倍福：基于PC的控制技術(shù)助力櫥柜生產(chǎn)智能化

德國倍福自動(dòng)化有限公司

倍福：基于PC的控制技術(shù)助力櫥柜生產(chǎn)智能化

德國倍福自動(dòng)化有限公司

歐洲最大的櫥柜制造商柏麗櫥柜公司位于德國威爾市的兩家工廠每年能夠生產(chǎn)超過58萬套櫥柜。這是真正意義上的批量生產(chǎn)，但這里真正的特色是同時(shí)還可以完成客戶定制訂單。Beckhoff 基于 PC 的控制技術(shù)為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)部件和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的通用透明性提供了理想的基礎(chǔ)，能夠在數(shù)量為 1 的批量生產(chǎn)中靈活、有效地提供個(gè)性化櫥柜——完全符合工業(yè) 4.0 的理念。

每天有約 2600 套整體櫥柜從柏麗的兩個(gè)生產(chǎn)工廠離開，交付到客戶手中。柏麗技術(shù)總監(jiān) Martin Henkenjohann 表示：“盡管是批量生產(chǎn)，我們完全根據(jù)客戶的意愿來制造櫥柜，這意味著生產(chǎn)批量數(shù)量最小可以為 1。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們?cè)缭?1990 年開始，就保持整個(gè)生產(chǎn)過程中所有的部件和生產(chǎn)數(shù)據(jù)透明性和通用性 ，包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和個(gè)性化加工步驟，我們始終能夠確切地知道哪里有某個(gè)特定的廚房家具在加工序列中，從而讓我們能夠應(yīng)對(duì)日益變化的客戶需求?！?/p>

工業(yè)4.0要求整個(gè)工藝過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的工業(yè) 4.0 理念，以及在生產(chǎn)中獲得更高的靈活性的前提是確保所有機(jī)器和部件數(shù)據(jù)的透明性。Martin Henkenjohann 在解釋這對(duì)于柏麗的意義時(shí)說道：“實(shí)時(shí)跟蹤整個(gè)工藝過程的能力是基本要求。在柏麗這通過貼上一個(gè)包含一件家具所有必要信息的條形碼標(biāo)簽開始，標(biāo)簽包含關(guān)于各種機(jī)器上進(jìn)一步的加工步驟的生產(chǎn)方面的信息與詳細(xì)的物流信息，如裝貨時(shí)間和卡車信息或送貨地址。每臺(tái)加工機(jī)器掃描條形碼并從中央Oracle 數(shù)據(jù)庫或從Web服務(wù)檢索相關(guān)的機(jī)器數(shù)據(jù)?！?/p>

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的透明性使得每天生產(chǎn)2600套個(gè)性化櫥柜成為可能。88個(gè)不同的門板設(shè)計(jì)構(gòu)成這一過程的基礎(chǔ)，而且每個(gè)設(shè)計(jì)的后面都有250個(gè)不同的條目。根據(jù)門板的樣式，以及諸如配件和把手或面板型號(hào)等，可以打造出各種落地櫥柜、壁柜和立式櫥柜。在談及各種整體櫥柜的物流管理時(shí)，Martin Henkenjohann解釋說道：“例如，一個(gè)抽屜前板的條形碼包含整個(gè)抽屜的配置，包括其寬度和深度、后板的高度和把手類型。生產(chǎn)設(shè)施相應(yīng)地提供所有必需的部件，啟動(dòng)正確的加工順序，并確保所需的抽屜‘準(zhǔn)時(shí)化順序供應(yīng)’地放在一個(gè)貨運(yùn)車廂中。貨車然后開到裝配區(qū)，在那里，成品櫥柜柜體與抽屜和其它部件（如推拉門）組裝在一起。通過實(shí)時(shí)跟蹤，我們可以隨時(shí)確切地知道每個(gè)部件在生產(chǎn)過程中的哪個(gè)步驟中。這完全符合工業(yè) 4.0 理念?！?/p>

生產(chǎn)過程通過時(shí)間單位控制，并按照日期排列

柏麗廚房家具的生產(chǎn)規(guī)劃是通過時(shí)間單位來控制的，即跟蹤立式櫥柜、落地櫥柜和壁櫥，以確定它們?cè)谀膫€(gè)生產(chǎn)序列中，這些序列的排列是否正確。最終，所有的部件必須在正確的時(shí)間內(nèi)從總共 9 個(gè)裝配線進(jìn)入到裝貨流水線，從而讓每套整體櫥柜的所有柜體、電器和附件可以全部按時(shí)裝到正確的卡車上。

柏麗櫥柜自1990年以來，就一直注重實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化制造

導(dǎo)入客戶訂單的規(guī)劃以及生產(chǎn)控制由調(diào)度部門負(fù)責(zé)，調(diào)度部門在計(jì)劃交付櫥柜之前短短四天才最后定下生產(chǎn)計(jì)劃，因此產(chǎn)能利用率必須非常靈活。為了在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)正確地考慮到所有客戶要求，柏麗已在很大程度上保存了產(chǎn)品型號(hào)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。除此之外，用于立式櫥柜、落地櫥柜及壁柜的三個(gè)裝配線的每一個(gè)也都可用于在一定限度內(nèi)生產(chǎn)其它兩個(gè)櫥柜類型之一。Beckhoff公司銷售經(jīng)理Dieter Grossekatthofer說明了這一點(diǎn)：“通過使用基于PC的控制技術(shù)和為盡可能多的不同的加工工藝設(shè)計(jì)的裝置，機(jī)器涵蓋的范圍非常廣泛?？梢酝ㄟ^對(duì)機(jī)器進(jìn)行優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)最大的生產(chǎn)靈活性?！?/p>

PC控制作為一個(gè)開放、高效的系統(tǒng)

柏麗櫥柜數(shù)據(jù)透明性的想法孕育于1990年，以滿足對(duì)生產(chǎn)能力不斷增長(zhǎng)的需求。據(jù)Martin Henkenjohann所述，自最初柏麗就決定選用基于PC的控制技術(shù)：“這些年來，我們一直都與Beckhoff專業(yè)合作伙伴有著非常密切和富有成效的合作。沒有PC控制的開放性和高性能，對(duì)我們的異構(gòu)生產(chǎn)環(huán)境，通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)很可能無法實(shí)現(xiàn)。此外，整個(gè)系統(tǒng)是非常靈活的，因此具有可持續(xù)發(fā)展性，這意味著它可以輕松應(yīng)對(duì)不斷變化的要求?！?/p>

每一個(gè)部件都可以通過唯一的條形碼非常明確地分配給正確的廚房家具

在整個(gè)訂單相關(guān)的生產(chǎn)序列中，不僅是機(jī)器信息，還有有關(guān)家具部件生產(chǎn)狀態(tài)的信息，都可以通過Beckhoff的控制面板和面板型PC進(jìn)行檢索。

通過Beckhoff的控制技術(shù)以及與柏麗合作開發(fā)的Oracle數(shù)據(jù)庫，ERP和設(shè)計(jì)軟件之間建立了一個(gè)緊密結(jié)合的中央鏈路。這樣可以滿足歷史性的增長(zhǎng)和相應(yīng)的異構(gòu)生產(chǎn)景觀要求。同時(shí)，它可以通過不斷集成獨(dú)立的解決方案繼續(xù)挖掘產(chǎn)能潛力。1996年柏麗引進(jìn)了Beckhoff的基于Windows的TwinCAT自動(dòng)化軟件，有了TwinCAT后，整個(gè)系統(tǒng)不再需要由一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)完全控制。對(duì)于每一臺(tái)這類設(shè)備，都可以提供一個(gè)預(yù)先定義的、定制化TwinCAT應(yīng)用程序，這僅需要簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置。一方面，這樣可以簡(jiǎn)單地將現(xiàn)有的知識(shí)傳輸?shù)剿械脑O(shè)備中，另一方面，軟件工程可以更加高效。

Dieter Grossekatthofer認(rèn)為能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行模塊化是TwinCAT的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：“相對(duì)于較早的、沒有真正重疊通信的獨(dú)立解決方案，現(xiàn)在可以創(chuàng)建個(gè)性化的功能模塊。這在調(diào)試期間是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些模塊可以單獨(dú)調(diào)試，然后簡(jiǎn)單地組合。這樣大大縮短了調(diào)試時(shí)間，便于對(duì)柏麗生產(chǎn)線不斷進(jìn)行現(xiàn)代化改造?！?/p>

通用的PC控制技術(shù)

柏麗在其兩個(gè)生產(chǎn)工廠中普遍采用Beckhoff 的PC控制技術(shù)，從EtherCAT I/O系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制直到控制柜式工業(yè)PC和控制面板以及TwinCAT PLC/NC。即使是一些采用傳統(tǒng)PLC技術(shù)的舊機(jī)器，也可以通過基于PC的控制技術(shù)集成。Matthias Gehle總結(jié)道：“盡管機(jī)器池非常龐雜，也可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)同構(gòu)數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)保存在柏麗中央數(shù)據(jù)庫中。在生產(chǎn)工廠實(shí)施的由Beckhoff開發(fā)的專用高級(jí)語言應(yīng)用程序與這一數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通訊，并給各自的設(shè)備控制器提供適配信息。這些年來，這一直是不斷提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵所在?！?/p>

進(jìn)一步提高產(chǎn)能潛力，邁向工業(yè)4.0時(shí)代

工業(yè)4.0是一個(gè)在未來10至20年才會(huì)全面實(shí)施的概念?，F(xiàn)在，柏麗已經(jīng)在很大程度上實(shí)現(xiàn)了這一概念，但Martin Henkenjohann看到一些中短期進(jìn)一步發(fā)展的潛力：“經(jīng)過測(cè)試后，目前，我們正在使用RFID和RTLS（實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)），旨在使得家具的識(shí)別更加可變（與條形碼系統(tǒng)相比），并更清楚地給它們提供所有必要的信息。此外，我們的生產(chǎn)控制也將從它最佳支持的TwinCAT 3和多核工業(yè)PC技術(shù)中獲益?！?/p>

鏈接采訪

Q：倍福目前在“智能工廠”領(lǐng)域取得的業(yè)績(jī)？

A：工業(yè)4.0的核心是自動(dòng)化和IT技術(shù)的融合。而倍福已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域耕耘了20多年。在80年代，倍福就開始用自動(dòng)化專用的控制CPU技術(shù)與來自于IT界的PC技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出工業(yè)用PC；集成了控制專用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與Windows的結(jié)合，開發(fā)了TwinCAT控制軟件，并開創(chuàng)基于PC的控制理念；不斷創(chuàng)新的技術(shù)、產(chǎn)品、解決方案的應(yīng)用都不斷驗(yàn)證了PC控制的高性能、高柔性、高靈活性和低成本優(yōu)勢(shì)。直到后來的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)的推出，將起源于IT的以太網(wǎng)技術(shù)完美應(yīng)用到了自動(dòng)化領(lǐng)域，并打破了現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊瓶頸，革命性地提升系統(tǒng)的性能。而隨著IT技術(shù)的不斷進(jìn)步，倍福又推出了集成有Visual Studio的TwinCAT3控制軟件平臺(tái)。

倍福中國技術(shù)市場(chǎng)推廣經(jīng)理 范斌

目前，工業(yè)4.0或者智能制造這些話題承載著太多我們對(duì)于制造業(yè)未來的描述，然而，對(duì)于倍福來說，“智能工廠”今天已經(jīng)實(shí)現(xiàn)：在德國工業(yè)4.0聯(lián)盟Its OWL中倍福主導(dǎo)的相關(guān)項(xiàng)目里，歐洲頂級(jí)櫥柜品牌柏麗櫥柜的智能制造生產(chǎn)線就是一個(gè)典型的范例。為了更好地支持工業(yè)4.0，倍福在2015紐倫堡SPS/IPC/Drives展會(huì)上推出了TwinCAT IoT和TwinCAT Analystics的功能。前者可以通過MQTT協(xié)議直接將控制器中的數(shù)據(jù)上傳到云。而TwinCAT Analystics是用來做數(shù)據(jù)分析的，它可以在本地網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，也可以在外部服務(wù)器通過獲取云上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控并掌控機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)、健康預(yù)測(cè)等。

因此，無論是工業(yè)4.0，還是智能制造、智能工廠，雖然是近年興起的流行詞匯，但是具體實(shí)現(xiàn)這些理念的技術(shù)、產(chǎn)品和方案并不是一蹴而就的，它需要技術(shù)的沉淀，產(chǎn)品的研發(fā)和實(shí)施，方案的可靠性實(shí)現(xiàn)等等，而倍福在這個(gè)方向上已經(jīng)有二十多年的know how和經(jīng)驗(yàn)，并仍持續(xù)努力實(shí)踐著。

Q：倍福為用戶打造“智能工廠”的核心產(chǎn)品或者解決方案有哪些？具有怎樣的特色和優(yōu)勢(shì)？

A：對(duì)于一個(gè)智能工廠來說，其核心仍然是控制系統(tǒng)。工廠的控制系統(tǒng)、流水線的控制系統(tǒng)、單個(gè)機(jī)器的控制系統(tǒng)的性能決定著整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)的性能、效率等。倍福基于PC控制的解決方案，通過利用高性能的（多核的）工業(yè)PC和強(qiáng)大的TwinCAT控制軟件和算法，為控制系統(tǒng)提供強(qiáng)大的大腦。EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)打破了通訊的瓶頸，將底層的所有數(shù)據(jù)高效率傳輸?shù)絀PC。底層的I/O適用于幾百種信號(hào)類型，特殊I/O甚至可以解耦于PLC運(yùn)算周期實(shí)現(xiàn)超采樣功能，滿足特定測(cè)量測(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)合。高動(dòng)態(tài)性能的專為EtherCAT研發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)器為高端的運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用提供可能。這些高性能部件集成的整套PC控制方案，一方面提供了充分的性能，甚至為面向未來的應(yīng)用提供足夠的余量；二來節(jié)省了所有的專用硬件，因?yàn)樗械倪\(yùn)算都可以移植到高性能PC中；三來提供了極高的靈活性，無縫集成各種設(shè)備，來自于不同廠商、不同總線技術(shù)的不同類型的產(chǎn)品和子系統(tǒng)，支持任意的拓?fù)漕愋?。此外，倍福的TwinCAT向上提供了各種接口，包括OPC UA，Oracle database，SAP，TCP/IP或者Profinet等，方便直接與MES對(duì)接，而新近推出的TwinCAT IoT則提供了直接通過MQTT鏈接云的可能。而最重要的一個(gè)特點(diǎn)就是倍福系統(tǒng)的開放性，這點(diǎn)是互聯(lián)互通的核心所在，只有開放的靈活的系統(tǒng)才可以完美地鏈接上層應(yīng)用和底層設(shè)備，倍福提供開放的軟硬件控制平臺(tái)，正是開放性的忠實(shí)實(shí)踐者。