關(guān)于研華APAX高性能控制平臺淺析

研華以APAX-5580控制平臺搭配CODESYS實(shí)時(shí)內(nèi)核與EtherCAT模塊與伺服馬達(dá)打造0.5毫秒掃描周期的鋁管切斷機(jī)，大幅提升鋁管切斷機(jī)的裁切速度與穩(wěn)定性、確保加工質(zhì)量。

方案背景

鋁材重量輕、易散熱、易成型，經(jīng)加工處理后可廣泛運(yùn)用在大樓的帷幕墻、住家的鋁門窗框、汽車的散熱器、3C產(chǎn)品的外殼等各行各業(yè)，而將鋁材切割成特定形狀與尺寸的切割機(jī)則是鋁制品在制造過程中的必要工具，該設(shè)備的切割速度與切割精度是影響鋁制品產(chǎn)量與質(zhì)量的重要關(guān)鍵。

目前鋁材切割機(jī)大多采用PLC來控制各個(gè)機(jī)械部件以實(shí)現(xiàn)自動化切割作業(yè)，但受限于典型的PLC之掃描周期多處于毫秒等級，在性能不足的情況下，機(jī)器也易于裁切出不符規(guī)格的瑕疵品；再加上，使用梯形圖編程的PLC缺乏足夠的靈活度來處理復(fù)雜的算法，使得設(shè)備制造商就算想提升鋁材切割機(jī)的性能都相當(dāng)困難。

研華以APAX-5580控制平臺搭配CODESYS實(shí)時(shí)內(nèi)核所提供的解決方案，可提供穩(wěn)定的硬件控制平臺、高速掃描的實(shí)時(shí)內(nèi)核、靈活編程的開發(fā)環(huán)境、易于設(shè)定、更新參數(shù)與維護(hù)的電子凸輪等特色，讓設(shè)備制造商更容易地開發(fā)出生產(chǎn)速度更快、裁切精度更高、質(zhì)量更穩(wěn)定的鋁材切割機(jī)，從而能提升設(shè)備在市場上的競爭力。

系統(tǒng)需求

天津佰沃博思科技有限公司是一家擁有專業(yè)自動化開發(fā)能力、并從事工控產(chǎn)品銷售與技術(shù)服務(wù)的設(shè)備制造商。目前，該系統(tǒng)整合廠商正在為汽車的鋁散熱器開發(fā)可高速裁切的鋁管切斷機(jī)，但處于測試階段的原型機(jī)卻始終無法達(dá)到其預(yù)期的速度與精度，讓該公司相當(dāng)困擾。由于這款設(shè)備一開始規(guī)劃的硬件規(guī)格是以PLC搭配日系伺服馬達(dá)來執(zhí)行切斷動作，該公司發(fā)現(xiàn)每當(dāng)機(jī)器經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，就會切出超過預(yù)設(shè)長度的鋁管，而且PLC編程環(huán)境的局限性也讓欲優(yōu)化設(shè)備功能的開發(fā)人員備感辛苦。

以上種種原因讓天津佰沃博思科技決定更換伺服馬達(dá)之外，也試圖尋找一套可以穩(wěn)定切割又容易開發(fā)的軟硬件解決方案。在軟件方面，新方案必須是符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)以便能提供靈活編程的開發(fā)環(huán)境；編程語言得同時(shí)支持梯形圖（LadderDiagram，LD）與結(jié)構(gòu)化文字（StructuredText，ST）讓開發(fā)人員可以快速設(shè)計(jì)出所需功能；提供電子凸輪功能以完成切斷作業(yè)。而硬件方面，提供可保障穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性的控制平臺；可接收數(shù)字輸入與數(shù)字輸出訊號以掌握機(jī)臺狀態(tài)；支持EtherCAT通訊協(xié)議與提供脈沖轉(zhuǎn)換模塊以連接伺服馬達(dá)；并提供工業(yè)級平板計(jì)算機(jī)作為設(shè)備與操作者之間的人機(jī)接口（HMI）。

系統(tǒng)概述

研華整合CODESYS實(shí)時(shí)內(nèi)核、APAX-5580控制平臺與、APAX-5000系列I/O模塊、以及WOP-1070CK操作面板的完整解決方案，能讓設(shè)備制造商順利開發(fā)出兼具速度與精度的鋁管切斷機(jī)。除了以工業(yè)等級的WOP-1070CK作為設(shè)備的人機(jī)接口之外，安裝了WES7（WindowsEmbeddedStandard7）操作系統(tǒng)與CODESYS實(shí)時(shí)內(nèi)核的APAX-5580控制平臺能以研華獨(dú)有的雙核處理器優(yōu)化機(jī)制讓系統(tǒng)保有絕佳的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性。而透過支持EtherCAT通訊協(xié)議與第三方合作伙伴的脈沖轉(zhuǎn)換模塊，APAX-5580即能連接天津佰沃博思科技指定選用的伺服馬達(dá)。如此完善的軟硬件整合方案讓系統(tǒng)性能大幅提升，掃描周期從原本的3～4毫秒變成了0.5毫秒，不僅加快了響應(yīng)速度，也提高鋁管切斷機(jī)的切割質(zhì)量和效率，突破設(shè)備升級的瓶頸。

研華的WES7操作系統(tǒng)與CODESYS實(shí)時(shí)內(nèi)核都是經(jīng)過優(yōu)化的軟件，透過篩選出操作系統(tǒng)中的必要功能，以及將雙核處理器各自獨(dú)立執(zhí)行WES7與CODESYS等優(yōu)化措施，讓系統(tǒng)的執(zhí)行速度再加快，因而取得更快更實(shí)時(shí)的掃描周期，讓鋁管切斷機(jī)的切割速度與精度同步提升。此外，CODESYS是符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)、可為工業(yè)控制提供最佳開發(fā)環(huán)境的軟件。支持IL、ST、FBD、LD、CFC與SFC六種標(biāo)準(zhǔn)編程語言，讓項(xiàng)目的開發(fā)人員可以運(yùn)用已熟悉的LD語言編寫之外，當(dāng)需要復(fù)雜的算法時(shí)則可改用ST語言來編寫，從而能盡早完成設(shè)備開發(fā)。而CODESYS提供的虛擬編碼器功能與電子凸輪功能還實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目所需的高速切割需求。

APAX-5580是一臺基于PC的PAC運(yùn)動控制平臺，兼具了傳統(tǒng)PLC的功能以及工業(yè)計(jì)算機(jī)的優(yōu)異性能與特色。其模塊化架構(gòu)的開放環(huán)境能讓工程師很方便地增加及調(diào)整模塊配置，用以設(shè)計(jì)出所需的控制系統(tǒng)。譬如這臺鋁管切斷機(jī)就外加了APAX-504512信道數(shù)字輸入與12信道數(shù)字輸出模塊，藉此可為系統(tǒng)收集各種設(shè)備信息，讓用戶可以完全掌握機(jī)臺狀態(tài)。最后再搭配可與工業(yè)設(shè)備無縫整合的WOP-1070CK，其以堅(jiān)固耐用的特性提供了在嚴(yán)苛環(huán)境下可簡便操作又能長時(shí)間運(yùn)作的最佳人機(jī)接口。

產(chǎn)品清單

系統(tǒng)架構(gòu)圖

結(jié)論

工業(yè)自動化控制是個(gè)講求速度與精度的應(yīng)用領(lǐng)域，但設(shè)備制造商若要在處處受掣肘的環(huán)境下開發(fā)產(chǎn)品，勢將難以充分發(fā)揮機(jī)臺的潛力。此項(xiàng)目的系統(tǒng)整合廠商一開始因?yàn)槭芟抻赑LC的編程環(huán)境、實(shí)時(shí)性不足的控制系統(tǒng)、以及沒有供貨商的實(shí)時(shí)技術(shù)支持，導(dǎo)致所開發(fā)的鋁管切斷機(jī)的質(zhì)量與效率均無法達(dá)標(biāo)。

所幸，擁有豐富工控經(jīng)驗(yàn)的研華以模塊化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品快速配置出APAX與CODESYS整合方案滿足設(shè)備制造商需要穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、靈活的系統(tǒng)。此機(jī)臺原先只需要能達(dá)成1毫秒掃描周期的系統(tǒng)，而研華優(yōu)化后的解決方案卻只花0.5毫秒就能完成掃描，不僅將掃描周期再提升了一倍之多，系統(tǒng)還同時(shí)保有絕佳的穩(wěn)定性。此外，研華位于中國的專業(yè)團(tuán)隊(duì)從產(chǎn)品測試、軟件培訓(xùn)、到項(xiàng)目系統(tǒng)搭建都提供了實(shí)時(shí)的技術(shù)支持服務(wù)來確保項(xiàng)目能順利進(jìn)行，進(jìn)而也讓設(shè)備制造商能如期推出其最新開發(fā)的高速鋁管切斷機(jī)，未來更可將相同架構(gòu)復(fù)制到其他機(jī)型，加速開發(fā)時(shí)間。