Beckhoff自动化技术在工程机械自动化物流生产线中的应用

• 关键词：Beckhoff,机械
• 摘要：随着计算机技术和自动化水平的提高，制造行业对生产制造自动化和现代化工厂的要求越来越凸显。目前，汽车制造行业、烟草制造行业和仓储物流行业的自动化程度较高，而其它工程机械行业多数仍然采用传统工厂人工行吊运输工件的模式，随着各方面需求的增加，工程机械行业对生产制造自动化的要求更为迫切。

　　昆山华恒介绍
　　昆山华恒焊接股份有限公司主营业务为焊接自动化装备的研发、生产和销售。作为焊接自动化整体解决方案提供商，公司产品主要包括焊接机器人成套设备、焊接自动化专用设备和全位置管焊设备。经过十多年的发展，公司目前已形成集设计、研发、工艺技术、单元产品、成套装备、自动化生产线以及售后服务在内的完整产业链，成为焊接自动化领域在技术、品牌等方面具有较强竞争优势的企业。

　　随着计算机技术和自动化水平的提高，制造行业对生产制造自动化和现代化工厂的要求越来越凸显。目前，汽车制造行业、烟草制造行业和仓储物流行业的自动化程度较高，而其它工程机械行业多数仍然采用传统工厂人工行吊运输工件的模式，随着各方面需求的增加，工程机械行业对生产制造自动化的要求更为迫切。
　　昆山华恒针对这种需求，进行了大量的研发工作。2010年4月，昆山华恒自主研发了直角换轨RGV运载小车，实现了小车的自动换轨。此后，又将小车与机器人工作站结合打造出具有自主知识产权的柔性RGV物流生产线，并成功应用于三一重工临港新厂区的结构件焊接车间，实现了动臂、挖斗、斗杆、上车架和下车架等几大结构件的自动化生产，改变了工程机械行业传统工厂的运输方式和生产方式，极大地提高了工厂的自动化程度，很好地推动了现代化工厂的发展。目前，二十几条这种RGV物流生产线已经在三一重机临港产业园投入生产。
　　在其柔性RGV物流生产线中，华恒公司全面应用了Beckhoff的自动化产品，包括面板式工控机、嵌入式控制器、伺服驱动器和电机、TwinCAT软件，现场总线产品及各种I/O模块，并采用了CU8890作为其无线通讯解决方案。整个项目成为Beckhoff公司在工程机械行业自动化生产车间领域的典型成功案例。
　　自动化物流生产线主要包括轨道、RGV（Rail Guide Vehicle）搬运小车、机器人工作站、DCS（Distributed Control System）自动调度系统和LCS上位机管理系统等5个部分。在DCS控制系统的调度下RGV小车可以全自动完成上下料过程，无需人工干预。同时LCS上位机管理系统将工件信息、完工情况等信息与MES系统对接，完成了生产制造过程中的信息流转。
　　直角换轨RGV小车的控制要求
　　作为柔性物流生产线的主要搬运工具，RGV小车要尽量做到结构紧凑、较高的运送速度（达到20m/min）、行走平稳、定位精度高（<1mm）等。我们的嵌入式控制器、EtherCAT端子模块和高动态、高实时性的伺服系统完全可以满足这些要求。

　　Beckhoff嵌入式控制器－－-RGV小车的控制核心
　　CX5010嵌入式控制器安装在RGV小车控制柜内的DIN导轨上，负责直角换轨RGV所需的所有控制功能。CX5010集成了Beckhoff 公司NC级别的自动化软件TwinCAT PLC NC PTP。“之所以选择CX5010嵌入式控制器，主要是因为它的功能强大、接口丰富、结构紧凑。它是一款适合安装在DIN导轨上的嵌入式控制器，跟传统的PLC相比，它可为我们节省大量的空间。另一个优点是，Beckhoff总线端子模块系统支持各种现场总线，例如CANopen和Profibus，因此能够确保它与不同外围设备之间有良好的兼容性。”华恒焊接电气自动化组组长王威说道。除了硬件上的优势之外，TwinCAT软件的易用性和强大的功能块库也给华恒的电气开发工程师留下了深刻的印象。“TwinCAT PLC软件中提供的这些功能模块给我们带来了很大的优势。因为很多控制任务无法用标准的控制器实现，而这些模块的使用为我们节约了大量的项目工程开发时间。”华恒的电气工程师李芳如是说。

　　借助 Beckhoff 驱动技术实现高精度的定位
　　直角换轨RGV小车需要在多个工位实现精确换轨，因此对定位精度有比较高的要求，要控制在1mm以内。为了达到定位精度要求以及基于节省空间的考虑，华恒公司选用了Beckhoff的高性能伺服驱动器AX5000和AM3000伺服电机。TwinCAT NC PTP用于控制驱动系统，实现RGV在主、副轨上的精确、高速行走及Z轴的回转，取代了传统的定位模块和 NC 控制器。“小车可在主副轨任意设置站点，其位置可在RGV中灵活设置，无需更改程序，配置灵活，使用方便，”王威说。另外，RGV小车上还配置了一个Profibus主站模块EL6731，该模块下面带2个Profibus DP扫描头用来读取主、副轨上的条码以确保在RGV小车的轮子和导轨之间出现滑动时也能准确安全地实现换轨。

　　EtherCAT总线实现DCS控制台的分布式控制
　　在该柔性RGV自动化物流生产线上，DCS自动调度系统起着中枢神经系统的作用。它既要通过分布式的I/O获取各个机器人焊接工位的请求信号、液压夹具的装夹完成信号和料台的工件到位信号，还要控制和调度小车进行上、下料。
　　DCS控制台选用的是CX5020嵌入式控制器，各工位和料台的信号通过 Beckhoff 的 EtherCAT 端子模块进行检测。每个工位处用一个EtherCAT 耦合器 EK1100 通过 EtherCAT 总线系统将该工位处的EtherCAT端子模块连接至CX5020。“选用 EtherCAT 作为系统现场总线，提高了设备的性能：加快了信号捕获速度，优化了设备周期时间。 EtherCAT 除了具有性能卓越的优点之外，还具有处理速度快、可靠性高等特点，采用标准的 CAT5 电缆布线，布线工作更加简单，从而也可显著降低成本。”华恒电气工程师刘晓兰说道。

　　无线通讯方式实现RGV和DCS之间的通讯
　　无线网络以其灵活性高、连接简捷、调试快速等特点，目前已在工业自动移动设备上得到越来越多的应用。RGV小车自身控制器CX5010与DCS调度系统的主控CX5020之间，就是通过Beckhoff公司的WLAN控制器CU8890作为客户端接入车间内的无线网络热点来进行通讯的，减少了布线，节约了空间，提高了整个车间的美观度。CU8890是一款工业级数据交换设备，可根据具体的环境自由选择天线。传输速度快，达到54 Mbit/s，传输距离最大可达300米，数据传输带宽大，适合大量数据的通信。由于车间内的RGV、DCS以及其他设备的控制器都接入到同一个局域网中，生产线与生产线之间的信息交换也很方便的实现了。另外，这对于将来全自动生产车间的打造是一个很好的基础和铺垫。

　　其他设备上的Beckhoff产品和技术应用
　　此外，在自动化物流生产线中的辅助设备，如吊装机和翻转机等，也均采用Beckhoff的工控机或嵌入式控制器和端子模块，以及运动控制产品，这样在统一的Beckhoff软硬件平台上，无缝连接成为一整套生产控制系统，符合CIMS和FMS的概念。

　　自从2006年底华恒公司在一些非标设备上使用Beckhof的产品开始，双方的合作越来越深入和广泛：从新一代的焊接电源、管焊专机到现在的自动化物流生产线以及正在开发中的AGV小车等都采用了Beckhoff的自动化解决方案。“Beckhoff基于PC的自动化平台所具备的开放性和灵活性为华恒在未来拓展应用范围提供了广阔的空间。” 华恒焊接工程技术中心副总经理朱伟感叹道。“基于PC的控制技术所具备的超强的处理能力也能够满足越来越高的控制要求。”