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倍福张力控制解决方案

倍福科技自动化技术总览

高速I/O数据采集

快速网络通信(EtherCAT)

高性能工业PC

实时控制内核(TwinCAT Runtime)

XFC极速控制

IEC61131-3 C/C++ 运动控制PTP/NCI/CNC

Matlab

2. Beckhoff科技自动化支撑技术

3. Beckhoff 科技自动化开发平台

虚拟仪器 状态监控 快速原型 先进控制 4. Beckhoff科技自动化技术方案

TwinCAT

1. Beckhoff科技自动化技术特点开放性、先进性、实时性

。。。。。。

倍福科技自动化的支撑技术－PC控制技术

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PC控制技术是科技自动化的核心

1. 基于高性能工业主板的工业级 PC

2. 与微软合作推出嵌入式PC

3. 可支持多达4核的Intel CPU多个工程在不同核中运行可以任意定义每个核的时基

4. 大容量高速存储(RAM和固态硬盘)，内存容量方面无限制

5. 与时俱进的运算处理速度(Win/Intel)

6. 采用Windows(32/64 bit)环境，能方便地利用丰富的软件资源（如：Matlab、Labview…）

科技自动化的软件基础：实时多任务操作系统Runtime

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实时性：50us

分优先级的多任务

开放性，提供了丰富的接口供第三方调用

模块化的封装，可以重复使用，移植性好

模块之间可以协同工作，参数相互调用

• IEC 61131-3

• C/C++

• Matlab/Simulink

倍福科技自动化的支撑技术－扩展的实时多任务内核(XAR)

倍福科技自动化的支撑技术－ EtherCAT 实时以太网

EtherCAT 一网到底，协议处理直达I/O层,无需任何下层子总线

通讯完全在硬件中完成—最优性能（+可预测）

具有分布式时钟，各从站的同步精度达1us

出色的诊断功能

完全兼容现有以太网

Master

Ethernet Header ECATHDR PLC Data NC Data Data n Ethernet

HD

R 1

HD

R 2

HD

R 2

科技自动化网络的开放性－远程控制、集成数据库、OPC、WebServer

使用开放的通讯标准：ADS（自动化设备规范）

通过标准的 Windows 机制访问 ADS：ActiveX 控件、DII、.Net、ASP、OPC

灵活多样的通讯方式：查询式、事件触发

在Windows平台下，可方便地与数据库集成

集成WebServer，支持过程控制 ADS via HTTP

ADS via TCP/IP

ADS via serialconnection

ADS via fieldbus

ADS via HTTPADS via HTTP

ADS via serialADS via serial

ADS via HTTPADS via HTTP

ADS via TCP/IP

ADS via serialADS via serialADS via serialADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbusADS via fieldbus

via TCP/IP

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倍福科技自动化的支撑技术－ I/O模块

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1. 产品系列全，多达400多种，覆盖所有的信号：

数字量输入/输出

模拟量输入/输出(电流、电压)

特殊信号：温度、重量、压力、振动、高速计数、脉冲输出…

2. 支持XFC功能的I/O 具有时间戳

高速:1us跳变响应

超采样:100K

3. 高精度:高达24位模拟量模块

4. 运动控制I/O

5. 集成安全控制的I/O，符合通用安全标准EN61505、EN954、ISO13849

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分布时钟

时间戳

超采样

极短的循环周期

倍福科技自动化的支撑技术－极速控制技术XFC

倍福科技自动化的开发平台－扩展的自动化开发平台TwinCAT 3

TwinCAT 3 标准: 基于Microsoft Visual Studio 内核 集成了System Manager 集成了Integrated IEC 61131-3 (3rd) 集成了Safety PLC 集成了C/C++编程 集成了Matlab Simulink接口

支持第三方软件开发平台

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TwinCAT 3 Runtime

TwinCAT 3 Engineering Environment (based on the MS Visual Studio 2010)

System-Manager: IO PLCMotion Control C/C++ Safety others

programming environment

IEC61131

Object oriented

extensions

Matlab /Simulink

Realtime Workshop

Thir

d p

arty

C p

rogr

amm

ing

too

l

TwinCAT Transport Layer - ADS

C /C++

C# /.NET

real timeNon real time

IEC Compiler Microsoft C Compiler

倍福科技自动化的开发平台－ C/C++ 编程语言

C/C++通用流行的编程语言，符合语言标准(C:

ISO/IEC 9899 TC3)

面向对象，可重复利用性好

C/C++ 和 PLC 代码可以交互协作执行

基于(CE, XP…)的Real time 应用平台

倍福 SDK 提供的功能(类似 PLC库) ADS Motion File IO ….

应用领域 图像处理 机器人 仪器测控 …

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全面集成的运动控制功能

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倍福科技自动化的开发平台－从 PTP 到 机器人的运动控制

倍福科技自动化的开发平台－运动控制架构

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Sof

t-SP

SLa

yer

LIGHTBUS

Pos Ctrl Limit

Velo Preset Scale & Limit

Pos Meas.

SP

+++-

Sof

t-Mot

ion

Laye

rFi

eldb

usLa

yer

Driv

esLa

yer

PLCC/C++

NC PTPNC ICNC

IO

倍福科技自动化开发平台 －科学研究的强大仿真平台

TwinCAT3/Matlab/Simulink

对复杂的控制系统可以建模、仿真达到

最优化控制

图形化编程, 可以使用C/C++语言进行混

合编程

众多的工具箱可以加快编程及应用 (电气

,机械,…)

控制系统的快速原型

仿真

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TcCOM-Modul• exampleW32.dll for CE• example.sys for NT/XP• example.tmc

Simulink-Model

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倍福科技自动化开发平台 －科学研究的强大仿真平台

基于PC的倍福科技自动化产品系统架构

Scientific Automation

CP68xx | CP78xxC69xx

DVI

USB

Safety devices

Measurementdevices

All “CPUs”

EtherCAT I/O System

Robot System

Control Panel

Central IPCControllerVision

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张力控制的应用场合

很多行业和场合都需要张力控制：光伏行业中的线切割设备，纺机，电子制造设备，印刷设备，纤维缠绕设备等，电容镀膜及分切等设备，轧钢，拉丝，

….

张力控制解决方案

张力控制是先进制造的基础技术之一：

张力控制的性能直接决定产品的质量和生产的效率。现代卷绕设备追求高速、高精度，所以张力控制技术极其重要。

张力控制的特点：

1 张力控制理论及模型相对比较复杂；

2 张力控制要求很快的相应与调整；

3 系统对鲁棒性要求高

诸多机电张力设备结构复杂、影响因素众多，在不同情况下系统参数存在着较强的耦合性、非线性、时变性和不确定性，所以也成为设备控制的难点之一。

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张力控制解决方案

张力的形成原理及控制方式

张力的形成原理：

运动物体中的张力是由于物料长度方向存在着速度差，使得物料的不同部分产生相对位移（或形变），而产生存在于物料内部的一种内应力。

根据虎克定律有：

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由此可见，恒张力控制问题实质上就是恒速度控制问题，因而张力控制系统也可以理解为速度同步及跟踪系统

有 ΔF=ΔV/ΔL

即速度的波动是张力波动产生的最根本原因。

张力的形成原理及控制方式

张力的控制方式

根据不同的应用要求，有基于力矩的开环和闭环张力控制，也有基于速度的开环及闭环张力控制

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基于力矩的开环控制 基于力矩的闭环控制

张力的形成原理及控制方式

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基于速度的闭环控制(Dancer)

张力的形成原理及控制方式

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在测量过程中，测量辊固定不动，Load Cell直接测量被控对象的张力大小，并将传感器所测得数值反馈到控制器进行实时控制；

负载测量型张力测量辊适合应用于被控对象 材料比较重及活动空间有

限的场合；

另外，测量辊安装精度，Load Cell分辨率，A/D转换时间是影响控制精度

的关键因素；

由于负载测量型的张力辊固定，不能吸收张力峰值波动， ，其通常应用于

运行速度较慢或动态性能要求不高的生产线设备中。

张力控制---- Load Cell的特点

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该功能块支持多主轴(Master1,Master2,Master3…)耦合：TensionIput1: 实测张力值；LoadCell_CTL1: LoadCell_CTL 的结构体，包括一些Kp等参数的赋值；AxisEX1：参与同步的主轴结构体；AxisEX2：参与同步的主轴结构体；AxisW1：收/放卷轴；TorAdditive：力矩前馈控制输出值，提高加减速阶段的动态响应能力。

张力控制软件架构---- Load Cell

Dancer机构在张力有发生变化趋势时就去调整前后级的速度差，通过浮动辊的位置移动，来迅速保持张力的恒定。

这比Load Cell张力检测机构在检测到张力变化后再作调整，快捷的多。

另外，Dancer式机构还有一个最大的优点，其本身就是一个储能机构，利用其自身的冗余作用，对大范围的张力跳变具有吸收和缓冲作用。

即使Dancer位置有瞬间跳动，张力却能够保持恒定。

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张力控制-----Dancer的特点

软件架构

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该功能块支持多主轴(Master1,Master2,Master3…)耦合：ActualDancerPos: 实测Dancer位置；Dancer_CTL1: Dancer_CTL 的结构体，包括一些Kp等参数的赋值；AxisEX1：参与同步的主轴结构体；AxisEX2：参与同步的主轴结构体；AxisW1：收/放卷轴；

张力控制软件架构---- Dancer Control

无需额外的专用张力控制器；

卷径的计算：

计算的方法通常有

传感器直接测量：如超声波、激光、测量棍等；

根据材料厚度和最小卷径计算：D=Dmin+thickness*2*Layer;

根据线速度和实际的角速度计算：

对于较宽的材料，如电容膜，塑料薄膜，织布卷绕等应用，建议采用根据材料

厚度的方法来计算；而对于丝状材料应用，由于可能存在叠丝现象，建议采用

的计算方法，无需知道材料的厚度（或直径）。

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张力控制方案要点

为提高加减速阶段卷径计算精度，可以采用积分的方法：

采用积分的方法，在加减速甚至低速运行时都不需停止卷径计算，使得张力全程可控，有效降低了波动范围。

Tension control 和Dancer control的刷新周期小于卷径计算任务的周期，本应用方案

中，Dancer control 和Tension control控制周期设为250微秒，卷径计算任务周期设为500微秒；

力矩前馈控制，提高了加减速阶段的动态响应性能。

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张力控制方案要点

张力的控制性能

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图中蓝色为速度曲线，黑色为张力测量值。张力只在加减速阶段略有波动。波动范围小于+-5N。

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1 高速电容膜卷绕设备2 配置CP62TwinCAT NC PTP AX5000+AM3000速度达到15m/s，张力波动<1%

倍福张力控制在中国的部分应用

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凹版薄膜印刷机配置：C6140XFCTwinCAT NC PTP AX5000+AM3000

九色套印，套色精度为<0.1mm;张力波动在0.5%以下。

倍福张力控制在中国的部分应用

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切方机

CX1020TwinCAT NC PTP AX5000

张力波动在+-5N以下。

线速度可以达900m/m 以上，进给速度达2.1mm/m

倍福张力控制在中国的部分应用

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切片机

配置：CX1020TwinCAT NC PTP EtherCAT 伺服

张力波动在0.5%左右。线速度可以达900m/m以上，出片合格率为93%

倍福张力控制在中国的部分应用

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2011 OEM 机械设计研讨会

Thank you!