Vogelsang & Benning 是一家專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)全自動(dòng)和/或半自動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品下線(xiàn)檢測設備的公司。自 1983 年成立以來(lái)，該公司已經(jīng)為眾多工業(yè)應用、傳動(dòng)技術(shù)和機械工程的實(shí)施提供了專(zhuān)門(mén)的檢測系統。針對為轉向助力器電機最新研發(fā)的裝配和檢測線(xiàn)，Vogelsang & Benning 選用了 Beckhoff 基于 PC 和 EtherCAT 的自動(dòng)化解決方案。
  
                  
                                     圖1：完整的裝配線(xiàn)

   傳統的汽車(chē)液壓助力轉向系統正逐漸被電動(dòng)助力轉向系統所取代。一套完整的伺服裝置（SU）由一臺永久勵磁同步電機和電子控制單元（ECU）組成，電機在出廠(chǎng)前必須進(jìn)行綜合檢測。整套裝配和檢測線(xiàn)由一個(gè)螺釘緊固模塊、閃存程序下載模塊和一個(gè)集成了搬運模塊的氣密性與性能檢測模塊。電子控制單元和電機通過(guò)螺釘模塊擰在一起，應用軟件閃存程序下載模塊下載到的電子控制單元（ECU）中。然后進(jìn)行氣密性檢測和性能與噪聲檢測。由于轉向系統是關(guān)系到汽車(chē)行駛安全的重要零部件，因此，必須特別注意數據的備份與存檔，所有的檢測參數、設定值和測量數據必須都是可追溯的。必須保證每個(gè)檢測試件標識的唯一性，并將其相關(guān)數據存儲在一個(gè)獨立的中央文件服務(wù)器中。

   檢測系統的自動(dòng)化改造要求通過(guò)不同的接口將來(lái)自不同制造商的組件集成在一起：檢測模塊負載組有一個(gè) PROFIBUS 接口。檢測試件的控制裝置通過(guò) FlexRay 總線(xiàn)系統激活，而 FlexRay 網(wǎng)關(guān)則通過(guò) Ethernet 激活。諸如掃描儀、閃光器或氣密性檢測儀等其它設備則通過(guò)串口與主控計算機通訊。
  
               
                         圖2：靈活的拓撲結構，種類(lèi)繁多的總線(xiàn)接口

   EtherCAT 用作上位總線(xiàn)系統

除了 EtherCAT具有高性能和過(guò)程值的精確分布式時(shí)基同步的特點(diǎn)之外，選擇它作為基本總線(xiàn)系統的另外一個(gè)主要原因是前面所提到的接口可用作本地分布式 EtherCAT 設備。此外，最終用戶(hù)的一個(gè)重要要求是：在設備數量增加時(shí)能夠通過(guò)擴展總線(xiàn)的方式添加新的模塊。通過(guò)分布式配置上述接口（見(jiàn)圖 1），能夠在僅增加少量布線(xiàn)和安裝成本的前提下滿(mǎn)足這一要求。過(guò)去所采用的多通道接口卡需要敷設數米長(cháng)的串行電纜，而現在，所需的電纜長(cháng)度被大大縮短，從而也極大限度地降低了干擾敏感度。

               
                        圖3

     裝配和檢測流程詳情

   在第一階段，電機和控制單元通過(guò)螺釘擰在一起，聯(lián)接主軸和螺絲刀通過(guò) PROFIBUS 控制。帶串口的掃描儀檢測試件的 DMC 代碼，以便進(jìn)行必要的材料跟蹤和數據庫存檔。在下一階段，固件通過(guò)閃存模塊（也是串行）加載到電子控制單元（ECU）中，而搬運系統（PROFIBUS）則將被轉移到下一個(gè)模塊。材料跟蹤通過(guò)串行掃描儀實(shí)現。該階段使用了一個(gè) EtherCAT 交換機端子模塊，通過(guò)一個(gè)可選的 FlexRay 網(wǎng)關(guān)直接設置 ECU。之后，與網(wǎng)關(guān)的連接在 EtherCAT 系統的非循環(huán)通訊插槽內作為純 TCP/IP 通訊建立。

   檢測模塊檢測轉向助力器電機的下列主要特性：

| 螺紋緊固件相互之間的緊密度
| 各種轉矩負載檢測和速度檢測
| 不同運行條件下的噪聲檢測
| 所有參數和完整的 ECU 功能檢驗

   使用標準的 EtherCAT 端子模塊記錄測量值

   試件通過(guò) FlexRay總線(xiàn)設定一個(gè)默認的轉矩，即使是在有負荷（變頻器控制負載測試機）的情況下也要保持較高的測量精度。在恒定的速度下以每秒 1000 個(gè)測量值的采樣速率不斷地對轉矩進(jìn)行測量，并利用快速傅里葉變換（FFT）分析轉矩偏差。為了確保分析的可靠性，必須在絕對時(shí)間和/或角度同步期間記錄測量數據（轉矩）。以前，記錄該測量值需要昂貴的專(zhuān)用儀器，但現在，該過(guò)程可以通過(guò)具有分布式時(shí)鐘功能的標準 EtherCAT 端子模塊（計數器端子模塊和模擬量輸入）實(shí)現。分布式時(shí)鐘能夠使測量同步，并能夠精確到納秒，從而為快速傅里葉變換提供必要的測量數據時(shí)間相關(guān)性。轉矩偏差然后在頻率-振幅頻譜中以圖形方式顯示。測試結果和 DMC 代碼一起保存在數據庫中。

   帶有分布式時(shí)鐘的 EtherCAT系統的性能詳見(jiàn)圖 2，詳細記錄了兩個(gè) EtherCAT 同步的邊緣變化。兩個(gè)裝置的分離通過(guò) 300 個(gè) EtherCAT 節點(diǎn)和長(cháng)度為 120 m 的電纜實(shí)現。同步控制邊緣變化的同時(shí)性約為 15 納秒（ns），抖動(dòng)為 ±20 ns。
  
               
                   圖4：通過(guò)分布式時(shí)鐘實(shí)現納秒級精度和同步；長(cháng)期記錄兩個(gè)設備的信息

   ADS 能夠在幾毫秒時(shí)間內傳輸所有的測量數據記錄

   首先對測量值和校準值進(jìn)行分析和可視化，再通過(guò)由 Vogelsang & Benning 用 C++ 編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和實(shí)施的 METIS 軟件進(jìn)行測試，然后存檔測試結果。TwinCAT 控制器的接口是 ADS，是一個(gè)方便的路由器接口，用于實(shí)現數據傳輸、控制和診斷。與以前 PLC 中的數據模塊處理不同，它具有良好的集成性能和方便的命令接口（如用于切換運行方式），能夠更輕松、更高效地實(shí)現通訊。所有的測量數據記錄都由 PLC 在幾毫秒的時(shí)間內傳輸給 METIS 軟件。ADS 嵌入在 TCP/IP 協(xié)議中，便于遠程維護，METIS 軟件的必要設置被減至最低。
  
                       
                                圖5

   一項具有開(kāi)拓性意義的解決方案

    “我希望我們能夠讓更多的客戶(hù)安裝我們采用了 Beckhoff 技術(shù)的檢測系統。”上述檢測線(xiàn)的項目經(jīng)理和程序員 Robert Biletic 先生如此說(shuō)道。“與過(guò)去采用的方案相比，這個(gè)方案給我們帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的好處。首先，采用上述分布式現場(chǎng)總線(xiàn)接口（EtherCAT 設備）能夠實(shí)現靈活的拓撲結構和設備選擇。另外，由于采用高級語(yǔ)言（結構化文本，ST）和實(shí)例概念提升了軟件模塊的復用性，PLC 編程變得更加高效和經(jīng)濟。TwinCAT 系統管理器和內置實(shí)時(shí)示波器軟件具有很強的診斷功能。集成的在線(xiàn)可視化軟件能夠更加快速、輕松地找出并修正布線(xiàn)錯誤，甚至是在沒(méi)有 PLC 程序，只有系統管理器的情況下。示波器軟件有助于調整和優(yōu)化各種控制器。EtherCAT 是一種非常有效的現場(chǎng)總線(xiàn)系統，讓我們能夠將標準的 I/O 端子模塊用作高精度測量值的記錄層。這不僅節約了成本，而且所有測量操作都可以通過(guò)軟件完成。該技術(shù)已為我們所專(zhuān)有，只需簡(jiǎn)單調整，即可方便地應用到其它檢測設備中。”
   除了 EtherCAT具有高性能和過(guò)程值的精確分布式時(shí)基同步的特點(diǎn)之外，選擇它作為基本總線(xiàn)系統的另外一個(gè)主要原因是前面所提到的接口可用作本地分布式 EtherCAT 設備。此外，最終用戶(hù)的一個(gè)重要要求是：在設備數量增加時(shí)能夠通過(guò)擴展總線(xiàn)的方式添加新的模塊。通過(guò)分布式配置上述接口（見(jiàn)圖 1），能夠在僅增加少量布線(xiàn)和安裝成本的前提下滿(mǎn)足這一要求。過(guò)去所采用的多通道接口卡需要敷設數米長(cháng)的串行電纜，而現在，所需的電纜長(cháng)度被大大縮短，從而也極大限度地降低了干擾敏感度。