禾川Q1系列標準總線型運動控制器 的特點與應用
文:浙江禾川科技股份有限公司 李波 朱文君 左濤2020年第二期
1 背景介紹
說起工業自動化的系統層產品,我們一定不會繞開可編程序控制器(Programmable Logical Controller),也就是常說的PLC。確實如此,PLC一直是我們在過去數十年里,最為常用的系統控制器,它的發展長盛不衰,從最簡單的邏輯控制,發展到離散型過程控制以及高精密加工的運動控制領域。
工業PC最早于20世紀80年代中期推出,其相比PLC大大提高靈活性,使用戶可以自由地使用預先構建的API編寫自己的溝通驅動程序,并且內置HMI于控制應用程序,減少了對可視化的附加設備的需求。工業PC的出現,使得基于運動控制的智能控制器得到了長足的發展,API架構的特色使得二次開發得到進一步的發揮,使用者并不需要全面掌握復雜的開發語言,而是基于預先設定的API體系來進行適當的二次開發,充分利用已有的數據文件包。
PAC(Programmable Automation Controller)可編程自動化控制器概念被提出,是在20世紀末和21世紀初這一時間段,運動控制需求大幅度提升,且工業PC的二次開發編程方式得到了深入的發展和市場認可。于是,PLC、PC結合在一起并具備完善的運動控制數據包的新型控制器就被孕育了出來,這就是PAC。
1.1 PAC的性能特點
PAC是由美國研究機構ARC(Automation Research Corporation)提出,它的提出旨在解決PLC與工業PC的整合問題,能實現兩者的互補融合,以滿足新一代可編程序自動化控制的需求。
因此,PAC的控制特性可以涵蓋如下五個部分:
i.多領域的功能性:包括邏輯、運動控制、PID控制等,通過函數方式進行軟件編程與表達;
ii.單一的多元化開發軟件平臺:由于PAC是為高階應用而提出的架構,必須相比PLC具備更先進的軟件設計平臺,具備更高效率、更完整的功能整合,而不是未經處理,無法合作的分散式軟件工具;
iii.高階語言開發:IEC61131-3規范,使得工程師能夠輕易地將復雜的運動與過程轉變為實際的程序;
iv.基于工業應用環境下的開發、模組化架構:能夠讓工程師依據工業應用的各種元件配置需求進行模組增加和移除,設計所需的功能;
v.網絡型架構:工業以太網與常用通訊協議支持,并靈活的拓撲結構,融入網絡體系。
表1 ARM與X86架構性能一般性對比
基于上述五個特性,PAC成為了獨立于PLC與PC外的第三種控制器模式,且PAC由于定位在高階控制器,其處理能力必須足夠強大,以涵蓋上述五大特性的要求。常規 的PAC處理器主要基于兩大架構,一個為ARM架構,另一個為X86架構。兩大架構的性能一般性對比如表1所示。
從表1中不難看出,基于ARM架構的PAC在性能的豐富性和深入性上均與基于X86架構的PAC存在差距,當然性價比方面則是ARM架構PAC更勝一籌,從而為廣大的廠商提供了產品RoadMap規劃空間,畢竟只有真正抓住行業應用需求,設計出最具性價比的產品才是真正能夠贏得市場決戰的武器,而不是一味的追求高、大、上。
PAC是由美國研究機構ARC(Automation Research Corporation)提出,它的提出旨在解決PLC與工業PC的整合問題,能實現兩者的互補融合,以滿足新一代可編程序自動化控制的需求。
圖1 Q1系列外觀圖
圖2 Q1系列運動控制功能
圖3 Q1系列CODESYS軟件平臺
1. 2 世界PAC的發展狀況
進入2020年,PAC的發展已經邁向一個更為成熟、更為多遠的時期。在早期PAC概念剛產生時期,率先開發出PAC產品的品牌多為歐美系,特別是基于專業運動控制領域的美系品牌,PAC發展較快,例如AB,Parker等。但隨著PAC概念的深入推廣,歐系品牌的固高軟件開發與基礎能力開始發揮了威力,特別是在與網絡通訊相融合的開發軟件方面,歐系一直是走在世界的前列,從之前的Powerlink搭配KW軟件平臺,到目前風靡全球的EtherCAT搭配CODESYS軟件平臺,均是明顯的例子。在歐系的追趕下, PAC得到了快速的發展,也從X86架構擴展到ARM架構,產生更多適合專用市場的易用型PAC,代表的品牌就是Beckhoff。在這一時期,日系也加快了PAC的發展道路,且日系并沒有一味采用歐系的軟件平臺,而是自主開發軟件平臺來進行推廣,同時也存在完全接受歐系成功軟件平臺的日系品牌,從而發揮了雙方各自的優點,具備代表性的為OMRON的NJ系列產品。
進入21世紀第二個10年以來,特別是在2015年之后,國產PAC取得了長足的進步,國產PAC開始搶占歐、美、日系的市場份額,使得一個更為激烈、更加競爭的PAC時代到來了。
2 禾川標準總線型運動控制器Q1介紹
禾川股份為適應OEM市場激烈的競爭,在伺服產品推廣取得巨大成功的基礎上,打造自己的PAC產品體系,完成方案系統層產品的升級布局,率先推出基于ARM架構的PACQ1系列。
Q1定位標準總線型運動控制器,其主要規格可歸納如下:
i.高速高配:A7*21.2GHz處理器,EMMC+SD+USB3.0+DDR3加速內存,1000BASE-TX支持最大傳輸距離100米;
ii.通訊兼容:EtherCAT/CanOpen/ModbusTCP/ModbusRTU;
iii.高易用性:IEC61131-3規范,CODESYS平臺,從站可達128個,靈活的拓撲結構;
iv. 運動控制:基于 PLC OPEN 標準運動控制,涵蓋直線 / 圓弧 / 螺旋插補 / 電子凸輪 / 飛剪 / 追剪 /CNC G 代碼 /Robot 控制;
v. 工業美學設計:高清點陣顯示,流線指示燈對稱網口。
禾川 Q1 系列 PAC 控制器是真正的總線型運動控制器,不僅具備 PLC Open 規范下的運動控制功能,同時可支持靈活的拓撲結構,完成線型、樹型、星型組網,提供靈活的方案架構,滿足廣泛的 OEM 行業應用需求。
Q1 系列同時采用 CODESYS 的軟件平臺,完全滿足IEC61131-3規范,支持六種編程語言,提供可視化界面編輯窗口,提供錯誤診斷與在線仿真功能,提供數據采集、監控與分析工具,從而保證工程師二次開發的易用性,大幅度提升開發效率與工業控制的靈活性。
Q1 系列重點OEM應用市場
Q1 系列系統架構圖
Q1 系列豐富的通訊協議
3 禾川Q1系列應用案例介紹
Q1系列定位為PAC控制器,其自身的性能對標高階,具備了ARM架構下PAC控制器的所有特點,可廣泛滿足OEM行業領域的應用需求,特別是針對3C電子、光伏電子、鋰電池與包裝機械,Q1具備明顯的優勢,不僅產品性能對標,且是禾川自動化開發團隊完全自主研制,具備極高的性價比,有效提供客戶真正的物美價廉的整套解決方案。
以包裝機械一次性杯裝袋機為具體案例,禾川Q1系列PAC控制器方案架構,通過多軸電子凸輪控制,完美地解決了客戶的工藝需求,有效替換全套日系方案,在保證性能的同時,降低了電控部分的方案成本。該方案下實現的裝袋機工藝特色如下:
i.追剪:逆解追剪曲線,驅動曲柄連桿帶動的追剪刀頭。凸輪曲線根據物料實時計算生成;
ii.色標補償:根據色標反饋,實時調整刀頭位置,實現高精度追剪。
同時,Q1系列搭配禾川X3EB總線型伺服,使得整體方案調試更為便捷,空間最大化節省,伺服周期同步位置模式實時跟隨Q1位置指令,從系統層+驅動層整體來保證方案的性能。
4 結論
隨著工業自動化技術的不斷發展,系統層的產品分類與演化也在逐步的上演。PAC控制器已經成為與PLC、工業PC并駕齊驅的主要系統層產品,而作為未來工業自動化發展的重要力量的中國品牌,其在基本完成驅動層產品的布局和推廣后,也加快了在系統層產品投入、開發與推廣的步伐。
禾川股份作為近年來高速發展的中國自動化品牌,在產品的研發和規劃上具備高度前瞻性,率先布局PAC控制器,并推出禾川標準總線型運動控制器Q1系列,成為一款基于ARM架構下的強有力PAC產品,其所搭配的禾川總線型伺服X3EB,實現了高性能EtherCAT整體解決方案,必將在工業自動化市場發展的進程中留下濃厚的一筆。
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