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應用案例 | 可移動青瓷屏扇門:詮釋高科技與歷史的交融

時間:2024-08-22 14:49:44來源:德國倍福自動化有限公司

導語:?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。

  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(shù)噸的青瓷屏扇的同步運動中,倍?;?PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。

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  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,如同宋代的畫屏。經(jīng)過獨具匠心的策劃設(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)標志性的陶瓷藝術(shù)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(shù)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(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。

  控制要求安全、平穩(wěn)、精準

  早在 2020 年,該展覽館就已經(jīng)進入建設(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 4 噸,對控制技術(shù)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(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(zhuǎn)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(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)的青瓷屏扇智能機械系統(tǒng)集運動控制、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 條運動軌跡。據(jù)大豐介紹,設(shè)備的安全控制系統(tǒng)已達歐盟認證的最高標準 SIL3 等級?!拔覀冊谖幕b備領(lǐng)域已經(jīng)達到國際一流水平?!眹廊A鋒說道。

  強大的 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?自動化軟件的強大功能,為客戶提供了遵循 IEC 61131-3 標準的靈活開發(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 運動控制庫快速實現(xiàn)了運動控制功能的開發(fā)。

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  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(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,通過復雜凸輪表的方式,給主軸位置指定一個相應的從動位置,規(guī)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(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。

  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 拓撲擴展模塊 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)運行。

  考慮設(shè)備運行的穩(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(tǒng)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(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(tǒng)研發(fā)負責人,嚴華鋒認為此項目成功的關(guān)鍵在于科技與文化的深度融合:“外界一般認為舞臺機械是制造業(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>

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