倍福經(jīng)典案例選（二十九）——通過創(chuàng)新的自動化技術對安全性、靈活性和空間利用率進行優(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)療器械公司提供機械工程服務。MSI 在醫(yī)療器械行業(yè)所涉及到的業(yè)務主要分五大塊：支架壓接、球囊打褶和折疊、導管標識帶壓模、導管加工、導管和支架測試設備。約 50 % 的 MSI 設備都供應給美國市場，剩余設備則銷往國外市場。2006 年，該公司欲利用前沿自動化和控制技術在球囊導管吹制領域建造一款新型機器。
球囊導管可以挽救血管收縮患者的生命。在醫(yī)療過程中，醫(yī)生將球囊導管通過血管插入到血管收縮處，用 8–20 bar 的氣壓膨脹導管上的球囊。這樣可以擴張血管，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技術制造而成的：在預定義的壓力和熱度下，球囊預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)過檢測后安裝到導管上，然后折疊。傳統(tǒng)的球囊吹制/成型設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各種球囊型號的制造商來說可能會顯得效率太低。
先進的系統(tǒng)，適用于靈活度更高的生產
“本項目的主要目標是確保該生產設備是最先進的，在市場細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品，設備必須能夠滿足行業(yè)標準，具備各種重要功能，并能夠通過現(xiàn)有技術提高產品效益，以凸現(xiàn)產品優(yōu)勢”。MSI 的機械工程師 Paul Reiss 解釋道：“靈活性是關鍵，特別是因為針對介入醫(yī)療器械的監(jiān)管機構認證非常之嚴格”。當我們的客戶需要耗費如此大成本去制造球囊模具并獲得認證時，設備的靈活性對于各種模具來說是至關重要的。
“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)，而無需添加單獨的運動控制器硬件。”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。
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)，通過先進的工業(yè)以太網(wǎng)讓設備聯(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 的控制技術用于新型 MSI 球囊吹制 / 成型設備，借助功能強大的處理器，僅用一臺設備即可處理所有控制任務，無需單獨的運動控制器硬件。MSI 選用了 Beckhoff 的先進控制技術，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 機器導管伸縮功能的強力反饋。“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，在類似這樣的應用場合中，模擬量I/O 有較長的轉換時間。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節(jié)器。由于 EtherCAT 具有開放性，它不僅可以集成 Beckhoff 電機，還可以集成來自其它廠商的電機和系統(tǒng)部件。所有的設備連接及工廠網(wǎng)絡的聯(lián)網(wǎng)都是通過簡單、標準的以太網(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。“由于 TwinSAFE 安全協(xié)議采用現(xiàn)有的 EtherCAT 網(wǎng)絡作為傳輸介質，與傳統(tǒng)的安全 PLC 及其安全相關網(wǎng)絡相比，TwinSAFE 的操作更為簡化，可完全滿足保證機器安全的要求。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（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所有輸入和輸出的狀態(tài)報告，以準確知道如何及何時按下 E-stop 按鈕或激活光幕系統(tǒng)。”
功能強大的安全系統(tǒng)的“健康證明”
通過基于 PC 的控制技術，新型 MSI 球囊吹制 / 成型設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)材料制成的模具進行試驗。”Bohmont 解釋道。“我們的球囊吹制 / 成型設備可以實現(xiàn)運動和受力控制。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，它可適用于在運動或受力的基礎上實現(xiàn)過程控制。借助 TwinCAT 軟件，我們能夠在同一臺機器內為客戶同時
提供這兩個選項。”Reiss 補充道。
“Beckhoff 基于 PC 的控制系統(tǒng)與我們以往用過的控制工具相比，功能更為強大。”Bohmont 高興地說道。“它能夠實時（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，這對我們有著深遠的影響。” 設備安裝的靈活性也可顯著縮短設計機器時所花費的時間。“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 / 成型設備配備 Beckhoff 基于 PC 的控制系統(tǒng)、EtherCAT 以及TwinSAFE 端子模塊。”Bohmont 總結道。
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