倍福經(jīng)典案例選（二十九）——通過創(chuàng)新的自動化技術(shù)對安全性、靈活性和空間利用率進(jìn)行優(yōu)化
Machine Solutions 公司（MSI）總部位于美國亞利桑那州的旗桿市，為各類大型或小型醫(yī)療器械公司提供機(jī)械工程服務(wù)。MSI 在醫(yī)療器械行業(yè)所涉及到的業(yè)務(wù)主要分五大塊：支架壓接、球囊打褶和折疊、導(dǎo)管標(biāo)識帶壓模、導(dǎo)管加工、導(dǎo)管和支架測試設(shè)備。約 50 % 的 MSI 設(shè)備都供應(yīng)給美國市場，剩余設(shè)備則銷往國外市場。2006 年，該公司欲利用前沿自動化和控制技術(shù)在球囊導(dǎo)管吹制領(lǐng)域建造一款新型機(jī)器。
球囊導(dǎo)管可以挽救血管收縮患者的生命。在醫(yī)療過程中，醫(yī)生將球囊導(dǎo)管通過血管插入到血管收縮處，用 8–20 bar 的氣壓膨脹導(dǎo)管上的球囊。這樣可以擴(kuò)張血管，使得血液能夠再次自由流動。使用哪種尺寸和形狀的球囊取決于血管收縮的類型和位置。
可膨脹的球囊是采用熱風(fēng)技術(shù)制造而成的：在預(yù)定義的壓力和熱度下，球囊預(yù)成型坯在玻璃或金屬模具中被壓制成球囊。冷卻后，這些球囊經(jīng)過檢測后安裝到導(dǎo)管上，然后折疊。傳統(tǒng)的球囊吹制/成型設(shè)備使用與球囊尺寸相同的吹塑模具制造特殊尺寸的球囊。由于特殊模具類型具有限制性，這種制造工藝對于那些需要小批量生產(chǎn)各種球囊型號的制造商來說可能會顯得效率太低。
先進(jìn)的系統(tǒng)，適用于靈活度更高的生產(chǎn)
“本項目的主要目標(biāo)是確保該生產(chǎn)設(shè)備是最先進(jìn)的，在市場細(xì)分上具有高度靈活性。”MSI 的軟件和電氣工程師 Brent Bohmont 如是說。“作為我們的新一代產(chǎn)品，設(shè)備必須能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具備各種重要功能，并能夠通過現(xiàn)有技術(shù)提高產(chǎn)品效益，以凸現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)勢”。MSI 的機(jī)械工程師 Paul Reiss 解釋道：“靈活性是關(guān)鍵，特別是因為針對介入醫(yī)療器械的監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)證非常之嚴(yán)格”。當(dāng)我們的客戶需要耗費(fèi)如此大成本去制造球囊模具并獲得認(rèn)證時，設(shè)備的靈活性對于各種模具來說是至關(guān)重要的。
“在更換吹塑模具時，我們必須能夠通過軟件改造控制系統(tǒng)，而無需添加單獨(dú)的運(yùn)動控制器硬件。”軟件專家 Bohmont 如是說。“這可能意味著，只需通過簡單地修改軟件即可添加運(yùn)動軸或更換加熱電路。”前提條件是要有高性能和靈活的自動化及控制技術(shù)。
MSI 選擇高速 EtherCAT I/O，配以總線端子模塊 I/O 系統(tǒng)和 TwinSAFE I/O 系統(tǒng)，通過先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)讓設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，在高度簡化的系統(tǒng)中創(chuàng)建諸如急停（E-stop）電路和安全光幕等安全功能。
基于 PC 的控制系統(tǒng)和用于實現(xiàn)靈活性和安全性的模塊化 I/O
MSI 選擇 Beckhoff 基于 PC 的控制技術(shù)用于新型 MSI 球囊吹制 / 成型設(shè)備，借助功能強(qiáng)大的處理器，僅用一臺設(shè)備即可處理所有控制任務(wù)，無需單獨(dú)的運(yùn)動控制器硬件。MSI 選用了 Beckhoff 的先進(jìn)控制技術(shù)，包括：帶TwinCAT PTP 軟件的控制柜工業(yè) PC C6920；用作現(xiàn)場總線系統(tǒng)的 EtherCAT；用于數(shù)據(jù)連接的 EtherCAT 端子模塊和總線端子模塊；以及用于安全功能的 TwinSAFE 端子模塊。安全端子模塊通過 EtherCAT 總線耦合器 BK1120 集成在 EtherCAT 系統(tǒng)中。
MSI 使用高速 EtherCAT I/O 端子模塊來處理 MSI 機(jī)器導(dǎo)管伸縮功能的強(qiáng)力反饋。“事實說明，EtherCAT 是滿足我們需求的理想選擇，”Bohmont 贊賞道。“通常來說，在類似這樣的應(yīng)用場合中，模擬量I/O 有較長的轉(zhuǎn)換時間。通過 EtherCAT 實現(xiàn)的快速模擬量 I/O 則不會這樣，我們僅僅受限于信號調(diào)節(jié)器。由于 EtherCAT 具有開放性，它不僅可以集成 Beckhoff 電機(jī)，還可以集成來自其它廠商的電機(jī)和系統(tǒng)部件。所有的設(shè)備連接及工廠網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)都是通過簡單、標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜（而不是很多束凌亂的線纜）實現(xiàn)的。
TwinSAFE：輕松實現(xiàn)安全集成
在安全功能的實現(xiàn)方面，MSI 選用了 Beckhoff 的 TwinSAFE 技術(shù)。“由于 TwinSAFE 安全協(xié)議采用現(xiàn)有的 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)，與傳統(tǒng)的安全 PLC 及其安全相關(guān)網(wǎng)絡(luò)相比，TwinSAFE 的操作更為簡化，可完全滿足保證機(jī)器安全的要求。同時，這樣也可顯著減少布線時間。”Bohmont 如是說。MSI 使用 TwinSAFE 技術(shù)來建立急停電路和光幕系統(tǒng)。TwinSAFE 也可用于監(jiān)控諸如模具壓力、加熱器溫度以及夾點(diǎn)（操作人員很容易受傷的地方）等參數(shù)。Bohmont 滿意地說道：“一些附加的功能也可輕松添加。選用 TwinSAFE 的另一個好處就是，我們可以更輕松地獲取有關(guān)所有輸入和輸出的狀態(tài)報告，以準(zhǔn)確知道如何及何時按下 E-stop 按鈕或激活光幕系統(tǒng)。”
功能強(qiáng)大的安全系統(tǒng)的“健康證明”
通過基于 PC 的控制技術(shù)，新型 MSI 球囊吹制 / 成型設(shè)備能夠與不同尺寸的玻璃或金屬模具相匹配。“目前市場上的很多設(shè)備只能配備玻璃模具或金屬模具中的一種。最終用戶無需再對用非傳統(tǒng)材料制成的模具進(jìn)行試驗。”Bohmont 解釋道。“我們的球囊吹制 / 成型設(shè)備可以實現(xiàn)運(yùn)動和受力控制。由于球囊尺寸和形狀以及吹塑模具所使用的材料各不相同，它可適用于在運(yùn)動或受力的基礎(chǔ)上實現(xiàn)過程控制。借助 TwinCAT 軟件，我們能夠在同一臺機(jī)器內(nèi)為客戶同時
提供這兩個選項。”Reiss 補(bǔ)充道。
“Beckhoff 基于 PC 的控制系統(tǒng)與我們以往用過的控制工具相比，功能更為強(qiáng)大。”Bohmont 高興地說道。“它能夠?qū)崟r（頻率為 500Hz）讀取測力傳感器和力反饋信息，將它們用作控制器的輸入信息，這對我們有著深遠(yuǎn)的影響。” 設(shè)備安裝的靈活性也可顯著縮短設(shè)計機(jī)器時所花費(fèi)的時間。“采用新型工業(yè) PC 控制器、分布式 I/O以及通過以太網(wǎng)電纜輕松實現(xiàn)連接，我們能夠以盡可能節(jié)省空間的方式安裝我們的設(shè)備。”Bohmont 由衷地感嘆道。
“我們堅信：有了 Beckhoff 基于 PC 的控制系統(tǒng)為我們提供的靈活性和高端性能之后，我們必將能夠戰(zhàn)勝我們的競爭對手。因此，我們打算為所有第一代 MSI 球囊吹制 / 成型設(shè)備配備 Beckhoff 基于 PC 的控制系統(tǒng)、EtherCAT 以及TwinSAFE 端子模塊。”Bohmont 總結(jié)道。
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