全球電動汽車市場的快速增長需要特別高效的鋰離子電池制造工藝。Manz 公司的 BLS 500 激光焊接系統(tǒng)可以通過高精度的焊接方式將單體電池連接成電池模組。Manz 的圖形化編程工具和虛擬調(diào)試工具，以及倍福基于 PC 的高速控制技術(shù)以及基于此技術(shù)實現(xiàn)的連續(xù) OPC UA 通信確保了高效率的生產(chǎn)。
高精度高效率的自動化鋰離子電池模組生產(chǎn)線
Manz AG 總部位于德國羅伊特林根市，是一家全球領(lǐng)先的高科技設(shè)備制造商，專精于電動車、動力電池、電子裝置、能源和醫(yī)療器械生產(chǎn)設(shè)備整體解決方案。其產(chǎn)品系列包括定制化的實驗室生產(chǎn)設(shè)備或試點和小批量生產(chǎn)設(shè)備以及針對批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化模塊和系統(tǒng)以及交鑰匙生產(chǎn)線。因此，公司對設(shè)備配置的自動化技術(shù)的靈活性和性能要求特別高，比如單體鋰離子電池和電池系統(tǒng)以及電容器生產(chǎn)設(shè)備。
項目參與者在 BLS 500 前（從左到右）：倍福銷售和系統(tǒng)咨詢工程師 Oliver Heilig，Manz 市場營銷和企業(yè)傳播負責(zé)人 Axel Bartmann，Manz 軟件核心設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)主管 Stephan Lausterer，倍福汽車行業(yè)經(jīng)理 Jörg Rottkord 和 Tilman Plaß，以及 Manz 流程開發(fā)人員 Felix Röckel
可根據(jù)應(yīng)用需求定制的激光加工平臺
全新的電池激光系統(tǒng)（BLS）500 就是最好的例子，它是一個靈活的用于完成鋰離子電池生產(chǎn)中的各種激光工藝的加工平臺。它配備標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備底座，既可以作為一個手動裝載工件的單個系統(tǒng)獨立運行，也可以作為集成式生產(chǎn)線的一部分，實現(xiàn)高精度激光焊接，以及激光切割和鉆孔，或移除部分材料。
在實驗室場景的 BLS 500 的應(yīng)用中，一個由若干個圓形單體電池組成的電池模組被手動插入到設(shè)備中，但除此之外，其余步驟全部都是自動完成。然后通過激光將單個電池焊接到接觸元件上。圖形化編程工具 Smart Laser Assistant 使用底層電池模組的 CAD 數(shù)據(jù)創(chuàng)建相關(guān)配方，即所有焊接點的最佳路徑計算，以及每種情況下的合適激光功率。Manz 公司軟件核心設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)主管 Stephan Lausterer 在介紹其明顯的應(yīng)用優(yōu)勢時說道：“我們的編程工具可以幫助 BLS 500 更輕松地適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，即不同的電池類型和模組格式。”然后可以在 Manz 的虛擬調(diào)試工具中方便地檢查結(jié)果，并且不僅如此，他補充道：“使用該模型可以在設(shè)備真正進行機械安裝之前事先詳細和真實地測試控制程序，從而加速和簡化調(diào)試流程。此外，通過圖像處理功能比較電池包的 CAD 數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)，并將焊接過程中的所有偏移值計算在內(nèi)，以實現(xiàn)高精度加工。所有這些方面都可受益于 TwinCAT 控制軟件，它集成了方便、強大的 OPC UA 功能。”
基于 PC 的控制技術(shù)的系統(tǒng)優(yōu)勢
近年來，Manz 公司越來越重視靈活、高性能的控制技術(shù)，正是這一點最終促成了我們與倍福的合作，至今已持續(xù)了 10 多年。Stephan Lausterer 對此做出了詳細的解釋：“一開始，Manz 開發(fā)了自己的控制技術(shù)；但由于機械工程越來越多地使用電子元器件，并且該領(lǐng)域的創(chuàng)新周期又特別快，自行開發(fā)變得越來越困難。因此，我們決定尋找一個專業(yè)的控制系統(tǒng)供應(yīng)商合作。我們根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)評估了多家供應(yīng)商的產(chǎn)品和技術(shù)，最終結(jié)果證明，基于 PC 的控制技術(shù)是最符合我們需求的解決方案，尤其是基于 PC 的解決方案具有靈活、開放并可精確擴展的系統(tǒng)架構(gòu)。此外，吸引我們的還有倍福的創(chuàng)新實力，那時我們就已經(jīng)非常重視創(chuàng)新。”
各種防護等級為 IP20 的 EtherCAT 端子模塊和防護等級高達 IP67 的 EtherCAT 端子盒（此處為BLS 500 配備的 EP2338 和 Ep5101）幫助 Manz 實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計
倍福汽車行業(yè)經(jīng)理 Tilman Plaß 從自動化的角度補充說道：“基于 PC 的控制技術(shù)可以很好地滿足 Manz 系統(tǒng)的高要求，比如使用我們的控制技術(shù)可以實現(xiàn)較短的周期時間，以及涵蓋整個應(yīng)用所有過程的邏輯，這一點尤其可以加快規(guī)格切換速度。全面的 TwinCAT 軟件功能以及 OPC UA 通信從兩個方面帶來了更多優(yōu)勢。例如，Manz 作為 TwinCAT 3 的早期用戶，可以為我們提供重要的用戶反饋信息，這也是雙方合作的一部分。”
BLS 500 控制器的硬件核心是一臺 C6030 超緊湊型工業(yè) PC，Stephan Lausterer 在描述其主要優(yōu)勢時說道：“C6030 非常適合用于像這樣安裝空間有限的應(yīng)用。此外，它搭載 Intel® CoreTM i7 處理器，為設(shè)備控制和可視化提供了足夠的計算能力，并且能夠滿足未來的應(yīng)用需求，尤其值得一提的是，倍福正逐步集成合適的新一代處理器，在超緊湊工業(yè) PC 系列中推出擁有更多接口的型號，如 C6032。”Stephan Lausterer 認(rèn)為，從另一個角度來看，這款多功能工業(yè) PC 也為他們帶來了很大的優(yōu)勢：
它可以顯著簡化采購和倉儲工作。這也適用于對我們 Manz 公司來說非常重要的整個軟硬件測試工具鏈。所有軟件都使用虛擬機以及真實硬件進行測試。”
總而言之，TwinCAT 自動化軟件很好地滿足了 Manz 的要求，Stephan Lausterer 證實道：“TwinCAT 集成在 Visual Studio® 中也讓我們獲益匪淺，因為我們的軟件團隊中也有多名高級語言程序員。除此之外，通過各個編程語言的編輯器以及安全編輯器、TwinCAT Scope 和 TwinCAT HMI 等各種功能還能提高整體靈活性。我們認(rèn)為，這種高集成度是 TwinCAT 的獨特賣點。”使用 C++ 語言和 TwinCAT 3 NC PTP、NC I 和運動學(xué)變換功能模塊可以非常方便地編程和仿真運動控制系統(tǒng)，然后在實時環(huán)境中作為 TcCOM 模塊運行。此外，TcCOM 概念可以更輕松地重復(fù)使用程序代碼，并對知識產(chǎn)權(quán)提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo。
C6030 超緊湊型工業(yè) PC 作為 BLS 500 的強大控制核心，只需很小的安裝空間
通過 OPC UA 實現(xiàn)上位通信
Manz 除了使用 EtherCAT 實現(xiàn)設(shè)備過程本身的高速通信之外，即工業(yè) PC 和 EtherCAT 端子模塊或驅(qū)動器之間的通信，還采用 OPC UA 交換整個 BLS 500 的數(shù)據(jù)。包括將相機圖像傳輸給 HMI，集成到上位系統(tǒng)，以及雙向通信等任務(wù)都通過 TwinCAT 3 OPC UA（TF6100）功能組件實現(xiàn)。虛擬調(diào)試工具也通過 OPC UA 與 TwinCAT 控制器交換數(shù)據(jù)。在這方面，Tilman Plaß 指出了以下幾點：“OPC UA 的通信范圍極為廣泛。Manz 很早就認(rèn)識到了標(biāo)準(zhǔn)化、安全以及獨立于供應(yīng)商的通信所具備的優(yōu)勢，并大規(guī)模地使用了高性能的 TwinCAT OPC UA 服務(wù)器和客戶端。”Stephan Lausterer 證實了這一點：“幾乎所有的外部通信都通過 OPC UA 實現(xiàn)，無論是我們的工業(yè) 4.0 產(chǎn)品還是客戶應(yīng)用。對于不支持 OPC UA 的第三方組件，則可以使用 TwinCAT 3 TCP/IP（TF6310）功能組件或 XML 服務(wù)器（TF6421），這也充分顯示了基于 PC 的控制系統(tǒng)的開放性。”
除了獨立于制造商之外，IT 安全性對 Manz 來說也是一個很重要的方面。OPC UA 在方面有明顯的優(yōu)勢，即通信堆棧中已經(jīng)集了相應(yīng)的安全機制，這意味著從一開始就已經(jīng)提供了必要的安全性能。Stephan Lausterer 認(rèn)為，安全性在未來會成為越來越重要的話題。另一個好處是，倍福作為 OPC UA 技術(shù)的早期踐行者，已經(jīng)很就在控制端實施了 OPC UA 客戶端。Tilman Plaß 也證實了這一點：“倍福早在 2014 年就已經(jīng)展示了通過 SOA PLC（SOA = 面向服務(wù)的架構(gòu)）實現(xiàn)的 TwinCAT 3 應(yīng)用場景，它結(jié)合了邏輯功能和 OPC UA 服務(wù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)一致、安全和標(biāo)準(zhǔn)化的通信。”
由圓形單體電池構(gòu)成的鋰離子電池模組的例子
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術(shù)的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
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