC+PC才能架构的任务。

案例:通用系统代替专用系统

贝加莱的PLC融合了传统PLC的稳定可靠及实时任务处理,以及PC的算法与算力,进而获得替代专用系统的潜质,通过几个案例,我们即可看到其如何实现“通用替代专用”。

案例1:集成套色系统代替专用套色

套色问题是凹版印刷的关键问题,在纸张张力不同、印刷速度、加速度等变化下,纸张经过压印力、烘干造成了变形,带来颜色套准的精度难题。传统的PLC的确无法解决这个问题,才有了价格昂贵的第三方套色系统,其单色价格高达数千美元。早在2003年,贝加莱即用PLC来替代专用的套色系统。其2005系列PLC采用了Intel Pentium III 500MHz处理器,运行支持多线程的RTOS,可以通过C编程来实现套色算法的集成。

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图2-凹版印刷机组结构

在印刷过程中,由于压印力使得整个卷筒纸/薄膜被隔断为不同的张力区间,并且,在印刷后每色经过烘干,以及环境温度变化等,都会引发颜色的套色偏差。而套色控制是一种多变量耦合解耦算法,针对多个变量的输入(温度、纸张张力、速度/加速度等)并进行耦合其关联关系,并解耦为独立的版辊相位调整,进而实现颜色的套准。

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图3-印刷套色过程

当然,对于印刷机而言,除了套色,色标本身的检测、收放卷的张力控制也是核心问题,通过这样的系统创新,使得印刷机可以无需专用套色系统即可实现高速、高精度的套色控制。这一套色控制算法在PLC上运行,省了专用套色,为每台机器节省数十万的成本。

案例2:集吹瓶和壁厚控制为一体的吹瓶机解决方案

另一个典型例子就是壁厚控制问题,在吹瓶机控制中,需要针对瓶胚壁厚控制中需要用到三阶贝塞尔曲线或B样条曲线的算法控制,而这就需要控制器具有高级算法设计能力,[ZC1] 能够处理这些复杂算法能力的控制器,并且,需要大的存储能力来保存各种配方。

贝加莱的控制器本身具有高级语言支持能力,也具有大的存储(可以多达数个GB的存储能力),因此,对于壁厚,采用通用控制器来实现。而原来市场所需要的专用控制器本身一套就是这个系统的数倍价格,也因此,目前这些专用控制器在市场上也逐渐消失。

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图4-中空吹塑成型

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图5-壁厚控制技术

通过贝加莱的通用控制器而实现的壁厚控制算法,较之市场上的壁厚节省约10%的材料消耗,以家用饮水机5加仑塑料桶为例,在单机生产8小时/天,每周仅工作5天情况下,按照其速度,每年可以节省约9.8吨的塑料颗粒。

案例3:单一的CNC系统缺乏竞争力

在玻璃纤维、碳纤维的经编中,包括双轴向/多轴向经编机的生产中,其铺纬过程包含了多个角度的纤维铺设,而这里包含了+20゜/-20゜,-45゜/45゜,-90゜/90゜多种角度的电机运动协同,如图6所示为45度铺纬,这些运动控制的会牵扯到CNC插补运算,而传统的PLC则无法实现这个任务,因此,有些系统厂商即配置一套CNC系统来与PLC配合,而这个CNC系统仅发挥了其功能的非常小部分,因此,显得不值。而贝加莱则采用了通用的PLC来实现了CNC+PLC运动控制的集成,通过配置CNC插补软件库来实现这些插补运算,并与定位同步控制在同一硬件和软件架构中完成,因此,无需额外的CNC系统。

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图6-多轴向经编机的45度铺纬示意图

类似这样的应用对于贝加莱而言非常多,包括采用通用PLC实现自调匀整算法、称重算法、烫金跳步算法等。贝加莱控制器强大的运算能力、储存能力、开放性,使得PLC具有专有系统的能力。在一些场合实现了通用系统集成了专有系统功能。从而省去省去“专用系统“,提高客户产品的竞争力。

关于贝加莱

贝加莱是一家总部位于奥地利并在全球拥有分公司的创新型自动化企业。2017年7月,贝加莱成为ABB集团的机械自动化事业部。作为工业自动化领域的全球领导者,贝加莱将前沿技术与领先工程相结合,为几乎每个行业的客户提供面向机器与工厂自动化、运动控制、HMI和集成安全技术的完整解决方案。借助于OPC UA、POWERLINK、openSAFETY等工业物联网通信标准,以及强大的Automation Studio软件开发平台,贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。受简化流程和超出客户预期的承诺驱动,贝加莱始终保持创新精神并处于工业自动化领域的前沿。

获取更多信息,请访问www.br-automation.com。

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李娜
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