智慧工厂模型架构详解

Beckhoff 为灵活的智能生产网络提供基础技术，可以实现从 1 到 n 不同批量大小的生产。Beckhoff基于 PC 的控制技术可以应用于符合工业 4.0 概念的智能生产网络中的各个基本生产流程。

两个物理上独立的生产系统，即所谓的智慧工厂，彼此通过Internet 进行通信。一个系统（一个拾放 XTS）的主要工作是智能分拣和运输产品。第二个系统 — 加工中心 — 通过两个智能加工站仿真客户特定的生产过程、一个跨进程的质量监控系统以及一个高度灵活的搬运和输送系统。在生产过程开始阶段，一台拾放机器人会从仓库取出待处理的工件并将其放到线性XTS（eXtended Transport System）的动子上。一个位置传感器可确保工件被成功输送。然后，XTS 迅速且高精确度地将工件移动到 RFID 阅读器和加工站中，在这里根据客户的要求进行加工。灵活的输送系统、高动态性机器人技术和尖端识别系统之间进行互动，根据客户要求实现从1 到 n 不同规模的批量生产。

生产网络的主要目的是最大限度地提高资源利用效率、工艺可靠性和可用性。它从所有相关的系统（从单个传感器到

云）收集数据，在不同的系统层级中对这些数据进行分析，并利用这些数据对整个工艺过程进行优化。这样一来，智慧工厂能够实现，例如，分析包括在云中的各个模块的总能耗数据，以便检测和降低能耗峰值。同时，每个生产系统监测其自身的能耗及其状态，以检测磨损、污损或功率骤降等情况，并积极采取措施以防止能耗增加及意外的系统停机或加工误差。

自动化网络的高度灵活及主动的智能控制的基础是科技自动化理念。科技自动化是指将不同应用领域的工程知识和科学

研究成果整合到自动化技术中。例如，集成运动学变换功能用来控制机器人，集成传感器功能用来采集并在控制器中直接分析过程数据。

然而，对于智慧工厂的高效率和预期运行，人类将关于生产工艺和当前系统行为与计划和实际的关键生产数字相结合，得出适当的结论，并采取相应的行动的能力仍然是不可或缺的。例如，支持机器操作人员、维修人员、生产调度和管理以及生产过程之间的互动的各种人机界面。它们提供需求信息，从而减少了采集具体信息及与其他人合作所需的工作量。对于远程诊断、维护和系统间以及系统与操作人员之间的通信等活动，也可能会用到云服务。这些是通往所谓的社会自动化之路上的第一个解决方案，即它们将信息和通信技术领域的最新开发成果集成到自动化技术中，从而将它们运用到车间。

工程工作站举例说明了控制技术、电气工程及闭环设计领域利用率较高的开发工具与来自 IT 领域的软件工程工具相结合，实现一致的分布式和智能联网生产系统的设计和调试。设计模式，如面向对象、模块化和明确定义的接口使得自由配置和灵活的生产系统成为可能。综合及多学科的设计工艺、设计阶段进行的实时仿真以及自动代码生成减少了出错的机会，并缩短了工程和调试时间。

1.基于PC 的控制提供了核心技术

拾放 XTS 和加工站通过 C6930 工业PC 集中控制。Runtime 环境由 TwinCAT 3 提供。工业 PC 与上位控制系统进行通信。拾放XTS 和加工系统相互之间的通信通过云实现。系统的中央控制在工程、数据管理和诊断方面具有优势。所有数据都可用于集中分析和优化，无需额外的通信过程。

对于大型的装配线，需要时，可以将多个中央控制组件和加工系统整合到同一个系统中。这是分布式控制方案的优势所在。例如，使用这样的解决方案可以很方便地更换单个模块，因为中央控制组件必须只能根据新的工作站调整。此外，车间内的系统或设备不会单机运行，而通常是联网运行—这一趋势将对工业 4.0 概念有着显著的促进作用。因此，每台机器都在本地控制，但要集成到整个系统或工业 4.0 方案中。在这个方案里，一个非常重要的推动因素是软件方面的实施，Beckhoff支持通过 TwinCAT 完成的模块化编程。归根结底，10 个软件模块是在同一个 CPU 上集中运行还是在 10 个不同的控制器上运行是无关紧要的。模块之间如何进行数据交换— 在本地 PC 上还是通过具有相同确定性和高速度的 EAP—也不重要。PC 控制技术可以根据现有的应用需求很轻松地实施任一版本。

横向和纵向通信

拾放 XTS 和加工系统相互之间的通信通过云实现。系统组件相互之间也会进行通信。可以根据具体的应用需求使用不同的通信技术。

2.联网的智慧工厂

在一个“物联网”方案中，无论是拾放 XTS 系统还是加工系统，它们都是互联网用户。它们通过互联网和使用云服务公开相互通信 — 在这一应用中，用于分析它们的能耗。采用Intel?处理器和带以太网接口 Beckhoff 工业 PC、Windows操作系统和支持自动化设备规范（ADS）和 OPC 统一架构 （OPCUA）的TwinCAT 3 自动化软件能够实现拾放 XTS 和加工系统的网络连接，同时考虑到常用的互联网安全措施。

3.传感器与云计算机之间一直保持通信

有关作业状态、拾放 XTS 及加工系统的能耗和状态等信息都存储并在云里进行分析，然后通过现代化的人机界面提供给用户。PC 控制使用 ADS、EAP 和 OPC UA 实现传感器与云之间的通信。

●ADS 是 TwinCAT 软件系统中一个基于消息的具有路由功能的传输层。它允许用于 TwinCAT 系统内的非循环通信以及与其它工具配套使用，如可视化系统。

●具有实时能力的 EAP 可以通过采用发布者-订阅者机制的方式在 EtherCAT 主站之间传输过程数据，传输速率在微秒范围内。

●OPC UA 是一种标准化的、非专有的以太网和基于 Web 的通信协议，可以无缝集成到 MES 和 ERP 方案中。当前的趋势之一是在云中实时分析数据的能力。

4.与管理级系统通信：MES/ ERP 系统接口

通过 EAP、ADS 和 OPC UA，生产系统的过程自动化直接与上位管理系统— 如制造执行系统（MES）和企业资源规划（ERP）系统 — 通信。这个层面上的时序要求没那么严格，通常从几秒到几毫秒。另一方面，这种通信可能要遵守生产环境的复杂性和组织化程度等方面的其它要求，如安全性、身份验证、报警、趋势、历史数据、基于服务的通信其其它。

5.现场级与控制级之间的高性能通信

对于现场级和控制级之间以及每个级别中的 EtherCAT 通信，工业 PC 配备了标准的以太网接口。工业 PC（C6920）、EtherCAT耦合器和用于控制拾放机器人的伺服轴通过以太网电缆连接。TwinCAT 自动化软件为通信提供相应的软件模块。

由于 EtherCAT 的的高性能确保了在实时条件下一致的数据流，通信系统支持生产流，且不会由于系统相关的等待时间来妨碍它。EtherCAT 以高速度、高确定性的方式收集数据 — 不管是不太复杂的设备，例如位置传感器，还是复杂的装置，如拾放机器人和 XTS。由于没有基础总线，所有设备彼此间直接通过EtherCAT 组件进行通信，并且可以实现响应时间小于 100 微秒。有了这样的性能水平，除了控制整个系统之外，一台基于 PC 的控制器还能够控制单个系统，甚至是拾放机器人和高动态 XTS输送机的复杂运动。为此，XTS 利用了 EtherCAT 的高速度和带宽以计算 PC 中的电机模型并生成运动的磁场。

客户特定生产批量

客户特定的生产基于以下原则：订单手动输入或随机生成（当在自动模式下时）。由于缺少资源，无法处理的订单推迟执行。加工系统自动调用命令，并根据它们的优先级进行调度。优先手动输入订单。

当订单已经派发出去后，拾放机器人拾取相应的工件并放到下一个可用的 XTS 动子上。动子输送工件，经由 RFID 阅读器，到加工站，最后运送到仓库等待装运。在成功处理后，拾放机器人会将工件拾起将其输送到交货仓库，在此之前，有时会输送到一个称重站。位置传感器确保工件从拾放机器人安全输送到动子上，并从动子再输送到拾放机器人。

6.RFID 阅读器

每一个工件都带一个含有单个处理数据的 RFID 标签。系统用动子和加工站的订单数据对数据进行校正，并启动必要的处理步骤。RFID阅读器通过 EL6001 EtherCAT 串行总线端子模块连接。另外，RFID 阅读器内置有智能系统，可以通过 OPC UA接口直接与控制器（通过物联网进行 M2M 通信）通信。

7.拾放机器人

拾放机器人负责搬运和复位工件。它借助电磁铁抓住工件，并将它们放到所需的位置上。要做到这一点，它的轴通过Beckhoff 的 AX5000 系列驱动器和 AM8000 系列电机以高动态的方式定位。

机器人的运动行为基于 Delta 运动。其中，Beckhoff 的 TwinCAT运动学变换功能库包含了一个用于控制 Delta 运动的功能块。它在 TwinCAT 系统中的配置和参数化，然后与 PLC 一起在C6930 工业 PC 上进行加工中心的运动控制。机器人控制无需使用单独的 CPU “飞锯”和“凸轮盘”运动功能同步拾放机器人与 XTS 系统，从而能够合适地拾放工件。机器人能够处理速度高达每秒 7 米的输送机，并可实现最高 9 g 的加速度。尽管速度和加速度都很高，集成的动态伺服控制确保所有动作都能够以较高的精度执行。

8.高动态 XTS 磁悬浮输送系统

XTS 磁悬浮输送系统可以输送、定位和和缓存工件。它由一个电机模块、一根导轨、多个动子和控制软件组成。电机与功率元器件和位置测量系统一起全部集成在控制器中。一个或多个“动子”（无电缆，可自由移动的负载模块）以最高每秒 4米的速度非常快速和动态地沿着处理系统移动。每个动子都可以单独进行行程操控。要做到这一点，可以通过动态控制导轨上电机模块的各个线圈的方式生成一个用于移动动子的单独、运动的三相交流等效磁场。为了让控制器知道每个动子的位置，集成的位置测量系统提供有关其绝对位置的信息。

通过在 TwinCAT 中将动子映射为标准伺服轴轻松实现所需的运动。因此，程序员可以使用成熟的运动控制解决方案（PTP，NC，CNC）。通过“飞锯”和“凸轮盘”功能块，动子可以与拾放机器人以行进中输送工件的方式同步。TwinCAT还为典型的 XTS 应用提供了预配置和测试的软件功能模块程序，只需设置参数即可。例如，与相邻的动子的距离是一个可以在运行时根据需要进行修改的参数。为了控制加工中心的XTS，它也具备防撞、离心力限制、动态缓冲管理和自动组建等功能。

9.灵活的单个产品输送

XTS 可以单独和相互独立地控制动子。因此，可以同时在同一个 XTS 中执行不同的行程操控。动子将工件从一个站运送到下一个站，并以高精度定位这些工件。动子能够以不同的速度向前行进。在没有加工站的直线段，它们行进得更快，节省时间。它们减速通过 RFID 阅读器，从而让 RFID 标签能够被正确读出。如果工件必须重新进行处理，它们也可以往回运行。在处理系统中，空的动子聚集在仓库前，等待下一个命令。如果队列中有多个动子，一个新到达的动子可以识别到这一点，并自动根据配置的动态参数优化制动操控— 在到达队列尾端之前。一旦第一个动子接收到一个新的命令并离开队列，以同步工件的拾放机器人，队列中的所有动子会根据配置的动态参数向前行进。动子只有当它到达目标位置时才会报告它已经完成了它的行程。当然，每个动子可在任何时候收到一个新的行进命令。碰撞监测系统在所有运动期间永久沿着整个行程轨迹运行。如果工件流有变化，它们首先分开，然后以恒定的速度向下一个加工站运行，彼此之间保持的距离也是恒定的。

10.加工站：钻孔加工

加工中心用不同的孔模对工件进行孔加工。为此，有二个带不同程序的钻孔加工工位可供选择。工位 1 钻小孔，工位 2钻大孔。每个钻孔加工工位有一个钻削主轴和一个进给轴。这两个轴通过采用了单电缆技术（OCT）的 EL7211 伺服电机端子模块控制。许多集成监控功能为通过 I2T 模型计算诸如过压和欠压、过电流、端子模块温度及电机负载等参数提供了最大的运行安全。先进的功率半导体最大限度地减少制动过程中的功耗和并回收功率给中间电路。EtherCAT 端子模块EL9576 用于稳定电源电压。除了电源装置之外，低内部电阻和较高的抗脉冲峰值性能提供了良好的缓冲特性。此外，钻孔加工工位的功耗通过 EtherCAT 端子模块 EL4303 记录，且数据通过功率监测系统进行分析。控制器中集成的状态监测系统确保了钻孔加工设备的可用性。

智能系统提高工艺可靠性、可用性和资源效率

工艺可靠性、设备可用性、可持续的生产和高品质的产品是智慧工厂网络的整体目标。在生产过程级，系统采集数据并实时分析功耗和加工单元的状态以及每个工件的质量。这样也能够实时进行工艺调整。数据通过云服务对整个系统进行分析。系统显示整个生产网络的功耗峰值，并识别潜在的维护需求。

11.通过电力监控提高能效

在 Beckhoff 工业 4.0 模型中，电力监控将重点放在各个系统部件正在使用的电上，以测定总功耗以及功率峰值和功率浪费量。功耗数据通过 EtherCAT 端子模块 EL3403 采集，它也记录任何功率峰值。基于电压（U）和电流（I）有效值，EL3403计算有功功率（P）、功耗（W）和功率因数（cosφ），这样可以在一个生产周期后对不同的操作模式或替代的主要使用时间进行评估。EL3403 中的内部预处理系统提供了过程映像中的值，无需使用控制器的大量处理能力。由于它们每 15分钟就被写入到端子模块的非易失性存储器中，它们甚至在断电后都可用。而且，由于它们还通过 EtherCAT 传输到控制器中，它们可提供用于上位系统，以持续监测功率状态。有了Beckhoff 的 TwinCAT Scope 软件，用户能够对数据进行编译，并得出关于功率峰值和组件功耗增加的结论。TwinCATScope 集成在用户应用程序中，以图表和表格的形式实时显示整个系统和单个系统一段时间内的电压消耗量、电流、有效功率和能耗。用户可以选择时间单位：一分钟、一小时或一天。

12.通过状态监测提高可用性

质量不好或甚至系统停机可能有许多原因引起。其中比较常见的是齿轮机构中的球轴承有缺陷。为了识别这类缺陷，加工站中的钻削工位都配备了状态监测系统。因为有缺陷的球轴承可以通过振动分析识别，轴承配备了振动传感器，其数据通过 EtherCAT 端子模块 EL3632 记录。然后，信号在工业 PC中用 TwinCAT 状态监测软件库中的功能块进行分析。振动首先用快速傅立叶变换算法转换成频域。接着，统计趋势分析表明何时何地可能会发生故障。当球轴承出现磨损迹象，它们通常会发射出调制的冲击脉冲。在较低的频率范围内，它们被正常的振动掩盖，这使得它们难以被检测到。理论上的希尔伯特变换工具基础上进行的一个振幅计算能够在很宽的频域内巩固这些冲击脉冲，识别它们，并将它们分配给旋转或静止的轴承部件。为了排除故障和测量信号异常值，可以使用统计方法和数据集群（如标准偏差和峰度）来推导出合适的决策准则。TwinCAT Scope 以易于理解的方式处理和分析测量结果，并直接将这些测量结果集成到用户应用程序显示屏上。

13.使用适当的测量方法实现质量控制

加工后工件的重量是一个重要的质量标准。如果它与目标重量偏差超过 5％ 时，工件被认为是废品。重量可以通过一个可选的秤来测定。它的负载传感器通过EtherCAT 端子模块EL3356-0010 直接连接到控制器。输入电路以高精度测定电桥电压 UD 和供电电压 UREF 之间的比值，并根据端子模块中的设置将负载值作为过程值进行计算。通过自动自校准，动态过滤器和高达 10 毫秒的扫描速率，端子模块适合用于高精度的缓慢称重过程。

交互式人机界面为用户提供支持

工业 4.0 概念也需要新的、直观的操作界面，使得人类能够更加轻松地 完成他们的日常工作并能够与智能设备进行更有效的互动。

14.先进的多点触控面板带来更多便利

加工系统和拾放 XTS 通过一个适合控制柜安装的 24 英寸多点触摸面板（CP2924）操作。面板的高触摸点密度用于准确、可靠且完全无抖动地实现触摸操作，即使是响应时间较短的最小的控制动作。操作人员可以检查整个系统的功耗或每个钻削工位的状态，即使是戴着薄工作手套也能够进行操作。面板还可以很容易地通过用户界面输入新的命令。此外，操作人员可以使用该面板“飞速”浏览整条生产线，并检查所有参数或使用放大功能来仔细查看细节，如故障信息。

15.控制和诊断 — 可穿戴设备

可穿戴设备 — 即用户将计算机系统穿在他们身上— 有助于使操作人员的工作变得更加简单。头戴式显示器，也可叫做数据眼镜，有了它，用户可以通过读取 QR 码来检查加工站、拾放 XTS 以及整个生产系统的当前功耗。一旦有故障出现，系统还将立即在用户视野中显示故障消息。用户甚至可以确认该消息，并通过数据眼镜复位机器状态。例如，操作人员可以使用该设备“直接”监控机器或甚至采取行动来直接改变或更正机器状态，而不总是需要在现场完成。若要做到这一点，眼镜需要通过 TwinCAT 自动化软件集成到控制技术中，并与基于云的 Web 服务器通信，该服务器提供了有关 TwinCAT 控制的机器的信息。类似这些应用，数据眼镜代表的是用于所谓的社会自动化的一项基础技术。未来的发展可能包括在线调用支持信息（如维护计划）或通过视频聊天与远程专家实时排除故障的能力。

16.控制和诊断 — 移动设备

几乎每一个用户都有一个移动设备，如在他或她随身携带的智能手机或笔记本电脑。有了数据眼镜，用户也可以使用移动计算设备在读取 QR 码或输入网址后查看故障信息和有关系统可用性、功耗和订单状态的当前信息。也可以提供历史数据，从移动设备访问机器的过程也是可行的。

17.整个产品生命周期保持一致的工程环境

TwinCAT 3 自动化软件具有必要的模块化和面向对象的特点。由于 TwinCAT 3 可以集成到 Microsoft Visual Studio?中，自动化对象的编程也可以通过 IEC 61131-3 和 C 或C+ + 编程语言的第三版实现。所得到的对象（模块）可以交换数据并相互调用，不管它们是用什么语言编写的。通过将MATLAB?/Simulink?集成到 TwinCAT 3 中，用户还可以仿真动态系统并针对这些仿真测试控制程序。工作站演示了演示程序中加工系统中所包含的应用程序。测量技术和状态监测等领域的应用进一步说明了TwinCAT 状态监测软件库的使用和 TwinCAT 3 Scope 的集成，以收集、处理和显示数据。从专有的工程工具传输数据的能力为一致开发工艺奠定了基础。Beckhoff 的系统采用 TwinCAT XCAD接口从 EPLAN E-CAD 工具导入数据到 TwinCAT 3 自动化平台中。开发工作站中展示的其它特点是将轴集成到控制程序中并通过甘特图分析周期时间。