無控制柜自動化系統(tǒng)，現(xiàn)在真的能實(shí)現(xiàn)嗎？
發(fā)布時間：2025-01-22 作者：Eric Reiner
圖片來源：倍福
無控制柜系統(tǒng)可降低成本并最大限度地減少占地面積，幫助制造商和最終用戶優(yōu)化安裝、支持和維護(hù)過程。本文重點(diǎn)介紹了實(shí)施無控制柜自動化設(shè)計(jì)的三個階段。
想要參加馬拉松比賽的跑者，不會在早上穿著破舊的運(yùn)動鞋和良好的愿望橫空出現(xiàn)。跑步者必須遵循訓(xùn)練方案。他們逐漸延長比賽距離——5公里、10英里和半程馬拉松。這樣，他們將逐漸為終極目標(biāo)的到來做好準(zhǔn)備。
無控制柜自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與此類似。新的機(jī)器控制技術(shù)正在幫助先進(jìn)的系統(tǒng)拋棄使用外殼，在以前，外殼是保護(hù)電源、輸入/輸出（I/O）、網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面（HMI）、控制和其它設(shè)備免受惡劣生產(chǎn)環(huán)境影響所必需的。想要從消除電氣柜中獲益的用戶可以先從小范圍試點(diǎn)開始。
對于機(jī)器制造商、原始設(shè)備制造商（OEM）和設(shè)備最終用戶來說，無機(jī)柜設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)勢。完整的機(jī)器安裝控制系統(tǒng)可以降低總成本。除了去掉外殼本身之外，機(jī)器不再需要風(fēng)扇、過濾系統(tǒng)、冷卻設(shè)備和相關(guān)電源來運(yùn)行這一切。所有組件均采用標(biāo)準(zhǔn)連接器，用戶可縮短接線時間、消除接線錯誤并減少文檔編制。
制造商希望減少設(shè)備的占地面積，在相同的面積內(nèi)可以安裝更多的機(jī)器。新興的無機(jī)柜機(jī)器控制模塊化選項(xiàng)有助于簡化從布線、安裝、技術(shù)支持到備件庫存的所有工作。但我們也不能冒然實(shí)施。要了解如何從依賴機(jī)柜的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o控制柜的設(shè)計(jì)；以及了解實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的三個階段，這些都非常重要。
▲AMP 8000分布式伺服驅(qū)動系統(tǒng)通過將伺服放大器集成到電機(jī)中，降低了對控制柜的要求。
01 用于數(shù)據(jù)采集等功能的分布式I/O
那么，在這種情況下，與馬拉松訓(xùn)練里的5公里跑對應(yīng)的是什么？這將是在不擴(kuò)展控制柜的情況下增加功能。
首先是添加不需要外殼保護(hù)的遠(yuǎn)程I/O和IP65/67級機(jī)器控制器。雖然IP67甚至IP69K的加固I/O模塊并不新鮮，但這些技術(shù)的戰(zhàn)略采用，在許多應(yīng)用中都取得了重大進(jìn)展。這些設(shè)備可以從更多地方收集更多數(shù)據(jù)，不管其是用于通信、從傳感器獲取信號還是集成功能安全等。通過將I/O分布在更靠近終端設(shè)備的位置，用戶可以減少更多的布線。
然而，可以安裝在現(xiàn)場的工業(yè)PC解決方案提供了新的可能性。利用這些技術(shù)，并不一定意味著使用控制硬件來運(yùn)行機(jī)器。工業(yè)PC可以處理特定機(jī)器模塊的控制邏輯，這些模塊可以拔出并在工廠車間內(nèi)移動。
在棕地應(yīng)用中，可以添加一個工業(yè)PC作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或邊緣計(jì)算設(shè)備。靈活的安裝選項(xiàng)使得在最有意義的地方物理連接控制器變得更容易。這樣就不必在機(jī)柜中尋找空間，無需擔(dān)心額外熱源，也無需將多條電纜連接到機(jī)柜?？刂破鲙в幸粋€EtherCAT P端口，將電源和通信功能集成在一根標(biāo)準(zhǔn)的4芯電纜中，可以支持添加用于數(shù)據(jù)采集或特殊功能的I/O塊。
工業(yè)PC配備了分析軟件包，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些預(yù)處理，然后使用蜂窩或Wi-Fi發(fā)射機(jī)，將重要指標(biāo)發(fā)送到企業(yè)或云端。如果舊設(shè)備仍然滿足吞吐量和質(zhì)量要求，但它需要提供數(shù)據(jù)來衡量機(jī)器運(yùn)行狀況或能源效率，那么這是一個不錯的選擇。
▲倍福的全封閉、IP67級平板電腦提供了機(jī)器控制邏輯。
分布式伺服驅(qū)動組件將運(yùn)動控制擴(kuò)展到整個機(jī)器，減少了占地面積要求。
02 機(jī)器安裝控制和分布式運(yùn)動控制
下一個階段是縮小對新機(jī)器的控制柜要求。制造無機(jī)柜機(jī)器的技術(shù)正在不斷發(fā)展。因此，許多工程師正采取觀望態(tài)度。然而，已經(jīng)有許多可安裝在機(jī)器上的設(shè)備可以最大限度地減少對大型保護(hù)外殼的需求。
采用雙核或四核無控制柜工業(yè)PC作為主機(jī)控制器，并使用帶有集成驅(qū)動器的伺服電機(jī)使其成為可能。一些電子設(shè)備（電源、保險絲、接觸器等）可能需要保留在外殼中，但使用這些無控制柜選項(xiàng)，所需的占用空間會大大縮小。
我們已經(jīng)看到許多系統(tǒng)采取了該方法。通常，它們使用具有IP65/67等級的工業(yè)PC或全封閉面板PC，將機(jī)器控制CPU與堅(jiān)固的HMI硬件相結(jié)合?；谶h(yuǎn)程I/O解決方案和EtherCAT P通信，分布式伺服驅(qū)動系統(tǒng)使機(jī)器制造商能夠集成動態(tài)運(yùn)動控制，而無需為單獨(dú)的驅(qū)動器預(yù)留較大的電氣柜空間。
這些分布式伺服驅(qū)動解決方案可將放大器集成到電機(jī)背面。IP67分布式模塊簡化了具有高級運(yùn)動要求的系統(tǒng)鏈接。分布式模塊還可以通過EtherCAT P連接到其它傳感器、執(zhí)行器等，從而降低對電氣外殼的要求。
除了包裝、內(nèi)部物流、裝配和其它行業(yè)的固定機(jī)器應(yīng)用外，這類解決方案也是移動機(jī)器人的理想選擇。自動導(dǎo)引車（AGV）和自主移動機(jī)器人（AMR），都有非常緊湊的外殼。在外部或至少部分暴露于惡劣生產(chǎn)環(huán)境的空間中，配置控制器可以提供很大的靈活性。
在任何一種情況下，基于PC的控制器還可以整合幾個功能，例如可編程邏輯控制器（PLC）、安全、機(jī)器視覺和導(dǎo)航，這些功能通常需要單獨(dú)的硬件系統(tǒng)。
▲倍福的MX-System為控制和自動化提供了一個模塊化的機(jī)器安裝系統(tǒng)，
將所有組件整合到可插拔模塊中。
03 完全無控制柜自動化系統(tǒng)
最后一步是完全拋棄控制柜。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的技術(shù)仍在發(fā)展中，因?yàn)椴⒎撬锌刂坪妥詣踊璧脑O(shè)備都有IP65或更高的防護(hù)等級。
允許無機(jī)柜控制模塊化設(shè)計(jì)的技術(shù)正在進(jìn)入市場。憑借可擴(kuò)展的基板，這些系統(tǒng)具有IPC、驅(qū)動器、I/O、功能安全等可插拔的構(gòu)建塊?？梢允褂寐葆斂焖龠B接和固定，而不需要花費(fèi)機(jī)柜制造專家數(shù)小時的時間。
據(jù)估計(jì)，以前通常需要24小時或更長時間的控制系統(tǒng)安裝過程，使用機(jī)器安裝平臺中的可插拔自動化組件，現(xiàn)在可以在1小時內(nèi)完成。
這種完全無控制柜的方法可以節(jié)省大量空間。將控制組件分布在整個機(jī)器上，而不是將它們集中在一個帶有大量接線的外殼中，從而顯著減少占地面積。
使用基于可擴(kuò)展底板的模塊化系統(tǒng)可以帶來一系列好處，包括：
· 將整體機(jī)器占地面積減少70%。
· 將所需的控制部件數(shù)量減少10倍。
· 整合高達(dá)80%的文件。
· 通過可插拔設(shè)備消除代價高昂的接線錯誤。
· 消除許多故障點(diǎn)。
· 通過快速調(diào)試加快上市時間。
全機(jī)器安裝控制平臺的占地面積和復(fù)雜性的降低，促進(jìn)了工廠各部門之間更好的協(xié)作。例如，工程師將不需為系統(tǒng)設(shè)計(jì)特殊的安裝空間和支架。更加模塊化、可插拔的設(shè)計(jì)也將減少在將成品機(jī)器運(yùn)輸?shù)阶罱K用戶設(shè)施之前拆卸機(jī)器的需要。
對于設(shè)備終端用戶來說，其優(yōu)勢將包括提高運(yùn)行可靠性、降低日常維護(hù)要求以及簡化故障排除和維修（如果需要）。例如，有些可以通過藍(lán)牙，在智能手機(jī)上查看診斷信息，在每個模塊上以DataMatrix代碼的形式顯示唯一的序列號以及通常的狀態(tài)指示燈。技術(shù)人員可以使用智能手機(jī)應(yīng)用掃描這些代碼，從控制器和相應(yīng)的功能模塊中檢索診斷數(shù)據(jù)。
EtherCAT通信可以提供全面的全系統(tǒng)診斷。工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)還支持熱插拔功能，這使得在需要時更換模塊盡可能簡單快捷。
04 根據(jù)需求選擇不同階段
有了上面這些優(yōu)勢，工程師在各個層面都參與其中也就不足為奇了。然而，這確實(shí)需要重新考慮電氣和機(jī)械系統(tǒng)是如何協(xié)同工作的。一些工程師發(fā)現(xiàn)，在可機(jī)器安裝控制的第二階段，提供了他們目前所需的所有優(yōu)勢，其最終用戶客戶目前并不要求進(jìn)行更深入的重新設(shè)計(jì)。
無論采用哪個階段，仔細(xì)考慮選項(xiàng)都很重要。一個靈活、可擴(kuò)展的自動化平臺將允許用戶利用現(xiàn)有的軟件平臺和設(shè)計(jì)，無論是添加具有IP65/67等級的工業(yè)PC還是切換到完全無控制柜的機(jī)器控制解決方案。
用戶還希望確保前沿系統(tǒng)支持開放式通信協(xié)議。畢竟，他們很可能需要與傳統(tǒng)設(shè)備通信，或者為尚未采用無控制柜設(shè)計(jì)的組件集成小型遠(yuǎn)程機(jī)柜。在這些情況下，用戶可能會發(fā)現(xiàn)一些供應(yīng)商也將無控制柜設(shè)計(jì)視為一場馬拉松，而不是百米沖刺。機(jī)器安裝技術(shù)不斷相互構(gòu)建，以更接近終點(diǎn)線。
機(jī)器制造商和系統(tǒng)集成商可以開始部署更廣泛的無控制柜解決方案——獨(dú)立的IPC、I/O和驅(qū)動技術(shù)，以便在無控制柜自動化系統(tǒng)發(fā)展為主流時搶占先機(jī)。
關(guān)鍵概念：
■ 了解無控制柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。
■ 探索三種實(shí)施水平，從簡單的向棕地系統(tǒng)添加功能，到在綠地應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)完全的無控制柜設(shè)計(jì)。
■ 了解如何選擇一個面向未來、可擴(kuò)展的自動化平臺，以便在向無控制柜設(shè)計(jì)過渡時保護(hù)您的知識產(chǎn)權(quán)。
思考一下：
無控制柜自動化系統(tǒng)會為您的工廠帶來哪些好處？