当电子设备故障越来越频繁时，总部位于黑尔策布罗克的 Vetex 公司意识到，是时候对簇绒机进行改造升级，并转向基于 PC 的控制技术。倍福的紧凑型驱动技术帮助他们实现了全新的纱线送料方式：424 个 ASI8114 驱控一体步进电机取代了传统的纱线送料辊，为系统输送约 1700 根纱线 — 不仅可对每根纱线的长度进行独立快速控制，还能对纱线张力进行实时监测。
总部位于黑尔策布罗克的地毯专制造商 Vetex 提供各式图案、色彩与尺寸的地毯产品。其旗下 Infloor-Girloon 品牌在全球市场推广的产品种类极为丰富，涵盖多种质量等级的标准产品，绒头重量从 500 克/平米到 2000 克/平米不等。“我们的其它明星产品包括定制印花图案地毯，以及自粘式方块地毯，这种地毯可直接铺装在无尘、平整的地板上，并能随时拆除且不留残胶。”Vetex 公司生产与产品管理部门负责人 Josef Röttgers 介绍道。
全球最常用的地毯制造工艺是簇绒法，它是一种介于缝纫与刺绣之间的技术。穿好绒头纱（簇绒纱）的机针穿过底布，而底布则通过送料辊和牵引辊与机器运行周期同步移动。机针垂直排放在簇绒机的宽度方向，以 Vetex 设备为例，4.29 米宽的工作幅面上精确排列着 1696 根簇绒针。“这相当于每英寸地毯宽度上分布了十根机针。”Vetex 簇绒与织造部门生产经理 Ralf Bosch 解释道。钩针在穿过底布后，在底布背面形成绒纱线圈并固定其高度，如果这些针钩同步配备刀片，便能将线圈割开，使簇绒织物成功转变为割绒地毯。
对于 Infloor-Girloon 的目标市场 — 连锁酒店、办公场所、保险公司、专业零售商及建筑行业而言，产品质量与耐用性至关重要，能够根据色彩、质地和图案定制设计地毯的能力也不可或缺。“生产过程必须尽可能顺畅、精准，而旧有的控制系统已无法满足这一要求。”Ralf Bosch 说道，他强调了倍福与位于雷达-维登布吕克的机械制造商 Gierecker & Brökelmann 共同实施升级改造的必要性。因此，这台簇绒机上原本故障频发的电子设备全部更换为高性能且灵活的控制与驱动技术 — 基于 PC 的控制解决方案。
这不仅能缩短响应时间，还能提升客户满意度。总之，LLM 为应对现代商业领域的众多挑战提供了高效、创新的解决方案。
—— Josef Röttgers
01
配备 400 余个驱控一体步进电机的纱线送料装置
在簇绒机改造过程中，原有的驱动技术被替换为多个 AM8000 系列同步伺服电机 和 AX5000 紧凑型伺服驱动器，用于控制机针行程、簇绒织物送料、压脚以及升降工作台等。“在此次升级改造中，精确的纱线送料与纱线张力控制是重中之重。Vetex公司 采用了一套全新方案，而唯有借助结构紧凑的 ASI8114 驱控一体步进电机，该方案才能得以顺利落地实施。”倍福公司负责此次升级改造项目的项目经理兼编程工程师 Jens Hülsebusch 解释道。总计 424 驱控一体步进电机，通过相应的轴从纱架牵出四根纱线，再经混纱箱与牵引辊输送至设备。这些纱线驱动装置的速度每秒每秒可变化多达十次。
“由于这些驱控一体步进电机尺寸紧凑，法兰尺寸仅为 42 毫米，并且具有功耗低的特点，因此可以实现高密度安装。”倍福驱动技术高级产品经理 Christian Mische 补充道。“与其它解决方案相比，这种设计方案显著降低了 1696 根独立纱线送入系统的结构复杂度，同时实现了更高精度的控制。”Ralf Bosch 证实道。
采用 48 伏直流供电的紧凑型驱动技术不仅节省了宝贵的安装空间，更带来多重优势。其内置的反馈系统将步进电机转变为采用矢量控制的精密伺服驱动器。与传统步进电机相比，这意味着能耗与发热量大幅降低，改造后设备的功耗从传统设备的近 8 千瓦降至约 4 千瓦。“对于两班制运行且拥有多台设备的情况，这种节能效果对降低能耗和减少碳排放具有显著的意义。”Ralf Bosch 表示。这些驱控一体步进电机由 19 个 PS3000 电源模块供电。
基于 PC 的控制系统通过电机电流或产生的扭矩来调节纱线张力，并能够检测张力过高或断线情况。“这两者都会直接影响地毯品质。”Josef Röttgers 说道。纱线张力通过点阵图在 CP2918 控制面板上显示给设备操作人员。“操作人员可通过颜色变化立即定位纱线送料卡顿位置，并在必要时及时进行干预。”Jens Hülsebusch 说道。为确保显示与设备运行周期同步，可视化界面由 TwinCAT 3 PLC HMI (TF1800) 创建。
02
无风扇嵌入式控制器肩负
系统控制核心重任
TwinCAT 以 1 毫秒的周期时间精确计算实现所需纱线张力所需的电机电流或扭矩。“为确保实现如此短的控制周期，我们将数量庞大的步进电机以及其它任务分配至 C6032 超紧凑型工业 PC 的八个处理器核心和多个 EtherCAT 网段。”Jens Hülsebusch 解释道。每个以太网接口分别将 100 个驱控一体步进电机连接至工业 PC。第五个分接点连接其余的 EtherCAT 端子模块、EP 端子盒以及用于控制簇绒机其它驱动单元的 AX5000 紧凑型伺服驱动器。数控部分、可视化界面及快慢速工艺进程分别分配给另外的 CPU 核心。“在此应用中，我们充分发挥了基于 PC 的控制技术的灵活性和工业 PC 的性能优势。”Jens Hülsebusch 总结道。
Josef Röttgers 对此予以证实：“这是 Vetex 迄今实施过的最为复杂的设备改造项目，但得益于倍福系统工程技术团队的精心筹备与专业实力，整个过程进展得十分顺利。”改造过程中面临着诸多挑战，其中就包括要根据地毯设计对大量驱动器进行独立控制，以及在控制系统中解析和处理图案的位图数据。“不同长度的纱线缝入底布，便形成了各种各样的图案。”Ralf Bosch 解释道。为实现这一效果，TwinCAT 必须将图形设计师设计的图案逐像素转换为 424 个驱控一体步进电机的位置设定值和纱线长度，并生成运动轨迹。在这方面，基于 PC 的控制技术能够充分发挥其优势，因为 C6032 超紧凑型工业 PC 可以与 TwinCAT 3 配合使用，提供充足的实时内存来读取和处理约 10 MB 的文件。控制器与设计部门或订单规划部门之间通过 TwinCAT 3 XML Server（TF6421) 建立连接。而复杂的运动序列则通过 TwinCAT 3 PLC/NC PTP (TC1250) 和 NC Camming (TF5050)。
基于此次极其成功的改造经验，Vetex 正着手推进更多的现代化升级改造项目：除改造自粘方块地毯切割系统外，Josef Röttgers 已经开始规划明年对另一台簇绒机进行升级改造。
关于德国倍福
倍福（Beckhoff）是一家专注于自动化新技术的德资企业，创立于 1980 年，总部位于德国威尔市。作为全球自动化技术的驱动者，倍福定义了自动化领域的许多标准，是国际标准的制定者和推动者。公司所生产的工业 PC、现场总线模块、驱动产品和 TwinCAT 自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。经过 40 年的发展和努力，倍福已在世界各地设立 30 多家分支机构，加上全球的合作伙伴，业务遍及 70 多个国家和地区。
倍福于 1997 年进入中国市场，中国区总部落户于上海市北高新产业园区，现有员工 300 人，办事处遍及国内 30 座大中城市。创新产品和解决方案广泛应用于风力发电、半导体、光伏太阳能、电子制造、金属加工、包装机械、印刷机械、塑料加工、轮胎加工、木材加工、玻璃机械、物流输送以及楼宇自动化等众多领域。
公司倾力推广的 EtherCAT 实时工业以太网于 2014 年成为中国国家推荐性标准，并已入编工信部的《国家智能制造标准体系建设指南》。作为一家技术驱动型公司，倍福一直注重在技术上寻求突破创新，在业内享有“创新引擎”的美誉。倍福基于 PC 的控制技术具有良好的开放性，它支持所有主流的工业通信协议，将 IT 技术、互联网和自动化技术完美融合在一起，为实现工业 4.0 和智能制造奠定了坚实的技术基础。
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