高精度高效率的自動(dòng)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(dòng)車、動(dòng)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(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)設(shè)備或試點(diǎn)和小批量生產(chǎn)設(shè)備以及針對(duì)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(duì)設(shè)備配置的自動(dòng)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(xiàng)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(fù)責(zé)人 Axel Bartmann，Manz 軟件核心設(shè)計(jì)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(tái)
全新的電池激光系統(tǒng)（BLS）500 就是最好的例子，它是一個(gè)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(tái)。它配備標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備底座，既可以作為一個(gè)手動(dòng)裝載工件的單個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為集成式生產(chǎn)線的一部分，實(shí)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(shí)驗(yàn)室場景的 BLS 500 的應(yīng)用中，一個(gè)由若干個(gè)圓形單體電池組成的電池模組被手動(dòng)插入到設(shè)備中，但除此之外，其余步驟全部都是自動(dòng)完成。然后通過激光將單個(gè)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(diǎn)的最佳路徑計(jì)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(jì)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(shí)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(bǔ)充道：“使用該模型可以在設(shè)備真正進(jìn)行機(jī)械安裝之前事先詳細(xì)和真實(shí)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(shí)數(shù)據(jù)，并將焊接過程中的所有偏移值計(jì)算在內(nèi)，以實(shí)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(qiáng)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(diǎn)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(duì)此做出了詳細(xì)的解釋：“一開始，Manz 開發(fā)了自己的控制技術(shù)；但由于機(jī)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(gè)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(píng)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(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)。此外，吸引我們的還有倍福的創(chuàng)新實(shí)力，那時(shí)我們就已經(jīng)非常重視創(chuàng)新。”
各種防護(hù)等級(jí)為 IP20 的 EtherCAT 端子模塊和防護(hù)等級(jí)高達(dá) IP67 的 EtherCAT 端子盒（此處為BLS 500 配備的 EP2338 和 Ep5101）幫助 Manz 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)
倍福汽車行業(yè)經(jīng)理 Tilman Plaß 從自動(dòng)化的角度補(bǔ)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(shí)現(xiàn)較短的周期時(shí)間，以及涵蓋整個(gè)應(yīng)用所有過程的邏輯，這一點(diǎn)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(gè)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(tái) C6030 超緊湊型工業(yè) PC，Stephan Lausterer 在描述其主要優(yōu)勢時(shí)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(jì)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(hào)，如 C6032。”Stephan Lausterer 認(rèn)為，從另一個(gè)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(chǔ)工作。這也適用于對(duì)我們 Manz 公司來說非常重要的整個(gè)軟硬件測試工具鏈。所有軟件都使用虛擬機(jī)以及真實(shí)硬件進(jìn)行測試。”
總而言之，TwinCAT 自動(dòng)化軟件很好地滿足了 Manz 的要求，Stephan Lausterer 證實(shí)道：“TwinCAT 集成在 Visual Studio® 中也讓我們獲益匪淺，因?yàn)槲覀兊能浖䦂F(tuán)隊(duì)中也有多名高級(jí)語言程序員。除此之外，通過各個(gè)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(dú)特賣點(diǎn)。”使用 C++ 語言和 TwinCAT 3 NC PTP、NC I 和運(yùn)動(dòng)學(xué)變換功能模塊可以非常方便地編程和仿真運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，然后在實(shí)時(shí)環(huán)境中作為 TcCOM 模塊運(yùn)行。此外，TcCOM 概念可以更輕松地重復(fù)使用程序代碼，并對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。
C6030 超緊湊型工業(yè) PC 作為 BLS 500 的強(qiáng)大控制核心，只需很小的安裝空間
通過 OPC UA 實(shí)現(xiàn)上位通信
Manz 除了使用 EtherCAT 實(shí)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(dòng)器之間的通信，還采用 OPC UA 交換整個(gè) BLS 500 的數(shù)據(jù)。包括將相機(jī)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(shí)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(diǎn)：“OPC UA 的通信范圍極為廣泛。Manz 很早就認(rèn)識(shí)到了標(biāo)準(zhǔn)化、安全以及獨(dú)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(shí)了這一點(diǎn)：“幾乎所有的外部通信都通過 OPC UA 實(shí)現(xiàn)，無論是我們的工業(yè) 4.0 產(chǎn)品還是客戶應(yīng)用。對(duì)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(dú)立于制造商之外，IT 安全性對(duì) Manz 來說也是一個(gè)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(jī)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(huì)成為越來越重要的話題。另一個(gè)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(shí)施了 OPC UA 客戶端。Tilman Plaß 也證實(shí)了這一點(diǎn)：“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(shí)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(shí)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(dòng)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(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、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)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(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)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(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)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(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(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(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(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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