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New Automation Technology

德国倍福自动化有限公司

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Verl

倍福全球

概况

数据: 04/2010

总部: 德国，威尔市 (Verl)

全球雇员总数: 1,350

工程技术人员: 400

在德销售/技术办事处: 10

Beckhoff 全球分支机构: 24 个国家 (51 个办事处)

全球分销商: 60 个国家

2009 营业额: 2.36 亿欧元

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2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

进入

中国市场

上海成立倍福中国独资公司

并将中国区总部迁至上海

北京代表处

广州分公司

倍福中国公司发展历程

Beckhoff China

上海代表处

广州代表处

成都办事处

武汉办事处

宁波办事处

成都分公司

中国公司上海总部下设销售部、市场部、技术支持部、项目应用部、人事行政部、财务部、售后服务部和物流仓储中心

青岛办事处

北京分公司

风电业务部门成立

沈阳、杭州、合肥办事处

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倍福中国销售网络

Beckhoff China

总部分公司办事处办事处（规划中）

上海

北京

成都

广州

宁波

沈阳

武汉

南京

杭州

无锡

天津

长沙

昆明 厦门

青岛

西安

柳州

合肥

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产品与服务

工业自动化解决方案

嵌入式 / 抽拉式工控机

控制柜式工控机

面板型 PC

控制面板

嵌入式控制器

主板

总线端子模块

现场总线端子盒

PC 现场总线接口卡，交换机

EtherCAT

Lightbus

TwinCAT PLC

TwinCAT NC PTP

TwinCAT NC I

TwinCAT CNC

自动化工业 PC

I/O

伺服驱动器

同步伺服电机

直线伺服电机

行星齿轮减速机

步进电机

运动控制

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发展里程碑

控制技术成

立

CX1000 嵌入式控制器

EtherCAT

S2000 PLC/NC/CNC

PC 上的 S1000 PLC/NC

总线端子模块:

通用型 I/O

TwinCAT: IEC 61131 PLC real-time, Windows NT

TwinCAT CE

驱动器:

AX5000

Lightbus

基于 PC 的机械控制

嵌入式主板

控制面板和控制柜式 PC

集成式 PC 主板EtherCAT

TwinSAFE

TwinSAFE

Atom™ CPU

高密度总线端子模块

TwinCAT 3

XFC

80 838281 84 85 86 87 88 9089 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

工控机I/O运动控制自动化

现场总线端子盒

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自动化控制的发展

PC控制技术

组成 可视化 PLC

NC/CNC

通讯

PC 控制

复杂程度

操作面板,

可视化,

数据备份

工业PC

1970 1975 1980 19901985 1995 20052000 2010

科学自动化 极速控制系统

(XFC)

特殊功能

嵌入式控制器

中小型PLC

NC

控制

PLC

控制

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产品和系统解决方案

驱动技术

工业PC 现场总线盒

总线端子模块

现场总线卡交换机

嵌入式控制器

TwinCAT

EtherCAT

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工业PC

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嵌入式控制器

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I/O组件

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伺服驱动

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伺服电机，步进电机

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TwinCAT 2

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TwinCAT 3

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2010 上海世博会：德国馆 金属互动球

Beckhoff 在中国的应用

项目描述：

2010 上海世博会中德国馆金属互动球的控制柜设计

项目实施时间：2009

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运动控制：京剧表演机器人

Beckhoff 在中国的应用

项目描述：

2009 上海国际工业博览会，京剧表演机器人

项目实施时间：2009

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风力发电：明阳电气

Beckhoff 在中国的应用

项目描述：

华南区广东省湛江 1.5 MW 风力发电机组控制系统的开发

项目实施时间：2006

控制结构：

嵌入式控制器 CX1020

EtherCAT 总线通讯

CANopen 主站

PROFIBUS 主站

TwinCAT 自动化软件

PC控制技术

结构比较: 传统方式与PC控制技术

传统的 PLC 和 NC

在自动化结构中, PC• 实现操作员界面• 处理 HMI 程序并完成通信任务• 在三个系统中它的CPU功能最强

传统的 PLC• 带有协处理器卡的标准 PLC

• I/0 通过现场总线或并行电缆

Leistung

DUDU... ...

32 \ 32 \

可视化界面

IPC

PLC NC

控制

NC - 对PLC的位移控制• 位移闭环控制在专门的NC硬件协处理器上执行• 位置测量和速度控制是通过并行电缆处理的

在这个自动化结构中，PC• 实现操作员界面• 处理 HMI 程序并完成通信任务• 在三个系统中它的CPU功能最强

协处理器 - PLC• 标准的PLC作成协处理器卡• I/O 通过现场总线

Leistung

NC - 移动控制通过协处理器• 在协处理器卡上执行移动控制• 位置测量和速度控制是通过并行电缆处理的

结构比较: 传统方式与PC控制技术

PLC 和 NC 作成 PC 的协处理器卡

Steuerung

DUDU

SPS NC

...

I/O 驱动单元

现场总线

IPC可视化界面

PLC NC

结构比较: 传统方式与PC控制技术

在PC上的PLC 和运动控制

优点• 集中的结构提供了较好的灵活性• 接口少，效率高• 现场部件通常是非智能型的，不用设置即可被容易地更换

在PC上的PLC• 具有硬实时能力的软件PLC

• I/O 通过现场总线实现通信, 支持所有标准

NC - 在PC上的运动控制• 位移闭环控制在PC处理器上执行• 位置测量和速度控制通过现场总线与 MC 循环时间同步进行交换

I/O

for PLC

伺服, FI,

继电器

位置测量 电机

v

s

IPC可视化界面

I/O

NC 移动控制IEC61131-3 PLC

驱动单元

新自动化结构: 工业PC 作控制系统

扫描仪电话上网 打印机

Profibus Interbus CANopen DeviceNetLightbus Sercos Ethernet

DOS / Windows NT / CE

I/O 映射

应用程序平台• 操作员界面

• Scada

• Windows 应用程序

程序开发平台

System

Manager PLC NC PTP NCI

I/O

Server

PLC

Server

NC PTP

Server

NCI

Server

实时核扩展

用户模式

核模式

VGA显示器 Modem RS 232 C 并行口局域网软 盘 硬盘

新自动化结构: 工业PC 作控制系统

PC 控制与传统控制的比较

传统控制组成• 硬件: 可视化 PC, PLC, NC/CNC 模块, 微处理器系

统• 软件: 多个操作系统, 编程语言, 编程系统• 接口: 在硬件设备之间, 在软件系统之间, 集中式配

电柜

成本

100%

40%

传统 PCC

复杂性

传统

100%

60%

PCC

降低- 40%

降低- 60%

PC 控制组成• 硬件: PC 和现场总线, 支持所有标准• 软件: Windows NT 操作系统, PLC, NC PTP, NCI,

倍福 TwinCAT,

应用程序: Windows 软件产品和 C, C++, VB,

Delphi

• 接口: 标准化软件接口, 分布式配电柜

优点：• 成本低

• 减少了组件:

可靠性增加, 改善了互换性• 降低复杂性:

减少工程量, 把较多的时间用于过程的优化上

系统比较

新自动化结构: 工业PC 作控制系统

PC 硬件是标准化的和可互换的

现场总线 I/O 通过现场总线实现标准化，因此可互换

因特x86 处理器系列和微软操作系统保持了连续性

PC 控制提供了 PLC, NC, 闭环控制, ... - 在标准硬件上完成项目应用

独立于硬件供应商

独立于硬件供应商

对软件和专项技术的投资得到长期保护

某一厂家的所有设备采用同一个标准的硬件平台

PC控制的基本任务

比较: 传统 PLC 运行模式

标准 PLC: 程序被周而复始循环地运行, 固定周期是运行模式之一

标准 PLC上 一个程序的实时运行

PLC 周期 PLC 周期

读输

入

程序运

算

写输

出

读输

入

程序运

算

写输

出

t

软件 PLC: 预留了操作系统的计算容量

软件 PLC 以固定周期运行, 剩余的 PC 容量用于运行 Windows NT 和 HMI 程序

PC 上 一个 PLC 程序的实时运行

PLC 周期 PLC 周期

读输

入

程序运

算

写输出

Win

dow

s N

T

和H

MI 程

序

读输入

程序运

算

程序运

算

读输入

写输出

t

PC控制的基本任务

在 PC 上运行 PLC

Win

dow

s N

T和

HM

I程序

PLC 任务 和 NC 任务定时地通过多任务去运行

周期性地获取操作系统的计算时间

Windows NT

和 HMI程序NC 服务PLC 服务

在PC 上 一个 PLC 程序和 NC 控制的实时运行

PLC 周期 (例如. 2ms) PLC 周期 t

t

PC控制的基本任务

在 PC 上运行 PLC 和 NC

NC 周期 (例如. 1ms) NC 周期 NC 周期 NC 周期

1ms 2ms 3ms 4ms 5ms例如.

PC控制的基本任务

TwinCAT 系统管理器负责 I/O 连接

特性• 连接 I/O 设备和任务变量• 连接 各任务之间的变量

• 相容数据域和过程映象的交换

开放性: 支持所有 (现场总线) 标准• 倍福 Lightbus

• Profibus

• InterBus

• CANopen

• DeviceNet

• Sercos

• 以太网 TCP/IP

• PC 卡上的存储器接口 (DPRAM)

在线分析• 在线描述• 在线观察窗• 强制和写任务变量及I/O 设备

PC控制的基本任务

IEC61131-3 软件 TwinCAT PLC Control

先进的 PLC-编程系统• 5 种编程语言

(语句表; 梯形图; 功能图; 流程图; 结构文本)

• 可以功能库 / 功能块的形式连接 C 语言• 强大的库管理• 自由在线调试

先进的 PLC-调试器• 监视器• 流程控制, 电力流程• 单步运行, 断点• 观察表• 数据跟踪, 示波器• 在线写, 强制, 在线变更• 通过 TCP/IP 实现世界范围的远程连接

PC控制的基本任务

TwinCAT NC PTP 执行 NC 运动控制

坐标结构• 最多 256 个坐标• 无需坐标配置• 无需选择坐标类型• 无需测量映射系统和驱动

坐标类型• 伺服轴: 电动的, 液压的• 步进电机驱动• 变频驱动

坐标功能• PTP 定位• 主/从功能• 电子变速箱• 凸轮系统• 飞轮前馈

PLC 接口• 坐标控制功能块• 通过 NC<->PLC 结构实现 循环接口

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

0

20

40

60

80

100

速度 [m/min]

时间 [sec]

-22

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

加速度 [m/sec/sec]

-2

0

2

跳变 [scaled to -1,0,+1]

0

200

400

600

800

1000

PTP: DYNAMICS位置 [mm]

PTP 定位: s, v, a, da/dt

坐标结构通过功能块实现动作控制

PC控制的基本任务

对自动化的软件接口

微软标准• ActiveX-组件:

AdsOCX, DLL

• 访问方法:

同步, 异步,

循环, 更改报告• 对 Visual Basic, Visual C++,

Delphi, 等的接口.

自动化的标准• OPC-服务器 (针对过程控制的OLE )

• 短时间访问• 本地 / 远程访问• OPC 用户端接口, 如 Scada 系统

PC 控制系统的特点

PC 控制

四大组件

工业 PC

现场总线 I/O

标准的操作系统

(DOS, Windows NT / 2000 / XP / CE)

实时控制软件

PC 控制

提供了

“开放式的控制系统"

利用标准的硬件

利用标准的软件

TwinCAT

仅需要

用户可简单地实现

应用和工业

特殊的解决方案

PC控制

由 四 部分组成

工业 PC

现场总线输入/输出模块

标准的操作系统

(DOS, Windows NT / 2000 / CE)

实时控制软件

PC 控制

向您提供

“开放式控制系统"

利用标准的硬件

利用标准的软件

便于用户根据具体需求

实现特殊的应用和工业解决方案

TwinCAT

传统控制与 PC 兼容的控制技术比较

现场设备

DUDU

现场设备

M2400BK2000 DU

PLC NC

... ... DU

32 \ 32 \

可视化

I/O

Visual

BasicPLC NC

NCPLC总线接口卡

LAN

AMS communication

Routing

IPC

OPC传统的

设备和

生产线控制

电控柜

电源 控制器

PC兼容的

设备和生产线控制

电源

电控柜

AMS communicationIPC

PC 控制系统的优势 （1）

PC控制

由 四 部分组成

工业 PC

现场总线输入/输出模块

标准的操作系统

(DOS, Windows NT / 2000 / CE)

实时控制软件

PC 控制

向您提供

“开放式控制系统"

利用标准的件

利用标准的软件

便于用户根据具体需求

实现特殊的应用和工业解决方案

TwinCAT

用工业PC作主站，可靠性高，功能强大PLC任务），执行

速度快。

• 采样标准的软硬件，易于替换和升级。共享强大的计算机资

源和网络功能。

• 编程开发平台和实时运行系统可选择在同一台PC或不同的

PC上执行。

一机多用，节省硬件资源，降低复杂性

在一台工业PC上实现多个PLC系统，NC坐标控制，编程

开发平台和操作站。

Leistung

开放式系统，操作环境友好，易于学习和掌握。

• 开放的、兼容的PC硬件，不依赖于生产厂家

• 采用国际标准的IEC61131－3软PLC和软NC编程语言，

含5种编程语言

• 操作系统: Windows NT/2000/XP, Windows CEPLC I/O

模块

伺服系统, 变频器, 继电器

位置测量 电机

v

s

IPC可视化

I/O

NC 运动控制IEC61131-3 PLC

驱动装置

PC 控制适应了现场总线技术的发

展要求。

易于通信和上网• 实现控制的 IT管理

• 控制参数和监控数据，报表共享• 通过互连网实现远程操作

易于实现与其它软件的连接

与用户接口和其它软件的数据通讯可通过微软标准接口（OPC，OCX

，DLL等）

局域网

IT 管理层

服务器生产建模

PC

工作站

PC 控制 PC 控制 PC 用作传统的PLC

PC

工作站

PC 控制的优势（2）

PC 控制不仅有技术上的优势，也

降低了系统硬件成本和开发资金。

05.09.2012 37

New Automation Technology

Robotic （机器人）

05.09.2012 38

机器人软件包

TwinCAT

Klaus Bernzen

研发者

05.09.2012 39

机器人软件包

TwinCAT

TwinCAT 中集成的机器人软件包提供下列性能：

节省掉了额外的用于机器人控制的CPU

采用TwinCAT软件来做配置，参数化和诊断，在同一系统中保持了使用上的一致性和便利性。

避免了不同CPU和PLC系统，运动控制和机器人软件由于匹配合作而引起的摩擦损失

与TwinCAT之间的直接接口带来了更高的性能和精度，这是多CPU系统之间复杂通讯所不能达到的。

05.09.2012 40

支持的运动学模型

TwinCAT

笛卡尔坐标模型

H型机器人

Scara 多关节装配机械手

剪型运动副

起重吊臂式运动副

二维平面平行机械手运动副

三维空间Delta机器人

05.09.2012 41

系统管理器里的组态

TwinCAT

NC 任务允许加入不同的机器人运动组

在每个运动组里可以选择不同的运动学模型

05.09.2012 42

系统管理器里的组态

TwinCAT

轴设置

机床坐标系MCS中的轴被设置为虚拟轴

在机床坐标系MCS中进行参数配置和编程

轴坐标系ACS中的轴与I/O相连接

运动组设置

在MCS & ACS中进行轴的分配

通过XML文件描述运动类型

05.09.2012 43

系统管理器中的配置

TwinCAT Motion Control: Kinematic Transformation

例子: Delta变换

05.09.2012 44

例子: 手动模式

TwinCAT

可以在笛卡尔坐标系MCS或者ACS中对轴进行操作

9/5/2012 45

运动轨迹编程

TwinCAT

运动轨迹编程可以由下列方式实现

PTP 点对点

Cam Plate 电子凸轮

G代码(DIN 66025)

TcPlcInterpolation 功能库

目标的位置一般用笛卡尔坐标表示 (X,Y,Z)

插补模式 (G-Code, TcPlcInterpolation)支持不同的用户坐标系

在多个传送带方向间实现同步

05.09.2012 46

坐标系

TwinCAT

描述

WCS World co-ordinate system

WCS坐标的原点在机械中定义，每个机器人单元都以该点为基准来定义

MCS Machine co-ordinatae system

MCS与机器人的底座相联系，该坐标的定义依赖于WCS

UCS User co-ordinate system

UCS一般描述一个料盘或一个传送带在WCS中的方向

PCS Part co-ordinate system

PCS相对于UCS定义，工件目标的坐标编程在PCS中实现，例如抓取一个工件

坐标系的方向通过移动或者旋转来描述

05.09.2012 47

坐标系

TwinCAT

WCS World co-ordinate system

WCS

工件 (PCS)

Conveyor

UCS 1

UCS 2

MCS 1 MCS 2

MCS machine co-ordinate system

UCS user co-ordinate system

PCS

PCS programmed co-ordinate system

(work-piece)

05.09.2012 48

运动路径的计算

TwinCAT

前向运动转换

反向运动转换

动力学模型的计算

05.09.2012 49

TwinCAT

动力学模型的计算允许电流预控制并且提供以下功能：

跟随误差的减小

机械振荡的减小

电流预控制

05.09.2012 50

电流预控制

TwinCAT

是否采用预控制对跟随误差的影响

9/5/2012 51

TwinCAT 机器人软件包的分级

TwinCAT

级别1

• 静态变换，包括平移和旋转

级别2

• 包含级别1

• 主要是二维平面的变换，如H型机器人模型和二维平面平行机械手模型

级别3

• 包含级别2

• 主要是三维空间的变换，如Delta机器人

9/5/2012 52

软件许可

TwinCAT

每个CPU的许可

需要预装TwinCAT NC I

x86兼容PC