运动控制技术及解决方案Beckhoff
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Beckhoff科技自动化方案篇
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2013/6/17
20:18:35
高性能测量测试产品
TwinCAT 状态监控功能库
频率分析 状态 模式识别及机器学习
流 体 分 析 电 力 测 量
振
节气门阀片在最小位置保持一定的开度，在控制系统失效的情况
1
2 3
4 5
2 1 5
2 3 5
1
2
3
下可保证车辆以一定的节气门开度行驶到安全地点。
5
4
3
节气门开度传感器
43
科技自动化倍福篇
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2013/6/17
20:19:17
电子节气门—— PID 控制方法 如何将电子节气门控制到期望的开度，是电子节气门控制的主要任务。本案例采用经典的 开度的控制。 PID 控制方式实现对节气门
RTD
4 8 3 7
-R
-RL
输入
典型值 200 mA 输入：n x 2 x 16 位数据；可选 2 x 16 位周期计数器， 4 字节
StartNextLatch
过程映像数据
时间
EL3413 三相功率测量端子模块 690V EL3413 是EL3403 的延伸版本。可以直接连接 690V 交流电，优化了在风力发电行业的应用。不需要上层的电压互感器。 电流输入隔离，可以使用所有公共端接地的电流互感器。EL3413 可以处理简单的网络分析高达 21 次谐波分析。谐波数据可 以通过网络读取。
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高性能测量测试产品
TwinCAT 状态监控功能库
频率分析 状态 模式识别及机器学习
流 体 分 析 电 力 测 量
振
节气门阀片在最小位置保持一定的开度，在控制系统失效的情况
1
2 3
4 5
2 1 5
2 3 5
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下可保证车辆以一定的节气门开度行驶到安全地点。
5
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节气门开度传感器
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科技自动化倍福篇
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电子节气门—— PID 控制方法 如何将电子节气门控制到期望的开度，是电子节气门控制的主要任务。本案例采用经典的 开度的控制。 PID 控制方式实现对节气门
RTD
4 8 3 7
-R
-RL
输入
典型值 200 mA 输入：n x 2 x 16 位数据；可选 2 x 16 位周期计数器， 4 字节
StartNextLatch
过程映像数据
时间
EL3413 三相功率测量端子模块 690V EL3413 是EL3403 的延伸版本。可以直接连接 690V 交流电，优化了在风力发电行业的应用。不需要上层的电压互感器。 电流输入隔离，可以使用所有公共端接地的电流互感器。EL3413 可以处理简单的网络分析高达 21 次谐波分析。谐波数据可 以通过网络读取。
EtherCAT网络及其伺服运动控制系统研究
1、高速、高实时性：EtherCAT网络具有高速数据传输的特性，能够实现快 速的数据交换和响应，适用于需要高速响应的伺服运动控制系统。
2、扩展性强：EtherCAT网络采用总线型结构，可以方便地扩展网络规模， 适用于大规模的伺服运动控制系统。
3、抗干扰能力强：EtherCAT网络具有较好的抗干扰能力，能够在复杂的工 业环境中稳定运行，适用于各种恶劣条件的伺服运动控制系统。
三、研究方法
本次演示对基于Linux平台的EtherCAT运动控制系统进行研究。首先，通过 对系统需求进行分析，确定系统的基本架构和功能模块。接着，进行系统设计， 包括硬件选型、软件编程、系统调试等环节。最后，实施实验，对系统的稳定性、 实时性和数据传输率进行测试和评估。
四、实验结果与分析
通过实验，我们得到了基于Linux平台的EtherCAT运动控制系统的稳定性、 实时性和数据传输率等指标的数据。实验结果表明，该系统具有较高的稳定性和 实时性，能够在不同的工况条件下实现精确控制。同时，EtherCAT协议的高速数 据传输特性得到了充分体现，数据传输率达到了预期目标。
4、开放性：EtherCAT网络遵循以太网标准，具有开放性的特点，可以与各 种以太网设备进行无缝连接，方便构建集成化的伺服运动控制系统。
5、系统调试：对整个系统进行 调试和优化，确保系统稳定运行 并满足各项性能指标。
1、网络安全：确保EtherCAT网络的安全性，采取必要的安全措施，如设置 防火墙、加密通信等，防止网络攻击和数据泄露。
EtherCAT网络是一种工业以太网技术，由德国Beckhoff公司开发。它具有实 时性高、抗干扰能力强、扩展性强等优点，被广泛应用于各种工业自动化领域。 EtherCAT网络采用主从结构，由一个主站和多个从站组成，主站发送命令，从站 执行命令并向主站反馈执行结果。这种结构能够实现快速的数据传输和响应，适 用于高精度的伺服运动控制系统。
2、扩展性强：EtherCAT网络采用总线型结构，可以方便地扩展网络规模， 适用于大规模的伺服运动控制系统。
3、抗干扰能力强：EtherCAT网络具有较好的抗干扰能力，能够在复杂的工 业环境中稳定运行，适用于各种恶劣条件的伺服运动控制系统。
三、研究方法
本次演示对基于Linux平台的EtherCAT运动控制系统进行研究。首先，通过 对系统需求进行分析，确定系统的基本架构和功能模块。接着，进行系统设计， 包括硬件选型、软件编程、系统调试等环节。最后，实施实验，对系统的稳定性、 实时性和数据传输率进行测试和评估。
四、实验结果与分析
通过实验，我们得到了基于Linux平台的EtherCAT运动控制系统的稳定性、 实时性和数据传输率等指标的数据。实验结果表明，该系统具有较高的稳定性和 实时性，能够在不同的工况条件下实现精确控制。同时，EtherCAT协议的高速数 据传输特性得到了充分体现，数据传输率达到了预期目标。
4、开放性：EtherCAT网络遵循以太网标准，具有开放性的特点，可以与各 种以太网设备进行无缝连接，方便构建集成化的伺服运动控制系统。
5、系统调试：对整个系统进行 调试和优化，确保系统稳定运行 并满足各项性能指标。
1、网络安全：确保EtherCAT网络的安全性，采取必要的安全措施，如设置 防火墙、加密通信等，防止网络攻击和数据泄露。
EtherCAT网络是一种工业以太网技术，由德国Beckhoff公司开发。它具有实 时性高、抗干扰能力强、扩展性强等优点，被广泛应用于各种工业自动化领域。 EtherCAT网络采用主从结构，由一个主站和多个从站组成，主站发送命令，从站 执行命令并向主站反馈执行结果。这种结构能够实现快速的数据传输和响应，适 用于高精度的伺服运动控制系统。
Beckhoff状态监测系统解决方案pdf-倍福
04.12.2014
5
New Automation Technology
基于TwinCAT3的TF36XX状态监测系统介绍
PLC里相应的功能块：如FB_Envelope通过TcCOM调用使用C++编写封装的CM组件。 调用的图解见下图
04.12.2014
6
New Automation Technology
04.12.2014
18
New Automation Technology
Beckhoff 状态监测介绍
峭度指标 是无量纲参数，由于它与轴承转速、尺寸、载荷等无关，对冲击信号特别敏感，特别适 用于表面损伤类故障、尤其是早期故障的诊断。 在轴承无故障运转时，由于各种不确定因素的影响，振动信号的幅值分布接近正态分布， 峭度指标值K≈3;随着故障的出现和发展，振动信号中大幅值的概率密度增加，信号幅值 的分布偏离正态分布，正态曲线出现偏斜或分散，峭度值也随之增大。峭度指标的绝对 值越大，说明轴承偏离其正常状态，故障越严重，如当其K>8时，则很可能出现了较大 的故障。 峭度系数的意义如图1所示。当K=3定义为分布 曲线具有正常峰度（即零峭度）；当K>3时，分 布曲线具有正峭度。由(式2)可知，当标准差σt小 于正常状态下的标准差，即观测值的分散程度较 小时，K增大，此时正态分布曲线峰顶的高度高 于正常正态分布曲线，故称为正峭度。当K<3时， 分布曲线具有负峭度，由(式2)可以看出，当标 准差σt大于正常状态下的标准差，即观测值的分 散程度较大时，K减小，此时正态分布曲线峰顶 的高度低于正常正态分布曲线，故称为负峭度。
New Automation Technology
Beckhoff 状态监测系统
基于EtherCAT的多轴运动控制器
CRC
含义 接收方MAC地址 发送方MAC地址
0x88A4 数据区长度，即子报文长度加和 1，代表与从站通信，其余保留
循环冗余校验和
EtherCAT没有重新定义新的以太网帧结构，而是在 标准以太网帧结构中使用了一个特殊的以太网帧类型 0x88A4，采用这种方式可以使控制数据 直接写入以太网 帧内，并且可以与遵守其它协议的以太网帧在同一网络 中并行。一个EtherCAT帧中可以包含若干个EtherCAT子 报文，报文结构如图3，各部分含义见表2，每个报文都 服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，由FMMU （Fieldbus Memory Management Unit，负责逻辑地址与 物理地址的映射）寄存器和SM（Sync Manager，负责对 ESC和微处理器内存的读写）寄存器定义，该区域最大可 达４GB字节。EtherCAT报文由一个16位的 WKC(Working Count)结束，其数据区最大长度可达1486 个字节。在报文头中由8位命令区数据决定主站对从站的 寻址方式，由于数据链独立于物理顺序，因此可以对 EtherCAT从站进行任意的编址。
现场总线）是德国BECKHOFF公
司提出的实时工业以太网技术.
•
它基于标准的以太网技术，具
备灵活的网络拓扑结构，系统配置
简单，具有高速、高有效数据率等
特点，其有效数据率可达90%以上.
EtherCAT产品
1.1 EtherCAT系统组成和工作原理
• EtherCAT采用主从式结构， • 主站PC机采用标准的100Base-TX以太网卡， • 从站采用专用芯片。 • 系统控制周期由主站发起，主站发出下行电报.数
• 从站控制器与主站交换两种形式的数据，
• 一种是周期性数据，
含义 接收方MAC地址 发送方MAC地址
0x88A4 数据区长度，即子报文长度加和 1，代表与从站通信，其余保留
循环冗余校验和
EtherCAT没有重新定义新的以太网帧结构，而是在 标准以太网帧结构中使用了一个特殊的以太网帧类型 0x88A4，采用这种方式可以使控制数据 直接写入以太网 帧内，并且可以与遵守其它协议的以太网帧在同一网络 中并行。一个EtherCAT帧中可以包含若干个EtherCAT子 报文，报文结构如图3，各部分含义见表2，每个报文都 服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，由FMMU （Fieldbus Memory Management Unit，负责逻辑地址与 物理地址的映射）寄存器和SM（Sync Manager，负责对 ESC和微处理器内存的读写）寄存器定义，该区域最大可 达４GB字节。EtherCAT报文由一个16位的 WKC(Working Count)结束，其数据区最大长度可达1486 个字节。在报文头中由8位命令区数据决定主站对从站的 寻址方式，由于数据链独立于物理顺序，因此可以对 EtherCAT从站进行任意的编址。
现场总线）是德国BECKHOFF公
司提出的实时工业以太网技术.
•
它基于标准的以太网技术，具
备灵活的网络拓扑结构，系统配置
简单，具有高速、高有效数据率等
特点，其有效数据率可达90%以上.
EtherCAT产品
1.1 EtherCAT系统组成和工作原理
• EtherCAT采用主从式结构， • 主站PC机采用标准的100Base-TX以太网卡， • 从站采用专用芯片。 • 系统控制周期由主站发起，主站发出下行电报.数
• 从站控制器与主站交换两种形式的数据，
• 一种是周期性数据，
（1条消息）倍福beckhoff运动控制相关功能块，百晓生知识处理库发布
（1条消息）倍福beckhoff运动控制相关功能块，百晓生知识处理库发布由百晓生自创知识处理库整理清洗与发布，顶级知识整理加工生产python功能库。
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MC_BlendingLow 以较低的速度达到前动作的目标位置，然后执行后动作。
MC_BlendingNext 以后动作的速度达到前动作的目标位置，然后执行后动作。
MC_BlendingPrevious 以前动作的速度达到前动作的目标位置，然后执行后动作。
MC_BufferModeMC_Buffered 等前动作执行完成，停稳后再执行后动作。
MC_CAMACTIVATION_ASSOONASPOSSIBLE：考虑加速度和冲击在允许范围MC_CAMACTIVATION_ATMASTERAXISPOS：主轴绝对位置MC_CAMACTIVATION_ATMASTERCAMPOS：凸轮表的主轴位置，即主轴模态MC_CAMACTIVATION_INSTANTANEOUS ：不考虑加速度是否在允许范围MC_CAMACTIVATION_NEXTCYCLE：下一凸轮表周期生效MC_CAM_RefMC_CamAddMC_CamExchange 添加、移除和更换凸轮表MC_CamExchange 添加、移除和更换凸轮表。
也可以使用MC_CamIn_VMC_CamIn 和 MC_CamIn_V 种电子凸轮耦合功能块：MC_CamIn 的接口和功能比较简单，就是固定个凸轮表MC_CamIn 耦合的，就不能切换凸轮表。
MC_CamInExtMC_CamIn_V 是MC_CamIn 的升级版，功能更强大，支持多个凸轮表的迭加和切换。
倍福科技自动化产品和应用案例
bits
4通道热电偶输入模块, EL3314-0010
高精度, 开路识别
仿真 复杂控制
2011/11/9
EL3602-0010
型号电压-75…+75 mV, 测 量错误< ±0.05 % at 25 °C
全量程、 50 Hz 滤波)
数字万用表模块
EL3681
EL3125
2通道模拟量输入模块 0…20 mA, 超采样差分输
2011/11/9
7
倍福科技自动化技术应用领域---测试测量仪器
测试测量 机器人 仿真 复杂控制
2011/11/9
高级调试诊断 测试测量仪器 图像视觉 运动控制&机器人
仿真
复杂控制
8
倍福科技自动化产品---测试测量状态监测领域
测试测量
机器人
震动
噪声
温度 重量
油体分析 能量监测
仿真
复杂控制
2011/11/9
问题。 § 高效率的软件接口,无需实施CPU之间的复杂通讯。
仿真
复杂控制
2011/11/9
27
倍福科技自动化产品---机器人控制运动学模型
测试测量 机器人 仿真 复杂控制
2011/11/9
Cartesian Portal Roll kinematic (H-Bot)
Scara
Shear kinematic 2D Parallel kinematic
Scalability
Multicore Realtime
Supporting Standards
Supplements
Experience
Connectivity
Openess
4通道热电偶输入模块, EL3314-0010
高精度, 开路识别
仿真 复杂控制
2011/11/9
EL3602-0010
型号电压-75…+75 mV, 测 量错误< ±0.05 % at 25 °C
全量程、 50 Hz 滤波)
数字万用表模块
EL3681
EL3125
2通道模拟量输入模块 0…20 mA, 超采样差分输
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倍福科技自动化技术应用领域---测试测量仪器
测试测量 机器人 仿真 复杂控制
2011/11/9
高级调试诊断 测试测量仪器 图像视觉 运动控制&机器人
仿真
复杂控制
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倍福科技自动化产品---测试测量状态监测领域
测试测量
机器人
震动
噪声
温度 重量
油体分析 能量监测
仿真
复杂控制
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问题。 § 高效率的软件接口,无需实施CPU之间的复杂通讯。
仿真
复杂控制
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倍福科技自动化产品---机器人控制运动学模型
测试测量 机器人 仿真 复杂控制
2011/11/9
Cartesian Portal Roll kinematic (H-Bot)
Scara
Shear kinematic 2D Parallel kinematic
Scalability
Multicore Realtime
Supporting Standards
Supplements
Experience
Connectivity
Openess
倍福控制器原理介绍
TwinCAT的原理 BECKHOFF技术特点
TwinCAT 是一个自动控制软件包包含工程和运行时间软 件针对于:
• 实时核 • I/O数据采集 • 顺序控制 (软 PLC), • 运动控制 (软移动控制), • 通讯 (ADS),
并且所有这些是在Windows NT/2000/XP, 还有嵌入式 Windows NT/XP 和 . 的硬实时环境下
PC 平台 • 标准硬件 , 最佳性能 • 使用 PC 资源 • 使用主流操作系统 (Windows) • 易于集成到办公网络 • 开放的现场总线通讯
3
基于PC的 自动化
TwinCAT • 体系结构 • I/O • 控制 • 运动控制 • 插补运动控制 • 连通性 实施工程 摘要 问题
TwinCAT 的功能
3. The PLC Control in the status online.
TwinCAT的原理 BECKHOFF技术特点
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基于PC的 自动化
TwinCAT • 体系结构 • I/O • 控制 • 运动控制 • 插补运动控制 • 连通性 实施工程 摘要 问题
TwinCAT I/O 系统
• 对所有主要现场总线开放 • 支持PC 硬件 • 容易建立和诊断 • 从逻辑到物理 I/O的映射
控制 • 连通性 实施工程 摘要 问题
基于PC的自动化
TwinCAT的原理 BECKHOFF技术特点
控制的演变发展
工业PC 编程 工具 HMI
通讯
硬件 软件 机械的 电子的 Slots/CPUs 任务 并行连接 现场总线 通讯 直接访问
工业PC 编程 工具 HMI
路由器
..
CPU I/O NC
Beckhoff TwinCAT 3作为旋转分度系统的控制软件
Beckhoff TwinCAT 3作为旋转分度系统的控制软件
德国倍福自动化有限公司
【期刊名称】《自动化博览》
【年(卷),期】2015(0)11
【摘要】IMA公司在Automatica 2014展会上展出的CGM旋转分度台采用基于PC的运动控制系统,结构特别紧凑和多样化总部位于德国安倍格的IMA Automation公司借助一个全新的紧凑型旋转分度系统(最多能够实行8个装配步骤)满足装配应用中不断变化的需求。
系统具有更高的生产灵活性,同时提高操作效率和能效。
Beckhoff基于PC的控制技术和TwinCAT
【总页数】2页(P100-101)
【作者】德国倍福自动化有限公司
【作者单位】德国倍福自动化有限公司
【正文语种】中文
【相关文献】
1.Beckhoff TwinCAT 3作为旋转分度系统的控制软件 [J], ;
2.Beckhoff TwinCAT机器人运动学功能库和伺服技术提高了食品包装行业的效率[J], ;
3.倍福:TwinCAT 3楼宇楼宇控制软件 [J], ;
4.倍福推出新一代楼宇控制软件TwinCAT3 [J], 无;
5.倍福发布新一代楼宇控制软件：TwinCAT 3楼宇自动化 [J],
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9
TwinCAT NCI 功能
10
TwinCAT CNC 功能
Properties
Max. number of controlled axes/spindles Max. number of controlled spindles Max. number of independent channels Max. number of simultaneously interpolating per channel
TwinCAT NC I
255 3 path axes + 5 auxiliary axes
IEC 61131-3
DIN 66025 extension Subroutine techniques NCI function blocks from the PLC
Linear, circular, helical interpolation in the main planes Look Ahead
Linear, circular, helical interpolation in the main planes/freely definable planes Look Ahead Spline interpolation Thread functions
11
TwinCAT CNC 功能
12
TwinCAT NC I 功能
Properties
Max. number of controlled axes Max. number of simultaneously interpolating per channel PLC programming NCI programming
Interpolation functions
NC 服务
例如. 1ms
2ms
3ms
4ms
NC 周期 (例如. 1ms) NC 周期 PLC 周期 (例如. 2ms)
NC 周期 PLC 周期
NC 周期
5ms
t
t
5
Beckhoff 运动控制实现方式TwinCAT NC PTP，NCI，CNC
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
逻辑运算与 位置，速度
处理
加速度控制
路径规划 闭环控制
同步，凸轮 飞剪等
CamTableSelect
Single Axes
MoveAbsolute MoveRelative MoveAdditive MoveSuperImposed MoveContinuous MoveVelocity Home Stop PositionProfile VelocityProfile AccelerationProfile
Multiple Axes
Non-Interpolated
CamIn CamOut GearIn GearOut Phasing
Interpolated
…
13
TwinCAT NC PTP- --PLCopen 功能块概览
MC_MoveAbsolute MC_MoveRelative MC_MoveSuperimposed MC_MoveAdditive MC_PositionProfile
MC_MoveAbsolute; MC_ MoveRelative MC_MoveAdditive; MC_PositionProfile
MC_MoveVelocity
Discrete Motion
TwinCAT CNC
255 12 10 32 path axes/spindles
PLC programming CNC programming
Interpolation functions
IEC 61131-3
DIN 66025 extension High-level language extensions Subroutine techniques User macros
TwinCAT NC PTP--PLCopen 功能块概览
AAddmmininisisttrraattivivee
MMoottioionn
Single Axes
Multiple Axes
Power Reset ReadStatus ReadAxisError ReadParameter WriteParameter ReadActualPosition
通用插补
NCPLPCTP
NCPLPCTP
NC I
NC PTP NC I
CNC
TWINCAT –PC Control PLC/NC PTP/CNC
7
Beckhoff运动控制概览 I/O, PLC, NC PTP, NCI/CNC高度集成在一个平台中
实时性：
• 硬实时能力：周期最小至 50微秒，以及 Beckhoff 拥有专利的 对CPU利用率的动态调整
内核模式
用户模式
TCP/IP
4
实时服务器
Beckhoff 运动控制系统机制
在 PC 上运行 PLC 和 NC
� PLC 任务 和 NC 任务定时地以多任务多线程独立运行 � 周期性地获取CPU的计算时间
在PC 上 一个 PLC 程序和 NC 控制的实时运行
PLC 服务
Windows NT 和 HMI程序
Beckhoff 运动控制技术及解决方案
运动控制器 --基于Windows XP 和CE的IPC EPC
IPC
嵌入式PC
2
运动控制系统基石---现场总线及I/O
3
控制软件---TwinCAT Totol Windows Control Automation Technology
TwinCAT 系统
•XFC 100微秒的刷新周期（包含 100个伺服轴） � 基于 EtherCAT总线
• 几乎运行于任何一个 PC • 纯软件解决方案 (无需硬件扩展 )
7
TwinCAT NC PTP 功能
普通定位运动 (Point to Point) 电子齿轮同步 数字凸轮开关 凸轮轴 运动叠加（合成） 飞剪
8
诊断功能 如示波器
系统管理器
PLC 控制
用户 HMI
用户 HMI
ADS
ADS
ADS
OCX/Dll
OPC
ADS
ADS
Windows NT, ADS 路由器 2000, XP
ADS
ADS
ADS
ADS
PLC 服务器
NC 服务器
其它 例如，凸轮等
I/O 服务器
I/O
I/O
I/O
I/O 映射 现场总线接口卡驱动程序