PC 控制技術和 EtherCAT 用於汽車產業的高溫 PCB測試應用

當 Pensar Otra Vez（POV）公司被委託為一家汽車供應商開發一台在高溫下進行最終 PCB 測試的設備時，POV已經具備類似系統的開發經驗。儘管如此，與倍福一起重新設計的控制系統獲得了重大改進。此外，PC-based控制技術簡化終端客戶能源管理數據的獲取和分析。

Pensar Otra Vez （POV）公司由機械工程師 Mike Edwards 於 1994 年在亞利桑那州圖森市成立。多年來，POV一直致力於為醫療、電池和汽車製造等產業開發和生產機械設備。POV的公司名稱已經體現了他們定期重新評估元件、流程和戰略的理念，在西班牙語中，Pensar Otra Vez的意思是「再想一次」。因此，當長期合作的客戶，一間 Tier1汽車供應商在 2019 年需要設計新型 PCB高溫測試設備時，毫無意外，Mike Edwards 要從頭重新設計，而不是複製現有的設計。在德州一個客戶的工廠裡，已經有 20 多台原始的測試設備在運行，因此有一個明確的基準來衡量改進的成果。

新的設備在室溫下接收傳入的 PCB ，將 PCB 的溫度提高到大約 110°C ，並在PCB 的最終功能測試時，將溫度保持在110°C± 3 度以內，以模擬車輛的行駛條件。由於測試時間在 120 秒以內，測試設備必須迅速為產品加溫。因為輸送量很重要，因此設備需要大幅縮短測試與分析的時間。PCB 產品在設備內透過傳送帶上的四個預熱停止點，到達測試停止點。每個預熱停止點都有紅外線溫度感測器監測溫度上升。以前，將感測器整合到控制系統中會為接線工作帶來挑戰，同時還會增加勞動成本和佈線成本。

透過中央平台提升性能和透明度

新的設備在室溫下接收傳入的 PCB ，將 PCB 的溫度提高到大約 110°C ，並在PCB 的最終功能測試時，將溫度保持在110°C± 3 度以內，以模擬車輛的行駛條件。由於測試時間在 120 秒以內，測試設備必須迅速為產品加溫。因為輸送量很重要，因此設備需要大幅縮短測試與分析的時間。PCB 產品在設備內透過傳送帶上的四個預熱停止點，到達測試停止點。每個預熱停止點都有紅外線溫度感測器監測溫度上升。以前，將感測器整合到控制系統中會為接線工作帶來挑戰，同時還會增加勞動成本和佈線成本。

雖然客戶之前使用 Visual Basic（VB）完成設備的程式設計，但現在汽車製造商希望能提升設備的靈活性，且能有權限訪問整個系統的性能數據。因此，POV團隊決定與 D2 Engineering公司的所有人兼資深軟體工程師 Dan Distefano 進行設計和編程的合作。Dan Distefano 說「主要目標之一是透過單一開發環境訪問所有系統和設備。我們擁有 20 多年使用倍福解決方案的經驗，TwinCAT 3 自動化軟體和 EtherCAT 工業乙太網系統是最適合的，因為TwinCAT 3和EtherCAT有能力整合第三方元件。」POV團隊與倍福區域銷售工程師 Casey Taylor 密切合作，為應用指定最佳元件和系統。

TwinCAT 3 整合在 Microsoft Visual Studio® 中，因此不僅可以使用高階語言進行編程，也可以使用包括物件導向擴展功能在內的所有 IEC 61131-3 程式設計語言進行編程。Dan Distefano 使用軟體套件中的多個解決方案「比如 TwinCAT HMI 用作圖形化使用者介面，TwinCAT PLC 和 Motion 軟體功能用於設備控制，以及 TwinSAFE 用於整合功能安全系統。我們的主要目標是使用同單一開發系統輕鬆完成所有開發任務，而相同的 Visual Studio® 前端幫助我們完成此目標。」這些功能提高了現場和遠端支援的便利性。

TwinCAT Runtime 被裝載在倍福C6030 超緊湊型工業 PC 上，C6030搭載 Intel® Core™ i3 處理器。為了提供性能更加、更人性化的操作介面，該設備採用配備 21.5 英寸顯示幕和客製化按鈕擴展件的 CP3921 多點觸控控制面板。

提高通訊效率和運動控制性能

EtherCAT 憑藉其開放性、全面的內置診斷功能和高速即時通訊性能，可以將所有重要的設備元件連接到一個生態系統中，改進了設備當前設計，操作更加便利。EtherCAT 不使用網路設備的 IP 位址，相反，它能自動識別和配置網路上的每台設備。「因此，無需使用額外的軟體即可訪問、調試每台設備。」Dan Distefano 補充道。

該設備混合使用防護等級為 IP20 的 EtherCAT I/O 端子模組、防護等級為 IP67 的 EtherCAT 端子盒和單電纜解決方案，即透過一根電纜為現場設備供電及傳輸訊號。Mike Edwards 說「EtherCAT P 和能夠直接安裝在設備上的 I/O 元件讓我們只需要用一根電纜回接到主控制櫃。」

為了通過高溫測試站，此設備的輸送帶由倍福 AS2022 步進馬達和 AG2250 減速機驅動。防護等級為 IP54 的 AS2022 步進馬達由 EL7047 EtherCAT 端子模組驅動，並整合防扭編碼器。「以前的設計是在輸送帶邊緣的每一側使用一個馬達加上減速機。馬達速度輸出值是一個類比量數位，並不讀作馬達轉速或皮帶轉速。」 Casey Taylor 說道。「倍福的驅動技術可以顯示真正的馬達轉速，因此可以準確地監測和調整輸送帶的兩側。」

重新設計帶來顯著改進

「在自動化領域，很少會將最新的技術與之前採用的方式放在一起直接進行比較。我們為汽車業的客戶重新設計高溫 PCB測試設備，讓我們擁有一個絕佳的機會進行比較。」Mike Edwards 說。使用 EtherCAT I/O 模組可以節省 9% 的成本，透過提高佈線效率節省 11% 的現場佈線工作量，並縮小12.8% 的電氣櫃尺寸，對於 POV 團隊來說，同樣重要的是可以大幅縮短調試時間。同時還可在包羅萬象的 EtherCAT 網路上輕鬆整合紅外線感測器等第三方廠商設備。

Mike Edwards 認為，在設計和開發完成後，倍福為 POV 帶來的優勢包括專案的控制系統設計階段減少約36小時。Mike Edwards說「程式設計被整合到同一個平台中，如溫度控制和測量、能耗檢測和速度監測等額外的功能是以前的元件所沒有的，具有更大的靈活性。」這只是倍福平台的優勢之一，Dan Distefano 說「透過 EtherCAT 將所有設備聯網，讓我們能夠以最少的軟體開發工作，以及不需要使用額外的硬體，即可獲取更多的數據用於優化設備流程和診斷支援。」重新設計的設備在現場運行沒有任何問題，POV團隊希望最終用新的倍福架構對其它設備進行改造。