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    Vogelsang & Benning 是一家專業(yè)生產(chǎn)全自動和/或半自動工業(yè)產(chǎn)品下線檢測設(shè)備的公司。自 1983 年成立以來，該公司已經(jīng)為眾多工業(yè)應(yīng)用、傳動技術(shù)和機械工程的實施提供了專門的檢測系統(tǒng)。針對為轉(zhuǎn)向助力器電機最新研發(fā)的裝配和檢測線，Vogelsang & Benning 選用了 Beckhoff 基于 PC 和 EtherCAT 的自動化解決方案。
  
                  
                                     圖1：完整的裝配線

   傳統(tǒng)的汽車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正逐漸被電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所取代。一套完整的伺服裝置（SU）由一臺永久勵磁同步電機和電子控制單元（ECU）組成，電機在出廠前必須進行綜合檢測。整套裝配和檢測線由一個螺釘緊固模塊、閃存程序下載模塊和一個集成了搬運模塊的氣密性與性能檢測模塊。電子控制單元和電機通過螺釘模塊擰在一起，應(yīng)用軟件閃存程序下載模塊下載到的電子控制單元（ECU）中。然后進行氣密性檢測和性能與噪聲檢測。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是關(guān)系到汽車行駛安全的重要零部件，因此，必須特別注意數(shù)據(jù)的備份與存檔，所有的檢測參數(shù)、設(shè)定值和測量數(shù)據(jù)必須都是可追溯的。必須保證每個檢測試件標識的唯一性，并將其相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在一個獨立的中央文件服務(wù)器中。

   檢測系統(tǒng)的自動化改造要求通過不同的接口將來自不同制造商的組件集成在一起：檢測模塊負載組有一個 PROFIBUS 接口。檢測試件的控制裝置通過 FlexRay 總線系統(tǒng)激活，而 FlexRay 網(wǎng)關(guān)則通過 Ethernet 激活。諸如掃描儀、閃光器或氣密性檢測儀等其它設(shè)備則通過串口與主控計算機通訊。
  
               
                         圖2：靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，種類繁多的總線接口

   EtherCAT 用作上位總線系統(tǒng)

除了 EtherCAT具有高性能和過程值的精確分布式時基同步的特點之外，選擇它作為基本總線系統(tǒng)的另外一個主要原因是前面所提到的接口可用作本地分布式 EtherCAT 設(shè)備。此外，最終用戶的一個重要要求是：在設(shè)備數(shù)量增加時能夠通過擴展總線的方式添加新的模塊。通過分布式配置上述接口（見圖 1），能夠在僅增加少量布線和安裝成本的前提下滿足這一要求。過去所采用的多通道接口卡需要敷設(shè)數(shù)米長的串行電纜，而現(xiàn)在，所需的電纜長度被大大縮短，從而也極大限度地降低了干擾敏感度。

               
                        圖3

     裝配和檢測流程詳情

   在第一階段，電機和控制單元通過螺釘擰在一起，聯(lián)接主軸和螺絲刀通過 PROFIBUS 控制。帶串口的掃描儀檢測試件的 DMC 代碼，以便進行必要的材料跟蹤和數(shù)據(jù)庫存檔。在下一階段，固件通過閃存模塊（也是串行）加載到電子控制單元（ECU）中，而搬運系統(tǒng)（PROFIBUS）則將被轉(zhuǎn)移到下一個模塊。材料跟蹤通過串行掃描儀實現(xiàn)。該階段使用了一個 EtherCAT 交換機端子模塊，通過一個可選的 FlexRay 網(wǎng)關(guān)直接設(shè)置 ECU。之后，與網(wǎng)關(guān)的連接在 EtherCAT 系統(tǒng)的非循環(huán)通訊插槽內(nèi)作為純 TCP/IP 通訊建立。

   檢測模塊檢測轉(zhuǎn)向助力器電機的下列主要特性：

| 螺紋緊固件相互之間的緊密度
| 各種轉(zhuǎn)矩負載檢測和速度檢測
| 不同運行條件下的噪聲檢測
| 所有參數(shù)和完整的 ECU 功能檢驗

   使用標準的 EtherCAT 端子模塊記錄測量值

   試件通過 FlexRay總線設(shè)定一個默認的轉(zhuǎn)矩，即使是在有負荷（變頻器控制負載測試機）的情況下也要保持較高的測量精度。在恒定的速度下以每秒 1000 個測量值的采樣速率不斷地對轉(zhuǎn)矩進行測量，并利用快速傅里葉變換（FFT）分析轉(zhuǎn)矩偏差。為了確保分析的可靠性，必須在絕對時間和/或角度同步期間記錄測量數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)矩）。以前，記錄該測量值需要昂貴的專用儀器，但現(xiàn)在，該過程可以通過具有分布式時鐘功能的標準 EtherCAT 端子模塊（計數(shù)器端子模塊和模擬量輸入）實現(xiàn)。分布式時鐘能夠使測量同步，并能夠精確到納秒，從而為快速傅里葉變換提供必要的測量數(shù)據(jù)時間相關(guān)性。轉(zhuǎn)矩偏差然后在頻率-振幅頻譜中以圖形方式顯示。測試結(jié)果和 DMC 代碼一起保存在數(shù)據(jù)庫中。

   帶有分布式時鐘的 EtherCAT系統(tǒng)的性能詳見圖 2，詳細記錄了兩個 EtherCAT 同步的邊緣變化。兩個裝置的分離通過 300 個 EtherCAT 節(jié)點和長度為 120 m 的電纜實現(xiàn)。同步控制邊緣變化的同時性約為 15 納秒（ns），抖動為 ±20 ns。
  
               
                   圖4：通過分布式時鐘實現(xiàn)納秒級精度和同步；長期記錄兩個設(shè)備的信息

   ADS 能夠在幾毫秒時間內(nèi)傳輸所有的測量數(shù)據(jù)記錄

   首先對測量值和校準值進行分析和可視化，再通過由 Vogelsang & Benning 用 C++ 編程語言開發(fā)和實施的 METIS 軟件進行測試，然后存檔測試結(jié)果。TwinCAT 控制器的接口是 ADS，是一個方便的路由器接口，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、控制和診斷。與以前 PLC 中的數(shù)據(jù)模塊處理不同，它具有良好的集成性能和方便的命令接口（如用于切換運行方式），能夠更輕松、更高效地實現(xiàn)通訊。所有的測量數(shù)據(jù)記錄都由 PLC 在幾毫秒的時間內(nèi)傳輸給 METIS 軟件。ADS 嵌入在 TCP/IP 協(xié)議中，便于遠程維護，METIS 軟件的必要設(shè)置被減至最低。
  
                       
                                圖5

   一項具有開拓性意義的解決方案

    “我希望我們能夠讓更多的客戶安裝我們采用了 Beckhoff 技術(shù)的檢測系統(tǒng)。”上述檢測線的項目經(jīng)理和程序員 Robert Biletic 先生如此說道。“與過去采用的方案相比，這個方案給我們帶來了實實在在的好處。首先，采用上述分布式現(xiàn)場總線接口（EtherCAT 設(shè)備）能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)備選擇。另外，由于采用高級語言（結(jié)構(gòu)化文本，ST）和實例概念提升了軟件模塊的復(fù)用性，PLC 編程變得更加高效和經(jīng)濟。TwinCAT 系統(tǒng)管理器和內(nèi)置實時示波器軟件具有很強的診斷功能。集成的在線可視化軟件能夠更加快速、輕松地找出并修正布線錯誤，甚至是在沒有 PLC 程序，只有系統(tǒng)管理器的情況下。示波器軟件有助于調(diào)整和優(yōu)化各種控制器。EtherCAT 是一種非常有效的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，讓我們能夠?qū)藴实?I/O 端子模塊用作高精度測量值的記錄層。這不僅節(jié)約了成本，而且所有測量操作都可以通過軟件完成。該技術(shù)已為我們所專有，只需簡單調(diào)整，即可方便地應(yīng)用到其它檢測設(shè)備中。”
   除了 EtherCAT具有高性能和過程值的精確分布式時基同步的特點之外，選擇它作為基本總線系統(tǒng)的另外一個主要原因是前面所提到的接口可用作本地分布式 EtherCAT 設(shè)備。此外，最終用戶的一個重要要求是：在設(shè)備數(shù)量增加時能夠通過擴展總線的方式添加新的模塊。通過分布式配置上述接口（見圖 1），能夠在僅增加少量布線和安裝成本的前提下滿足這一要求。過去所采用的多通道接口卡需要敷設(shè)數(shù)米長的串行電纜，而現(xiàn)在，所需的電纜長度被大大縮短，從而也極大限度地降低了干擾敏感度。