??開放式的并基于 PC 的自動化系統(tǒng)、經(jīng)過改善的連接性能、高速 I/O 端子模塊、TwinCAT 自動化軟件以及高效的驅(qū)動技術(shù)為工業(yè) 4.0 運(yùn)動打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。德國倍福自動化有限公司總裁 Hans Beckhoff 先生在接受《開放式自動化》（openautomation）雜志采訪時就公司戰(zhàn)略和最新發(fā)展談了談自己的看法。

2014 年對于 Beckhoff 來說是一個具有重要意義的周年紀(jì)念：“25年前，我們使用我們基于光纖的 Lightbus — 第一個現(xiàn)場總線— 實現(xiàn)了第一批應(yīng)用。” Hans Beckhoff 先生回憶道。這一高速通訊解決方案至今仍在使用。公司的產(chǎn)品、系統(tǒng)和解決方案覆蓋的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。這為整個機(jī)械工程行業(yè)以及在樓宇和能源自動化、測量技術(shù)、過程工程、過程技術(shù)，甚至娛樂工程應(yīng)用都提供了一個理想的控制平臺。“在銷售額方面，我們同樣看到了我們幾乎在所有細(xì)分市場中都取得了積極的增長。”Hans總裁高興地說道。“引領(lǐng)趨勢，求新求變，銳意發(fā)展，是我們在全球自動化領(lǐng)域的不懈追求。此過程中收獲的成果，使我們?yōu)楦餍袠I(yè)的客戶提供全新的優(yōu)化的解決方案成為可能。”

自動化平臺已為工業(yè) 4.0做好準(zhǔn)備

它是如何與工業(yè) 4.0 相契合的呢？“自動化是一個高科技產(chǎn)業(yè)，它使得長期投資的商品更加智能化。”物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)的Beckhoff 先生解釋說道。“這樣可以實現(xiàn)一個穩(wěn)定的發(fā)展，伴隨著較小規(guī)模，有時又較大規(guī)模的技術(shù)革命。”他認(rèn)為當(dāng)前革命中批量大小為1 的生產(chǎn)的自動化并不是件新鮮事物：“早在 1986 年，我們就為一臺機(jī)器裝配了基于PC 的控制器，它可以單件小批量生產(chǎn)窗戶。”

現(xiàn)在，隨著自動化技術(shù)產(chǎn)業(yè)涵蓋了“物聯(lián)網(wǎng)”，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合也將影響多個領(lǐng)域，這經(jīng)常被稱為第四次工業(yè)革命或工業(yè)4.0。“術(shù)語‘革命’一詞通常被用來意指一蹴而就。”Beckhoff先生繼續(xù)說道。“但是，從第一次工業(yè)革命到第三次工業(yè)革命的進(jìn)展分析表明，相關(guān)的技術(shù)變革需要數(shù)十年的時間。”HansBeckhoff 認(rèn)為，工業(yè) 4.0 也是一次具有革命性意義的發(fā)展— 而一次技術(shù)的飛躍將需要一段時間才能實現(xiàn)全行業(yè)采用。“到2040 年，當(dāng)人們再次回顧 2010 年到2030 年這段時間時，就會發(fā)現(xiàn)這一發(fā)展更像是一次快速進(jìn)步的革命。”Hans 總裁補(bǔ)充道。“憑借基于PC 的開放式自動化解決方案系列，我們已為工業(yè) 4.0 做好了充分的準(zhǔn)備。基于PC 的控制技術(shù)始終推動著 IT 和自動化技術(shù)（AT）的融合，因此它自然也大大促進(jìn)了擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)連接。”最重要的是，計算機(jī)支持與云之間符合標(biāo)準(zhǔn)的通訊。“例如，Beckhoff公司使用微軟的 Azure — 開放、靈活的云平臺— 來實現(xiàn)這一類型的通訊。” Beckhoff 先生補(bǔ)充說道。

“也可以通過我們基于PC 的自動化平臺直接連接 SAP 或 ERP 和MES 系統(tǒng)。”Hans Beckhoff 繼續(xù)說道。“去年，我們的技術(shù)研究成果突顯了谷歌眼鏡對機(jī)器的監(jiān)控和操作是一項令人振奮的技術(shù)進(jìn)步。這種“可穿戴式HMI”清楚地表明，PC 控制技術(shù)可以立即與新的連接技術(shù)相匹配；如果可以提供正確的基礎(chǔ)技術(shù)，則這些好處立即能夠在融合解決方案內(nèi)體現(xiàn)。因此，與我們客戶展開的廣泛討論有力證明，即便從我們現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)的各種應(yīng)用而言，我們的工業(yè)4.0 征途已竟其半。”

“尖端集群‘it’sOWL’（北威州智能技術(shù)系統(tǒng)‘OWL’）也取得了成功發(fā)展。” Hans Beckhoff 說道。東威斯特伐利亞-利佩地區(qū)總共有174 家專注于智能技術(shù)系統(tǒng)領(lǐng)域的公司、大學(xué)、卓越科研中心以及經(jīng)濟(jì)組織于 2011 年走到了一起，現(xiàn)在被視為鋪平工業(yè)4.0 道路的開拓者。“現(xiàn)乃工業(yè) 4.0 上半場已畢之際。每個項目都非常成功，因此，德國政府同意進(jìn)一步提高補(bǔ)貼。HansBeckhoff 堅信，尖端集群舉措將為整個東威斯特伐利亞地區(qū)帶來了投資熱潮。“這也引起了國際社會的廣泛關(guān)注。我們致力于大張旗鼓地鼓勵并推進(jìn)伙伴間合作，此舉讓眾多中小企業(yè)及大專院校找到了理念一致、志趣相投的全新的高端合作伙伴，而在此之前，這些都是他們所難以企及的。”

高效的模塊化工程

特別是就柔性制造理念而言，重要的是對開發(fā)工作的自動完成以及對軟件模塊復(fù)用性的支持。這種一致的軟件模塊化可以使用TwinCAT 3 實現(xiàn)：“軟件模塊的組合簡化了軟件的設(shè)計工作，同時也讓程序員從繁瑣的工作中解脫出來。”HansBeckhoff 強(qiáng)調(diào)道。此外，還需要一個高效、功能齊全的工具箱。這可以在TwinCAT 3 中通過面向?qū)ο蟮?IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)語言、C和 C++ 編譯器編寫，而且還可以集成到 MATLAB?/Simulink?中。這使得在編程語言上的選擇非常自由。您可以在需要的時候選擇最適合這項任務(wù)的工具。TwinCAT 3 的另一大特色是將Visual Studio? 集成到編程環(huán)境中。

“除此之外，還可以使用TwinCAT Automation Interface 完整地遠(yuǎn)程控制工程系統(tǒng)以及自動生成代碼和配置。”HansBeckhoff 解釋道。“因此，可以減少手動創(chuàng)建控制項目以及相應(yīng)產(chǎn)生的誤差。TwinCATAutomation Interface 是一種開放式接口，除了標(biāo)準(zhǔn)的微軟 .NET 編程語言之外，它也支持高級腳本語言，如Windows Powershell 或 IronPython。”“對于視覺管理，我們使用的是諸如微軟的Team Foundation Server（TFS）。”HansBeckhoff 繼續(xù)說道。它可以有效地規(guī)劃、創(chuàng)建和管理項目；此外，模塊可以通過這個Windows 平臺重復(fù)用于協(xié)同軟件項目。Hans 總裁深信，世界上最發(fā)達(dá)的軟件工程平臺內(nèi)的編程將繼續(xù)給用戶帶來更大的好處。“在軟件開發(fā)方面，我們使用的是一個有前途、應(yīng)用廣泛且功能強(qiáng)大的平臺。”他強(qiáng)調(diào)說道。 

“幾十年來，微軟和英特爾都為IT 提供了最強(qiáng)大的平臺。因此，我們知道這些平臺非常適合我們的 PC 控制技術(shù)。”HansBeckhoff 闡述道。“英特爾處理器是Beckhoff 基于 PC 的自動化系統(tǒng)的主要推動力。例如，新一代Bay Trail 處理器被廣泛用在 CX51xx 系列嵌入式控制器、CP27xx和 CP37xx 系列面板型PC 以及 C6915 控制柜式PC 中。每個設(shè)備系列還為用戶提供了單核、雙或四核型號的選項。”Beckhoff 先生指出，BayTrail 是“一款最適合的處理器，尤其是在自動化領(lǐng)域，因為它設(shè)計時就考慮到讓緩存內(nèi)存直接分配給CPU 內(nèi)核，從而在多核應(yīng)用中具有出色的表現(xiàn)。”

科技自動化：“世界上最強(qiáng)大的機(jī)器控制器”

現(xiàn)代化的柔性生產(chǎn)設(shè)施以及單臺高性能機(jī)器中的集中控制解決方案需要日益強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。因此，Beckhoff將推出 C6670 — 公司有史以來建造的功能最強(qiáng)大的一款PC，也就是俗稱的“大鐵塊”（早在大型機(jī)時代，“大鐵塊”就是一個用來形容最強(qiáng)大型機(jī)的口語表述）。C66xx系列高端型號的控制柜式 PC 有具有 12、24甚至 36 個內(nèi)核的型號可提供，價格在 6000 歐到15,000 歐之間。RAM 最小為128 GB，可擴(kuò)展到 2 TB。“摩爾定律仍然適用，因為36 核處理器今年已經(jīng)對外發(fā)布。”Beckhoff 先生補(bǔ)充說道。“到2020 年，機(jī)器的工業(yè) PC 成本很可能和今天的控制器差不多，但其功能會提高 8 到16 倍，且內(nèi)存大小也是現(xiàn)在難以想象的。”通過“大鐵塊”項目，Beckhoff將繼續(xù)奉行“科技自動化”理念，即機(jī)器的所有控制功能都通過軟件實現(xiàn)，從運(yùn)動控制到視覺再到工程算法，全部都在一個非常強(qiáng)大的多核處理器中計算。“TwinCAT3 讓我們能夠?qū)⒏鱾€控制任務(wù)分配給各個內(nèi)核，從而高效利用所有內(nèi)核資源，展示了 C6670 這一世界上最強(qiáng)大的機(jī)器控制器之一。”Beckhoff先生驕傲地說道。“在 2014 年德國紐倫堡工業(yè)自動化展會SPS IPC Drives 上，我們展示了一個高性能應(yīng)用，它由一臺具有 24 個內(nèi)核的“大鐵塊”PC 控制 — 為應(yīng)用帶來諸多好處。”這是2014 年德國紐倫堡展會所有展品中最大的一個亮點。

除了高處理器性能之外，基于 PC 和EtherCAT 的控制技術(shù)還針對極速通訊進(jìn)行了優(yōu)化。“我們在2008 年推出的 XFC 極速控制技術(shù)縮短了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器的控制周期，提高了效率并保護(hù)了資源。”HansBeckhoff 強(qiáng)調(diào)說道。“該項技術(shù)適用于廣泛的應(yīng)用范圍，從注塑機(jī)到印刷機(jī)，從機(jī)床到裝配機(jī)器。”如果同一臺機(jī)器上可以生產(chǎn)更多的工件，效益將明顯地迅速提升：“公司將能夠在同一臺機(jī)器體積中實現(xiàn)更高的性能，同時提高產(chǎn)量，降低能耗。總體而言，工廠內(nèi)需要的機(jī)器更少，因此可以大大縮短攤銷年限。”他在簡要闡述XFC 優(yōu)勢時如此說道。

通過 XFC 技術(shù)，分布式時鐘和時間戳I/O 信號能夠?qū)崿F(xiàn)小于 100 μs 的I/O 響應(yīng)時間。“這是一個全面的方法。”Beckhoff 先生解釋說道。“另一方面，I/O信號的高速預(yù)處理只是一個特例。”通過XFC 可以實現(xiàn)100 ns（納秒！）的絕對精度。“通過我們的XFC 技術(shù)，我們可以輕松地滿足即使是最快速的需求。” “由于PC控制技術(shù)的性能預(yù)期將得到很大提升，所以每個行業(yè)將能夠?qū)嵤┢涮囟ǖ摹畾⑹旨墤?yīng)用’”Beckhoff先生繼續(xù)說道。“同時，快速周期時間只是等式的一個部分，因為經(jīng)常需要用到復(fù)雜數(shù)學(xué)算法的實時計算能力。圖像處理的無縫集成可以是一個解決辦法。就高速、高效的機(jī)器控制器而言，客戶基本上只會受到他們在設(shè)計其應(yīng)用程序時的想象力限制，或者說只有他們想不到的，沒有機(jī)器做不到的。”

線路板式總線端子模塊

I/O 系統(tǒng)為在輸入和輸出層靈活的數(shù)據(jù)傳輸提供了理想的解決方案，沒有它們，設(shè)備和機(jī)器的柔性自動化方案在今天將幾乎是不可能的。迄今為止，Beckhoff已經(jīng)為控制柜或機(jī)器安裝提供大量模塊化 I/O 系統(tǒng)，包括EtherCAT 端子模塊（IP 20）、總線端子模塊（IP20）、EtherCAT 端子盒（IP67 或 IP 69K）以及現(xiàn)場總線端子盒（IP67）。

公司最近為 SPS IPC Drives 展會開發(fā)了一套全新的I/O 系統(tǒng)：“我們的 EJ 系統(tǒng)由具有總線端子模塊功能系列的I/O 模塊構(gòu)成，可以直接插接到線路板上。”Hans Beckhoff 先生解釋說道。基本的線路板用作高度模塊化的EJ 系列 EtherCAT I/O 解決方案的接線層，這是首次在客戶項目中開發(fā)而成的。此外，該解決方案可通過輔助機(jī)電功能提供，從而可以包含任何所需的插接口。

“新型EtherCAT 插拔式模塊主要用于批量生產(chǎn)應(yīng)用中。”Beckhoff 公司總裁如是說道。“在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器的大規(guī)模生產(chǎn)中，例如，一部分控制柜可以以印刷電路板的形式實現(xiàn)。我們的全新系統(tǒng)在批量生產(chǎn)中的最大優(yōu)點就是以預(yù)制電纜線束代替人工接線。”它也可用于完全不同的應(yīng)用中，如電力測量站。“我們正在為所有主要類型的型號推出我們的線路板式電子總線端子模塊。”Beckhoff先生宣布道。除此之外的更高要求也可以很快地滿足。“我們的新EJ 系統(tǒng)使得機(jī)器和 I/O 層有更多的通訊，即使沒有技術(shù)人員的干預(yù)。”

此次展會上，我們還展出了成熟的 I/O 系統(tǒng)中的新產(chǎn)品。比如，IO-Link，它通常被認(rèn)為是工業(yè)4.0 征程中的“最后一米”。因此，Beckhoff現(xiàn)在正在為其現(xiàn)場總線盒系列配備 IO-Link 技術(shù)。“我們看到IO-Link 越來越受到市場關(guān)注。”Hans Beckhoff 補(bǔ)充說道。

通過創(chuàng)新技術(shù)解決由來已久的驅(qū)動方面的挑戰(zhàn)

通過 XTS 直線驅(qū)動技術(shù)，Beckhoff為在很多機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的機(jī)器方案提供了一個驅(qū)動解決方案。“我們的XTS 是一套不可思議的機(jī)電一體化套件，突破了傳統(tǒng)直線驅(qū)動技術(shù)的局限性。”Beckhoff 先生指出。全世界已經(jīng)有很多新的應(yīng)用配備了XTS 系統(tǒng)，并在此次展會上展出了新的 XTS 軟件庫。此外，觀眾們還在現(xiàn)場觀看到了多個不同的XTS 應(yīng)用。“新的亮點是，現(xiàn)在 XTS 的弧度最大可達(dá)到22.5 度。”他接著說道。“這意味著，XTS可以方便地實現(xiàn)更多幾何形狀，如卡雷拉軌道。”

超高速 AX8000 系列多軸伺服驅(qū)動器是Beckhoff 在 SPS IPC Drives 展會上展出的另一個創(chuàng)新產(chǎn)品。“我們最新的標(biāo)準(zhǔn)系列的緊湊型EtherCAT 伺服驅(qū)動器采用了高效的 FPGA 和ARM 處理器。”Hans Beckhoff 闡述道。“新的多通道電流控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電流環(huán)控制的采樣和響應(yīng)時間小于1 微秒，具有低至 16 微秒的速度控制循環(huán)時間 — 取決于所配置的開關(guān)頻率。”

“每臺AX8000 驅(qū)動器都集成了一個 TwinCAT Runtime 系統(tǒng)，它也可以使用C 語言的子模塊、IEC 61131-3 和MATLAB? 進(jìn)行編程。”特殊的連接機(jī)制縮短了AX8000 的調(diào)試時間。

Hans 總裁對其位于德國 Marktheidenfeld 的生產(chǎn)基地的伺服電機(jī)生產(chǎn)能力相當(dāng)滿意。“今年，我們的電機(jī)產(chǎn)量翻了一番。”HansBeckhoff 指出。因此，我們將會對Marktheidenfeld 生產(chǎn)基地進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)建。HansBeckhoff 還暗示他們在未來一年仍會取得令人振奮的進(jìn)展，甚至還具有小規(guī)模技術(shù)變革的潛力。總體來說，他認(rèn)為公司也正在通往工業(yè)4.0 目標(biāo)的道路上大步邁進(jìn)。

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