能源與鋼鐵等行業(yè)中所使用的機(jī)械設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，因此對(duì)投入使用的測(cè)量和分析系統(tǒng)的要求也相對(duì)較高。這不僅要求系統(tǒng)能夠快速、精確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡可能靈活、具有可擴(kuò)展性、注重成本效益以及節(jié)省空間。因此，Bonnenberg & Drescher 公司為其聲波測(cè)溫（AGAM）系統(tǒng)配備了倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制和測(cè)量技術(shù)。
AGAM 系統(tǒng)前：Bonnenberg & Drescher 公司總經(jīng)理 Matthias Ritter 博士（左）和 Martin Brodeck 博士（右），以及倍福萊茵魯爾分公司負(fù)責(zé)人Ralf Stachelhaus（中間）
Bonnenberg & Drescher 公司總部位于德國(guó)亞登霍文，專注于生產(chǎn)工藝分析與優(yōu)化，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于燃燒控制領(lǐng)域。公司成立于 1971 年，成立初期主要承接核電工程項(xiàng)目：包括冷卻系統(tǒng)及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與使用壽命的分析，以及核安全防護(hù)方案的制定與實(shí)施，如輻射防護(hù)、放射性物質(zhì)的安全運(yùn)輸以及核電環(huán)境排放監(jiān)測(cè)。上世紀(jì) 80 年代，公司經(jīng)營(yíng)范圍擴(kuò)大至傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域，尤其專注于燃燒工藝的分析與優(yōu)化。自上世紀(jì) 90 年代初以來(lái)，公司一直采用 AGAM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，并將其廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電廠和高爐。
用于測(cè)量電廠鍋爐內(nèi)氣體溫度的完整 AGAM 系統(tǒng)的示意圖
此款測(cè)量系統(tǒng)的物理原理非常簡(jiǎn)單：氣體中的聲波速度取決于氣體溫度，即氣體的溫度越高，聲波的傳播速度越快。為了精確測(cè)量氣體溫度，鍋爐四周分布了多個(gè)傳聲器，它們會(huì)生成一個(gè)所有裝置同時(shí)接收的信號(hào)，然后將該信號(hào)用于計(jì)算鍋爐內(nèi)氣體的二維溫度曲線。這種方法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于它能夠無(wú)輻射測(cè)量氣體溫度，從而優(yōu)化設(shè)備生產(chǎn)流程，達(dá)到以下效果：
- 優(yōu)化燃燒過(guò)程，減少燃料用量，并降低二氧化碳排放量
- 顯著減少設(shè)備腐蝕
- 提升設(shè)備產(chǎn)能和利用率（垃圾焚燒）
基于 PC 的控制技術(shù)取代專用產(chǎn)品，無(wú)需額外添加組件
過(guò)去，測(cè)量和分析系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)置方式相當(dāng)“傳統(tǒng)”：以 25 kHz 的采樣頻率（即 400,000 值/秒）最多可采集 16 個(gè)通道的測(cè)量數(shù)據(jù)，隨后這些測(cè)量值會(huì)由一個(gè)性能強(qiáng)大的服務(wù)器系統(tǒng)處理和歸檔（例如運(yùn)用傅里葉變換及關(guān)聯(lián)方法）。此外，還需要一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單自動(dòng)化功能的 PLC 和各種專用產(chǎn)品，如用于高速、高確定性和高分辨率地采集模擬量信號(hào)（聲波）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
而使用倍福基于 PC 的控制技術(shù)可以將所需的組件數(shù)量減少至只需一個(gè) CPU 系統(tǒng)。CX2062 嵌入式控制器搭載 Intel® Xeon® CPU（2.0 GHz 時(shí)鐘頻率和 8 核處理器），滿足了實(shí)現(xiàn)計(jì)算密集型分析應(yīng)用的性能要求，必要時(shí)也可以搭載性能更強(qiáng)大的處理器。Bonnenberg & Drescher 公司認(rèn)為，模擬量信號(hào)的快速、實(shí)時(shí)同步采集和數(shù)字化處理保證了分析系統(tǒng)的質(zhì)量。采樣率越高，尤其是時(shí)間分辨率越高，抖動(dòng)就越低，通過(guò)傅里葉分析和測(cè)量通道關(guān)聯(lián)性進(jìn)行的溫度測(cè)量就越精確。這正是 EL3702 EtherCAT 模擬量輸入端子模塊發(fā)揮其作用的地方，因?yàn)檫@些端子模塊具有超采樣功能，即除了每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線周期之外，它們還運(yùn)行自己的測(cè)量周期，可以用它來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行“超采樣”。EtherCAT的分布式時(shí)鐘意味著時(shí)間分辨率也非常精確（+/-20 ns）。此外，整個(gè)數(shù)據(jù)集以相同的精度與 EtherCAT 周期和 TwinCAT 軟件應(yīng)用程序同步并添加時(shí)間戳。EL3702 EtherCAT 端子模塊的信號(hào)采集速度達(dá)到 100 kHz，且采用新系統(tǒng)后，通道的數(shù)量上限也將超過(guò) 16 個(gè)。
模塊化系統(tǒng)助力提升靈活性
ADS 路由是 TwinCAT 系統(tǒng)的通信中心。預(yù)處理的數(shù)據(jù)可以通過(guò) ADS 路由提供給其它應(yīng)用程序使用，這些數(shù)據(jù)再通過(guò) ADS-DLL 傳輸?shù)?AGAM 系統(tǒng)的 C# 環(huán)境中進(jìn)行進(jìn)一步處理。處理結(jié)果隨后再通過(guò) ADS 傳輸回 TwinCAT 系統(tǒng)，并可通過(guò) EtherCAT、PROFINET 和 Modbus 等常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線接口從 TwinCAT 系統(tǒng)傳輸至客戶系統(tǒng)，或作為客戶網(wǎng)絡(luò)中的可視化 Web 接口提供。
根據(jù) Bonnenberg & Drescher 的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的 I/O 層也非常容易擴(kuò)展。現(xiàn)有系統(tǒng)可以通過(guò)簡(jiǎn)單地插接更多的端子模塊進(jìn)行擴(kuò)展，然后只需在軟件內(nèi)形成更多現(xiàn)有軟件模塊的實(shí)例。帶光纖接口（塑料、多模或單模光纖）的 EtherCAT 耦合器能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量并大幅減少模擬量接線工作，進(jìn)而提升系統(tǒng)靈活性。
通過(guò)對(duì)等的控制系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制
倍福技術(shù)的使用也使系統(tǒng)在質(zhì)保方面取得了顯著進(jìn)步。對(duì)于必要的模擬，測(cè)量任務(wù)使用基本相同的對(duì)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：通過(guò)帶超采樣功能的 EL4732 模擬量輸出端子模塊產(chǎn)生的傳聲器數(shù)據(jù)模擬鍋爐上使用的組件，并在反方向相應(yīng)生成 24 V 信號(hào)。每個(gè)測(cè)量系統(tǒng)在交付給客戶之前都要經(jīng)過(guò)數(shù)天的耐久性測(cè)試。
改進(jìn)后的 AGAM-Q1 系統(tǒng)也已于 2021 年正式投入使用，并已獲得德國(guó)萊茵 TÜV 檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，適用于經(jīng)過(guò)官方認(rèn)證的設(shè)備溫度測(cè)量。EL4723 輸出端子模塊可用于實(shí)現(xiàn)符合相關(guān)法律法規(guī)的測(cè)量系統(tǒng)自檢。
過(guò)電流保護(hù)端子模塊節(jié)省空間和成本
EL9227-5500 電子過(guò)電流保護(hù)端子模塊主要用于它的規(guī)范使用：用帶 EtherCAT 接口的電子熔斷器取代傳統(tǒng)的熔斷器。這樣帶來(lái)的好處包括：
- 節(jié)省空間和成本
- 靈活配置脫扣電流、電流及電壓的預(yù)警等級(jí)、熔斷器特性、啟動(dòng)行為等
- 完整的電流和電壓測(cè)量功能，作為 PLC 的循環(huán)過(guò)程數(shù)據(jù)（電源和負(fù)載診斷）
- 豐富的診斷功能，例如可以診斷觸發(fā)原因、用戶設(shè)置更改和日志文件
此外，Bonnenberg & Drescher 還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)非常有用的應(yīng)用場(chǎng)景：將電子過(guò)電流保護(hù)端子模塊用作具有測(cè)量和診斷功能的數(shù)字量開(kāi)關(guān)輸出，即用于電磁閥。EtherCAT 端子模塊的測(cè)量功能可以通過(guò)趨勢(shì)線顯示開(kāi)關(guān)點(diǎn)的電流和電壓特性，因此現(xiàn)在可以輕松、可靠地診斷各種閥門故障，比如電纜斷裂、線圈缺陷或閥門機(jī)械缺陷。
系統(tǒng)集成帶來(lái)明顯優(yōu)勢(shì)
Bonnenberg & Drescher 公司總經(jīng)理 Martin Brodeck 博士總結(jié)道：“測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、存檔、分析和顯示的一體化為我們帶來(lái)了很多切實(shí)的好處。標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)取代了測(cè)量鏈前端使用的專用電力電子器件。這樣可以保證長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的備件供應(yīng)，并確保我們能夠持續(xù)參與創(chuàng)新，無(wú)需自己備貨。”
Martin Brodeck 博士提到的另一個(gè)重要方面是：CX2062 嵌入式控制器可在全球范圍內(nèi)長(zhǎng)期供應(yīng)，至少可以使用 10 年，隨后還可再享受 10 年的服務(wù)：“倍福在全球超過(guò) 75 個(gè)國(guó)家中有 40 家子公司和合作伙伴，我們的客戶可以從其中任何一家海外子公司或通過(guò)其合作伙伴購(gòu)置這些組件。整個(gè)系統(tǒng)的控制過(guò)程相較于以前得到了顯著簡(jiǎn)化，因此對(duì)我們的客戶來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)更加可控。現(xiàn)在，在很多情況下，客戶都能夠自助服務(wù)，不需要我們的干預(yù)。更重要的是，將嵌入式控制器用作我們的平臺(tái)基礎(chǔ)可以確保自動(dòng)化技術(shù)和 IT 技術(shù)的成功融合，為包括數(shù)據(jù)庫(kù)連接和網(wǎng)絡(luò)接口在內(nèi)的計(jì)算密集型應(yīng)用創(chuàng)造了寶貴優(yōu)勢(shì)。”
關(guān)于德國(guó)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(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、現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過(guò) 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(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 300 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)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)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(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)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開(kāi)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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