浙江大豐實業股份有限公司是國內領先的文體旅產業整體集成方案解決商。在杭州某國家級展覽館建設期間，大豐承攬了智能屏扇系統的開發工作。從遠處看，青瓷屏扇就是一副中國古典山水畫。在多達 251 樘、每樘均重達數噸的青瓷屏扇的同步運動中，倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術確保了系統的穩定安全。
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的藝術青瓷屏扇門，它巧妙地將展覽空間與外界相連，既能隨時優雅地打開，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，如同宋代的畫屏。經過獨具匠心的策劃設計，整個藝術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。青瓷是該地區標志性的陶瓷藝術形式，以其獨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品。這幅畫同樣也是這一時期的作品。倍福基于 PC 的控制系統確保了如此高大沉重的青瓷屏扇的平穩開合，在歷史文化與尖端的自動化技術之間架起了一座視覺橋梁。
控制要求安全、平穩、精準
早在 2020 年，該展覽館就已經進入建設階段。但由于單樘青瓷屏扇最大規格為 2.1 米 x 10.4 米，厚度為 22 厘米，重達 4 噸，對控制技術的要求非常嚴苛，因此讓青瓷屏扇動起來的方案推進一度陷入了僵局。機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動、平移過程中，不會因慣性震碎。
“裝備制造行業平時和鋼材打交道比較多，沒看過哪個項目要對付青瓷的！”大豐總工程師嚴華鋒感嘆。此外，瓷片排布的空間密度決定了機械誤差必須小。按照要求，當屏扇轉動至同一平面時，它們相互之間的距離必須嚴格控制在 1 厘米以內。如果距離太寬，屏扇就會出現間隙，“千里江山圖”也會少了一份美感。
這套由大豐研發的青瓷屏扇智能機械系統集運動控制、邏輯控制、安全監控、實時同步等技術于一身。系統嵌入了防晃動、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地“行走”16 條運動軌跡。據大豐介紹，設備的安全控制系統已達歐盟認證的最高標準 SIL3 等級。“我們在文化裝備領域已經達到國際一流水平。”嚴華鋒說道。
強大的 PC 控制系統
該控制系統的核心是 CX2040 嵌入式控制器，它搭載 Intel® Core™ i7 處理器，配備 4 GB 主內存和 Windows 10 操作系統。這一先進的 PC 控制平臺，以其卓越的硬件計算性能，結合 TwinCAT 3 自動化軟件的強大功能，為客戶提供了遵循 IEC 61131-3 標準的靈活開發環境。結構化文本（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。此外，基于 PLCopen 規范的 TwinCAT 3 運動控制庫快速實現了運動控制功能的開發。
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中的眾多伺服軸提供了強大的計算能力。
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。整個館內 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，通過復雜凸輪表的方式，給主軸位置指定一個相應的從動位置，規劃了插補位置與速度，完美地達到了這些控制要求。采用 C# 高級語言開發的上位監控軟件，通過 TwinCAT ADS 協議實現快速大數據量的數據交互。
EtherCAT 助力實現高精度伺服控制
EtherCAT 是迄今為止速度最快的工業以太網技術之一，相比傳統現場總線，EtherCAT 的數據傳輸速率有了極大的提升。青瓷屏扇的運行精度因此實現了得到顯著提升所有伺服軸使用分布式時鐘功能進行控制，以同步系統中的所有節點，使得整個系統抖動時間遠小于 1 μs。控制每樘青瓷屏需要使用3套伺服，3 個伺服驅動器通過一根網線接到 8 端口 EtherCAT 拓撲擴展模塊 CU1128 的其中一個端口上。此外，系統還采用了熱連接技術，因此在出現故障時，能夠輕松實現插拔與更換操作，全程無需中斷系統運行。
考慮設備運行的穩定性與可靠性，青瓷屏扇系統 采用了 TwinCAT 3 EtherCAT Redundancy（TF6220）冗余環網技術。EtherCAT 電纜冗余功能將設備整個形成一個大的閉環，環路中的任一節點出現物理故障或連接故障都不會影響系統中其他設備的正常工作，避免了瞬時電磁干擾對整個系統的沖擊，極大的降低了宕機的風險。
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中的眾多伺服軸提供了強大的計算能力。
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水平，保障每一位參觀者的安全。作為青瓷屏扇智能機械系統研發負責人，嚴華鋒認為此項目成功的關鍵在于科技與文化的深度融合：“外界一般認為舞臺機械是制造業。實際上，數字技術和文化創新賦能傳統制造業的趨勢已經非常明顯！這次體現國家級智造水平的展覽館參建經歷，必將是‘大豐’履歷上濃墨重彩的一筆。”
關于德國倍福（BECKHOFF）
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業，創立于1980年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業 PC、I/O 和現場總線組件、驅動技術、自動化軟件、無控制柜解決方案以及工業圖像解決方案既可作為獨立的組件使用，也可將它們集成到一個完整的控制系統中，適用于各個行業領域。經過40多年的發展和努力，倍福已在世界各地設立40家分支機構，加上全球的合作伙伴，業務遍及75個國家和地區。
倍福于1997年進入中國市場，中國區總部落戶于上海市北高新產業園區，現有員工350人，辦事處遍及國內30座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用于半導體、光伏太陽能、風力發電、鋰電池制造、電子制造、汽車制造、機器人、數控機床、包裝機械、煙草機械、塑料加工、物流輸送、流程工業以及智能建筑等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網于2014年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基于PC的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將IT技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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