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倍福 | 可移動(dòng)青瓷屏扇門:詮釋高科技與歷史的交融

德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司
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  浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的文體旅產(chǎn)業(yè)整體集成方案解決商。在杭州某國(guó)家級(jí)展覽館建設(shè)期間,大豐承攬了智能屏扇系統(tǒng)的開發(fā)工作。從遠(yuǎn)處看,青瓷屏扇就是一副中國(guó)古典山水畫。在多達(dá) 251 樘、每樘均重達(dá)數(shù)噸的青瓷屏扇的同步運(yùn)動(dòng)中,倍; PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。

  

  該展覽館的核心功能為保藏、展示、研究和交流,是一座集圖書館、博物館、美術(shù)館、檔案館等多種場(chǎng)館功能于一體的綜合性場(chǎng)館。其建筑隨山就勢(shì),疏密有致。其中最?yuàn)Z人眼球的還是館內(nèi)的藝術(shù)青瓷屏扇門,它巧妙地將展覽空間與外界相連,既能隨時(shí)優(yōu)雅地打開,又能輕輕合上。每扇門既可以呈折扇式,也可以排成一面平鋪的屏風(fēng),如同宋代的畫屏。經(jīng)過獨(dú)具匠心的策劃設(shè)計(jì),整個(gè)藝術(shù)青瓷屏扇門宛若一幅“千里江山圖”,徐徐鋪展出一幅寬逾五十米的壯麗青綠山水長(zhǎng)卷,引人入勝。館內(nèi)共精心布置了 251 樘青瓷屏扇,使用了約 7 萬(wàn)片純手工燒制的青瓷片。青瓷是該地區(qū)標(biāo)志性的陶瓷藝術(shù)形式,以其獨(dú)特的青綠色釉面著稱,色澤溫潤(rùn)如玉,是宋代(公元 960 年至 1279 年)這一文化最鼎盛時(shí)期極為流行的藝術(shù)品。這幅畫同樣也是這一時(shí)期的作品。倍福基于 PC 的控制系統(tǒng)確保了如此高大沉重的青瓷屏扇的平穩(wěn)開合,在歷史文化與尖端的自動(dòng)化技術(shù)之間架起了一座視覺橋梁。

  控制要求安全、平穩(wěn)、精準(zhǔn)

  早在 2020 年,該展覽館就已經(jīng)進(jìn)入建設(shè)階段。但由于單樘青瓷屏扇最大規(guī)格為 2.1 米 x 10.4 米,厚度為 22 厘米,重達(dá) 4 噸,對(duì)控制技術(shù)的要求非常嚴(yán)苛,因此讓青瓷屏扇動(dòng)起來(lái)的方案推進(jìn)一度陷入了僵局。機(jī)械不僅要安全托起這些青瓷屏扇,還要保證它們?cè)谲壍郎限D(zhuǎn)動(dòng)、平移過程中,不會(huì)因慣性震碎。

  “裝備制造行業(yè)平時(shí)和鋼材打交道比較多,沒看過哪個(gè)項(xiàng)目要對(duì)付青瓷的!”大豐總工程師嚴(yán)華鋒感嘆。此外,瓷片排布的空間密度決定了機(jī)械誤差必須小。按照要求,當(dāng)屏扇轉(zhuǎn)動(dòng)至同一平面時(shí),它們相互之間的距離必須嚴(yán)格控制在 1 厘米以內(nèi)。如果距離太寬,屏扇就會(huì)出現(xiàn)間隙,“千里江山圖”也會(huì)少了一份美感。

  這套由大豐研發(fā)的青瓷屏扇智能機(jī)械系統(tǒng)集運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制、安全監(jiān)控、實(shí)時(shí)同步等技術(shù)于一身。系統(tǒng)嵌入了防晃動(dòng)、疊加拋物線式的加速算法等多種算法,能保證青瓷屏扇平穩(wěn)地“行走”16 條運(yùn)動(dòng)軌跡。據(jù)大豐介紹,設(shè)備的安全控制系統(tǒng)已達(dá)歐盟認(rèn)證的最高標(biāo)準(zhǔn) SIL3 等級(jí)。“我們?cè)谖幕b備領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國(guó)際一流水平。”嚴(yán)華鋒說道。

  強(qiáng)大的 PC 控制系統(tǒng)

  該控制系統(tǒng)的核心是 CX2040 嵌入式控制器,它搭載 Intel® Core™ i7 處理器,配備 4 GB 主內(nèi)存和 Windows 10 操作系統(tǒng)。這一先進(jìn)的 PC 控制平臺(tái),以其卓越的硬件計(jì)算性能,結(jié)合 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件的強(qiáng)大功能,為客戶提供了遵循 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的靈活開發(fā)環(huán)境。結(jié)構(gòu)化文本(ST)、功能塊圖(FBD)和梯形圖(LD)的混合編程,極大地便利了客戶算法程序、邏輯程序的開發(fā)。此外,基于 PLCopen 規(guī)范的 TwinCAT 3 運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)快速實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制功能的開發(fā)。

  

  搭載 Intel® Core™ i7 四核處理器的 CX2040 嵌入式控制器為控制青瓷屏扇智能系統(tǒng)中的眾多伺服軸提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。

  每樘青瓷屏按功能最多需要用 3 個(gè)軸,2 個(gè)軸控制平移,1 個(gè)軸控制旋轉(zhuǎn)。整個(gè)館內(nèi) 251 樘青瓷扇使得每個(gè)控制器需要控制 100 多個(gè)軸同步。大豐使用 TwinCAT NC,通過復(fù)雜凸輪表的方式,給主軸位置指定一個(gè)相應(yīng)的從動(dòng)位置,規(guī)劃了插補(bǔ)位置與速度,完美地達(dá)到了這些控制要求。采用 C# 高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)的上位監(jiān)控軟件,通過 TwinCAT ADS 協(xié)議實(shí)現(xiàn)快速大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)交互。

  EtherCAT 助力實(shí)現(xiàn)高精度伺服控制

  EtherCAT 是迄今為止速度最快的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之一,相比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線,EtherCAT 的數(shù)據(jù)傳輸速率有了極大的提升。青瓷屏扇的運(yùn)行精度因此實(shí)現(xiàn)了得到顯著提升所有伺服軸使用分布式時(shí)鐘功能進(jìn)行控制,以同步系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn),使得整個(gè)系統(tǒng)抖動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)小于 1 μs?刂泼块糖啻善列枰褂3套伺服,3 個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器通過一根網(wǎng)線接到 8 端口 EtherCAT 拓?fù)鋽U(kuò)展模塊 CU1128 的其中一個(gè)端口上。此外,系統(tǒng)還采用了熱連接技術(shù),因此在出現(xiàn)故障時(shí),能夠輕松實(shí)現(xiàn)插拔與更換操作,全程無(wú)需中斷系統(tǒng)運(yùn)行。

  考慮設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性,青瓷屏扇系統(tǒng) 采用了 TwinCAT 3 EtherCAT Redundancy(TF6220)冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)。EtherCAT 電纜冗余功能將設(shè)備整個(gè)形成一個(gè)大的閉環(huán),環(huán)路中的任一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)物理故障或連接故障都不會(huì)影響系統(tǒng)中其他設(shè)備的正常工作,避免了瞬時(shí)電磁干擾對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的沖擊,極大的降低了宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

  

  搭載 Intel® Core™ i7 四核處理器的 CX2040 嵌入式控制器為控制青瓷屏扇智能系統(tǒng)中的眾多伺服軸提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。

  科技文化深入融合趨勢(shì)

  青瓷屏扇可配合使用場(chǎng)景以任意角度自由開合,在層疊變化中塑造深邃優(yōu)雅的視覺感受,同時(shí)它也是該展覽館的點(diǎn)睛之處,并具有極高的安全防護(hù)水平,保障每一位參觀者的安全。作為青瓷屏扇智能機(jī)械系統(tǒng)研發(fā)負(fù)責(zé)人,嚴(yán)華鋒認(rèn)為此項(xiàng)目成功的關(guān)鍵在于科技與文化的深度融合:“外界一般認(rèn)為舞臺(tái)機(jī)械是制造業(yè)。實(shí)際上,數(shù)字技術(shù)和文化創(chuàng)新賦能傳統(tǒng)制造業(yè)的趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯!這次體現(xiàn)國(guó)家級(jí)智造水平的展覽館參建經(jīng)歷,必將是‘大豐’履歷上濃墨重彩的一筆。”

  關(guān)于德國(guó)倍福(BECKHOFF)

  倍福(Beckhoff)是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè),創(chuàng)立于1980年,總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者,倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn),是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、I/O 和現(xiàn)場(chǎng)總線組件、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)化軟件、無(wú)控制柜解決方案以及工業(yè)圖像解決方案既可作為獨(dú)立的組件使用,也可將它們集成到一個(gè)完整的控制系統(tǒng)中,適用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。經(jīng)過40多年的發(fā)展和努力,倍福已在世界各地設(shè)立40家分支機(jī)構(gòu),加上全球的合作伙伴,業(yè)務(wù)遍及75個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

  倍福于1997年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng),中國(guó)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350人,辦事處遍及國(guó)內(nèi)30座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電、鋰電池制造、電子制造、汽車制造、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、煙草機(jī)械、塑料加工、物流輸送、流程工業(yè)以及智能建筑等眾多領(lǐng)域。

  公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于2014年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn),并已入編工信部的《國(guó)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(dòng)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(yù)。倍;赑C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(dòng)化技術(shù)完美融合在一起,為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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