浙江大豐實業(yè)股份有限公司是國內(nèi)領(lǐng)先的文體旅產(chǎn)業(yè)整體集成方案解決商。在杭州某國家級展覽館建設(shè)期間，大豐承攬了智能屏扇系統(tǒng)的開發(fā)工作。從遠(yuǎn)處看，青瓷屏扇就是一副中國古典山水畫。在多達(dá) 251 樘、每樘均重達(dá)數(shù)噸的青瓷屏扇的同步運(yùn)動中，倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。

　　文/德國倍福自動化有限公司

　　該展覽館的核心功能為保藏、展示、研究和交流，是一座集圖書館、博物館、美術(shù)館、檔案館等多種場館功能于一體的綜合性場館。其建筑隨山就勢，疏密有致。其中最奪人眼球的還是館內(nèi)的藝術(shù)青瓷屏扇門，它巧妙地將展覽空間與外界相連，既能隨時優(yōu)雅地打開，又能輕輕合上。每扇門既可以呈折扇式，也可以排成一面平鋪的屏風(fēng)，如同宋代的畫屏。經(jīng)過獨(dú)具匠心的策劃設(shè)計，整個藝術(shù)青瓷屏扇門宛若一幅“千里江山圖”，徐徐鋪展出一幅寬逾五十米的壯麗青綠山水長卷，引人入勝。館內(nèi)共精心布置了251樘青瓷屏扇，使用了約7萬片純手工燒制的青瓷片。青瓷是該地區(qū)標(biāo)志性的陶瓷藝術(shù)形式，以其獨(dú)特的青綠色釉面著稱，色澤溫潤如玉，是宋代(公元960年至1279年)這一文化最鼎盛時期極為流行的藝術(shù)品。這幅畫同樣也是這一時期的作品。倍?；赑C的控制系統(tǒng)確保了如此高大沉重的青瓷屏扇的平穩(wěn)開合，在歷史文化與尖端的自動化技術(shù)之間架起了一座視覺橋梁。

　　1 控制要求安全、平穩(wěn)、精準(zhǔn)

　　早在 2020 年，該展覽館就已經(jīng)進(jìn)入建設(shè)階段。但由于單樘青瓷屏扇最大規(guī)格為2.1 米 x 10.4米，厚度為22厘米，重達(dá)4噸，對控制技術(shù)的要求非常嚴(yán)苛，因此讓青瓷屏扇動起來的方案推進(jìn)一度陷入了僵局。機(jī)械不僅要安全托起這些青瓷屏扇，還要保證它們在軌道上轉(zhuǎn)動、平移過程中，不會因慣性震碎。

　　“裝備制造行業(yè)平時和鋼材打交道比較多，沒看過哪個項目要對付青瓷的!”大豐總工程師嚴(yán)華鋒感嘆。此外，瓷片排布的空間密度決定了機(jī)械誤差必須小。按照要求，當(dāng)屏扇轉(zhuǎn)動至同一平面時，它們相互之間的距離必須嚴(yán)格控制在1厘米以內(nèi)。如果距離太寬，屏扇就會出現(xiàn)間隙，“千里江山圖”也會少了一份美感。

　　這套由大豐研發(fā)的青瓷屏扇智能機(jī)械系統(tǒng)集運(yùn)動控制、邏輯控制、安全監(jiān)控、實時同步等技術(shù)于一身。系統(tǒng)嵌入了防晃動、疊加拋物線式的加速算法等多種算法，能保證青瓷屏扇平穩(wěn)地“行走”16條運(yùn)動軌跡。據(jù)大豐介紹，設(shè)備的安全控制系統(tǒng)已達(dá)歐盟認(rèn)證的最高標(biāo)準(zhǔn)SIL3等級?！拔覀冊谖幕b備領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國際一流水平?！眹?yán)華鋒說道。

　　2 強(qiáng)大的 PC 控制系統(tǒng)

　　該控制系統(tǒng)的核心是 CX2040 嵌入式控制器，它搭載Intel? Core? i7處理器，配備4 GB主內(nèi)存和Windows 10操作系統(tǒng)。這一先進(jìn)的PC控制平臺，以其卓越的硬件計算性能，結(jié)合 TwinCAT 3 自動化軟件的強(qiáng)大功能，為客戶提供了遵循IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的靈活開發(fā)環(huán)境。結(jié)構(gòu)化文本(ST)、功能塊圖(FBD)和梯形圖(LD)的混合編程，極大地便利了客戶算法程序、邏輯程序的開發(fā)。此外，基于PLCopen規(guī)范的TwinCAT 3運(yùn)動控制庫快速實現(xiàn)了運(yùn)動控制功能的開發(fā)。

　　每樘青瓷屏按功能最多需要用3個軸，2個軸控制平移，1個軸控制旋轉(zhuǎn)。整個館內(nèi)251樘青瓷扇使得每個控制器需要控制100多個軸同步。大豐使用TwinCAT NC，通過復(fù)雜凸輪表的方式，給主軸位置指定一個相應(yīng)的從動位置，規(guī)劃了插補(bǔ)位置與速度，完美地達(dá)到了這些控制要求。采用C#高級語言開發(fā)的上位監(jiān)控軟件，通過TwinCAT ADS協(xié)議實現(xiàn)快速大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)交互。

　　3 EtherCAT 助力實現(xiàn)高精度伺服控制

　　EtherCAT 是迄今為止速度最快的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之一，相比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線，EtherCAT 的數(shù)據(jù)傳輸速率有了極大的提升。青瓷屏扇的運(yùn)行精度因此實現(xiàn)了得到顯著提升所有伺服軸使用分布式時鐘功能進(jìn)行控制，以同步系統(tǒng)中的所有節(jié)點，使得整個系統(tǒng)抖動時間遠(yuǎn)小于1 μs?？刂泼块糖啻善列枰褂?套伺服，3個伺服驅(qū)動器通過一根網(wǎng)線接到8端口EtherCAT 拓?fù)鋽U(kuò)展模塊CU1128的其中一個端口上。此外，系統(tǒng)還采用了熱連接技術(shù)，因此在出現(xiàn)故障時，能夠輕松實現(xiàn)插拔與更換操作，全程無需中斷系統(tǒng)運(yùn)行。

　　考慮設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，青瓷屏扇系統(tǒng) 采用了 TwinCAT 3 EtherCAT Redundancy(TF6220)冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)。EtherCAT電纜冗余功能將設(shè)備整個形成一個大的閉環(huán)，環(huán)路中的任一節(jié)點出現(xiàn)物理故障或連接故障都不會影響系統(tǒng)中其他設(shè)備的正常工作，避免了瞬時電磁干擾對整個系統(tǒng)的沖擊，極大的降低了宕機(jī)的風(fēng)險。

　　4 科技文化深入融合趨勢

　　青瓷屏扇可配合使用場景以任意角度自由開合，在層疊變化中塑造深邃優(yōu)雅的視覺感受，同時它也是該展覽館的點睛之處，并具有極高的安全防護(hù)水平，保障每一位參觀者的安全。作為青瓷屏扇智能機(jī)械系統(tǒng)研發(fā)負(fù)責(zé)人，嚴(yán)華鋒認(rèn)為此項目成功的關(guān)鍵在于科技與文化的深度融合：“外界一般認(rèn)為舞臺機(jī)械是制造業(yè)。實際上，數(shù)字技術(shù)和文化創(chuàng)新賦能傳統(tǒng)制造業(yè)的趨勢已經(jīng)非常明顯!這次體現(xiàn)國家級智造水平的展覽館參建經(jīng)歷，必將是‘大豐’履歷上濃墨重彩的一筆?！?/p>

　　當(dāng)屏扇合上時，2個軸控制平移，1個軸控制旋轉(zhuǎn)，以確保相互之間的距離不會超過1厘米。

　　搭載Intel? Core? i7四核處理器的CX2040嵌入式控制器為控制青瓷屏扇智能系統(tǒng)中的眾多伺服軸提供了強(qiáng)大的計算能力。