关于研华APAX高性能控制平台浅析

研华以APAX-5580控制平台搭配CODESYS实时内核与EtherCAT模块与伺服马达打造0.5毫秒扫描周期的铝管切断机，大幅提升铝管切断机的裁切速度与稳定性、确保加工质量。

方案背景

铝材重量轻、易散热、易成型，经加工处理后可广泛运用在大楼的帷幕墙、住家的铝门窗框、汽车的散热器、3C产品的外壳等各行各业，而将铝材切割成特定形状与尺寸的切割机则是铝制品在制造过程中的必要工具，该设备的切割速度与切割精度是影响铝制品产量与质量的重要关键。

目前铝材切割机大多采用PLC来控制各个机械部件以实现自动化切割作业，但受限于典型的PLC之扫描周期多处于毫秒等级，在性能不足的情况下，机器也易于裁切出不符规格的瑕疵品；再加上，使用梯形图编程的PLC缺乏足够的灵活度来处理复杂的算法，使得设备制造商就算想提升铝材切割机的性能都相当困难。

研华以APAX-5580控制平台搭配CODESYS实时内核所提供的解决方案，可提供稳定的硬件控制平台、高速扫描的实时内核、灵活编程的开发环境、易于设定、更新参数与维护的电子凸轮等特色，让设备制造商更容易地开发出生产速度更快、裁切精度更高、质量更稳定的铝材切割机，从而能提升设备在市场上的竞争力。

系统需求

天津佰沃博思科技有限公司是一家拥有专业自动化开发能力、并从事工控产品销售与技术服务的设备制造商。目前，该系统整合厂商正在为汽车的铝散热器开发可高速裁切的铝管切断机，但处于测试阶段的原型机却始终无法达到其预期的速度与精度，让该公司相当困扰。由于这款设备一开始规划的硬件规格是以PLC搭配日系伺服马达来执行切断动作，该公司发现每当机器经过一段时间的运行后，就会切出超过预设长度的铝管，而且PLC编程环境的局限性也让欲优化设备功能的开发人员备感辛苦。

以上种种原因让天津佰沃博思科技决定更换伺服马达之外，也试图寻找一套可以稳定切割又容易开发的软硬件解决方案。在软件方面，新方案必须是符合IEC61131-3标准以便能提供灵活编程的开发环境；编程语言得同时支持梯形图（LadderDiagram，LD）与结构化文字（StructuredText，ST）让开发人员可以快速设计出所需功能；提供电子凸轮功能以完成切断作业。而硬件方面，提供可保障稳定性与实时性的控制平台；可接收数字输入与数字输出讯号以掌握机台状态；支持EtherCAT通讯协议与提供脉冲转换模块以连接伺服马达；并提供工业级平板计算机作为设备与操作者之间的人机接口（HMI）。

系统概述

研华整合CODESYS实时内核、APAX-5580控制平台与、APAX-5000系列I/O模块、以及WOP-1070CK操作面板的完整解决方案，能让设备制造商顺利开发出兼具速度与精度的铝管切断机。除了以工业等级的WOP-1070CK作为设备的人机接口之外，安装了WES7（WindowsEmbeddedStandard7）操作系统与CODESYS实时内核的APAX-5580控制平台能以研华独有的双核处理器优化机制让系统保有绝佳的稳定性与实时性。而透过支持EtherCAT通讯协议与第三方合作伙伴的脉冲转换模块，APAX-5580即能连接天津佰沃博思科技指定选用的伺服马达。如此完善的软硬件整合方案让系统性能大幅提升，扫描周期从原本的3～4毫秒变成了0.5毫秒，不仅加快了响应速度，也提高铝管切断机的切割质量和效率，突破设备升级的瓶颈。

研华的WES7操作系统与CODESYS实时内核都是经过优化的软件，透过筛选出操作系统中的必要功能，以及将双核处理器各自独立执行WES7与CODESYS等优化措施，让系统的执行速度再加快，因而取得更快更实时的扫描周期，让铝管切断机的切割速度与精度同步提升。此外，CODESYS是符合IEC61131-3标准、可为工业控制提供最佳开发环境的软件。支持IL、ST、FBD、LD、CFC与SFC六种标准编程语言，让项目的开发人员可以运用已熟悉的LD语言编写之外，当需要复杂的算法时则可改用ST语言来编写，从而能尽早完成设备开发。而CODESYS提供的虚拟编码器功能与电子凸轮功能还实现了项目所需的高速切割需求。

APAX-5580是一台基于PC的PAC运动控制平台，兼具了传统PLC的功能以及工业计算机的优异性能与特色。其模块化架构的开放环境能让工程师很方便地增加及调整模块配置，用以设计出所需的控制系统。譬如这台铝管切断机就外加了APAX-504512信道数字输入与12信道数字输出模块，藉此可为系统收集各种设备信息，让用户可以完全掌握机台状态。最后再搭配可与工业设备无缝整合的WOP-1070CK，其以坚固耐用的特性提供了在严苛环境下可简便操作又能长时间运作的最佳人机接口。

产品清单

系统架构图

结论

工业自动化控制是个讲求速度与精度的应用领域，但设备制造商若要在处处受掣肘的环境下开发产品，势将难以充分发挥机台的潜力。此项目的系统整合厂商一开始因为受限于PLC的编程环境、实时性不足的控制系统、以及没有供货商的实时技术支持，导致所开发的铝管切断机的质量与效率均无法达标。

所幸，拥有丰富工控经验的研华以模块化的标准产品快速配置出APAX与CODESYS整合方案满足设备制造商需要稳定、实时、灵活的系统。此机台原先只需要能达成1毫秒扫描周期的系统，而研华优化后的解决方案却只花0.5毫秒就能完成扫描，不仅将扫描周期再提升了一倍之多，系统还同时保有绝佳的稳定性。此外，研华位于中国的专业团队从产品测试、软件培训、到项目系统搭建都提供了实时的技术支持服务来确保项目能顺利进行，进而也让设备制造商能如期推出其最新开发的高速铝管切断机，未来更可将相同架构复制到其他机型，加速开发时间。