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精密加工的新眼睛

理与数字世界的聚合带来了智能工厂和新一代工业机械的崛起。这一新的时代称为工业 4.0,它正在将物联网 (IoT) 网络物理系统相连,以简化制造和业务流程,提高通用性和精度,并缩短上市时间和减少浪费。

但是,要将传统工厂转变为智能工厂来实现这些优势还面临许多挑战。这包括:

  • 适应所涉及机械的庞大品种和尺寸
  • 管理分布式控制系统的复杂性,可包含数百个控制节点
  • 在隔离工厂网络上连接和集成众多传感器与传统设备

本文介绍一款基于 PC 的物联网控制器,它运行机器视觉解决方案并执行物联网网关服务。我们研究此控制器如何为机器视觉带来新的性能和灵活性。我们说明实时工业 Ethernet 技术在确保多个控制节点之间流畅协作中的作用。我们讨论开放标准和预集成 CODESYS SoftMotion CNC RTE 及 NEXCOM NexECM 软件如何加速多功能机械的开发和部署。此外,我们还调查第 6 代 Intel® Core 处理器产品系列的性能功能如何实现执行如此众多任务的单一物联网控 制器。

对更通用机器视觉的需求

机器视觉系统找出有故障的进入工件,引导工件定位,检查成品进行质量控制。较早的传统专用机器视觉系统与自动化控制链隔离,缺乏运动控制 API。它们只能做到通过/失败决定,需要可编程逻辑控制器 (PLC) 来处理控制功能(图 1)。由于这些系统中经常未收集到数据,相关变量、发现趋势和实施预测维护非常 困难。


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Figure 1: 许多现在的机器视觉系统独立于自动控制链工作。

新一代机器眼睛

现代对提高效率、盈利率和容量的压力产生了对新一代机器视觉系统的需求。包含机器视觉的物联网工业控制器现在正在真正地上线。这些成熟而通用的系统带来物联网连接性,计算和图像处理的巨大增长,以及数据存储 (图 2)。它们的机器视觉支持更大的精度和协调。


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Figure 3: 物联网控制器和机器视觉集成系统(如 NEXCOM NIFE 300)综合高速分析、高同步监控和物联网网关功能。

高速成像和分析对生产时间至关重要。图像捕获与分析之间的时间越短,循环时间越短。

监控确保快速可重复的高质量输出生产。现代工业控制器必须根据复杂计算,近实时协调控制节点和数据交换以实现流程内改动与纠正。要具备通用性,这些控制器还必须支持满足现代批量定制需求需要的高混合低容量生产。它们应足够灵活,能够从执行一种材料的一个加工流程快速切换到执行其他材料的另一种加工流程。同时,它们必须随时接受辅助功能,允许远程管理避免高成本的手动干预,尤其是洁净室或危险环境。最后,要支持人机界面 (HMI),这类控制器必须具备图形功能。

物联网网关功能对工厂运营的更大透明度很重要。要提供必要的物联网连接性,工业控制器必须提供连接传统设备与云需要的所有协议与 操作。

智能工厂,基于 PC 的机器视觉物联网控制器与网关

为加速工业 4.0 的铺开,NEXCOM 开发了 NIFE 300,这是一个可直接搭接在工业机械上的机器视觉物联网控制器解决方案。其开放架构提供必要的高互操作性,实现工业 4.0 系统的整合功能(图 4)。


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Figure 4: NEXCOM NIFE 300 提供工业 4.0 物联网控制器需要的 整合功能。

NIFE 300 基于 PC 的开放架构和 EtherCAT I/O 为具有数百控制节点的大型机械和分布式控制系统而设计,实现可与 PLC 媲美的丰富扩展性和灵活性。同样重要的是,其对实时工业 Ethernet 的支持使 NIFE 300 成为提供以下内容的理想现场总线:

  • 通过分布式时钟方法进行高速传输和对控制节点的高 同步
  • 同步延迟在十分之一毫秒内
  • 轻松添加其他功能和控制节点

为解决高混合低容量生产需求,NIFE 300 满足 PLCopen* 规范。对于坚持 IEC 61131-3 标准的工业机器制造商,NIFE 300 通过 CODESYS SoftMotion CNC RTE 软件辅助控制编程。开发人员可以使用可重复使用的逻辑和运动功能库,更容易创建控制方案以快速设计 SoftPLC、SoftMotion 和 SoftCNC 功能。

对于用 C/C++ 语言编程的机器制造商,NEXCOM 提供 NexECM 软件包。此包允许工业机器制造商重复使用资源,改进物联网控制器的现有运动控制功能以节约开发时间与成本。NexCAT 的 EtherCAT 配置工具允许开发人员部署实时工业 Ethernet 运动控制,无需丰富的 EtherCAT 知识。

为便于管理,NIFE 300 的 HMI 软件 JMobile Suite 提供加工流程和系统状态的图形概述。工厂操作员可以通过本地 HMI 站或通过移动设备和基于 Web 的 HMI 远程访问此视图。他们几乎可以随时随地检查设置、操作和进度(图 5, 参见第 40 页)。


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Figure 5: NIFE 300 的 JMobile Suite 是支持本地控制和远程监测的 HMI 解决方案。

强大灵活的机器视觉平台

Intel 最新一代 14 nm 处理器第 6 代 Intel Core 处理器系列将基于 PC 的 NIFE 300 变为一个功能强大的机器视觉平台。相比上一代图形,内置 Intel® HD Graphics 530 的图形性能增强达 30%。这些集成图形在执行机器视觉任务时释放 CPU 资源,这样 NIFE 300 可以以极高精度执行高分辨率图像 分析。

NIFE 300 支持常用于连接高性能工业摄像头的 GigE Vision 和 USB3 Vision 接口。前 PCI 和 PCIe 接口使添加摄像头和连接至图像采集卡的工作便于采集未压缩图像和无损图像压缩。

通用物联网网关

为弥补物理系统和企业之间的差距,NIFE 300 充当提供现场总线、Gigabit Ethernet (GbE) 和 4G/Wi-Fi 连接的物联网网关。这些连接支持工厂车间、制造执行系统 (MES) 和企业资源规划 (ERP) 系统之间的双向通信,为“按订单制造”制造商带来更大的灵活性。制造商还可以使用网关功能收集制造统计以及其他用于流程优化与预测维护的数据。

工业强大的处理器系列

NIFE 300 物联网控制器提供 Intel® Core i7-6700TE、 i5-6500TE 和 i3-6100TE 处理器选择。这些第 6 代 Intel Core 处理器带来性能、功率效率和图像处理的飞跃。此外,更快的 DDR4 内存支持和额外高速 I/O 实现下一代工业应用。

Intel® Core 处理器提供整合系统和提供实时确定性性能所需的多核架构。它们允许 NIFE 300 并行处理复杂集成逻辑和运动动力学控制任务,控制数以百计的轴或处理数十万 I/O 标签数据。处理器的 Intel® Hyper-Threading Technology 允许每个物理核支持两个处理线程,进一步增加多任务响应能力。

EtherCAT 技术与多核 Intel® 处理器支持更高通道密度和更强多任务的能力相结合,极大减少需要的控制器数量。NIFE 300 充分利用处理器对快速 DDR4 2133 DRAM 和高速接口的支持。机器制造商可以订购具有最多 16 GB DRAM 的控制器。PCIe 3.0、USB 3.0 和 SATA 3.0 确保复杂控制方案和图像捕获的流畅性能。

处理器的高性能图形引擎将机器路径的动态实时 3D 模拟 – 以及超高清 4K 图形显示功能 – 引入加工信息和 HMI 应用。Intel® HD Graphics 530 支持最新图形 API,包括 DirectX 12 和 OpenGL 4.5,高能效呈现 2D 和 3D 矢量图形。硬件加速的视频编解码器实现快速转码。

Intel® Advanced Vector Extensions 2 (Intel® AVX 2) 确保高效处理图像数据。凭借新优化的 256 位整数指令和用于浮点计算的新融合乘加 (FMA) 指令,Intel AVX 2 加倍每时钟循环的每秒双精度浮点运算 (FLOPS) 数量。此性能提高改善机器人引导、工件定位与测量以及表面检查的性能。

用配备视觉的物联网控制器使现在的工厂更智能化

在市场快速变化和价格竞争的全球经济中,制造商面临优化运营和解决新机遇的压力。为帮助企业实现这些目标,下一代工业机械必须更智能,更敏捷,更灵活。作为物联网控制器与机器视觉组合系统,NEXCOM NIFE 300 提供真正的工业 4.0 解决方案。利用最新 Intel Core 处理器的性能,NIFE 300 可以帮助提高制造质量和容量,适应批量定制,促进物理工厂和业务系统的融合以带来更好的信息和流程优化。

[SD ICON]有关 NIFE 300 物联网控制器的信息,请参见 intel.com/SD-nexcom-nife-300

[INDUSTRIAL ICON]有关连接、整合和优化工业自动化的更多信息,请参见 intel.com/embedded-industrial

NEXCOM (intel.com/MR-nexcom) 是 Intel® 物联网解决方案联盟伙伴成员。NEXCOM 成立于 1992 年,在集成其产业后运营六个全球业务部门,包括多媒体解决方案、移动计算解决方案,物联网自动化解决方案、网络和通信解决方案、智能数字安全以及健康与医疗信息。NEXCOM 通过五个主要工业国家的子公司服务全球客户。在物联网的大趋势下,NEXCOM 用新兴应用解决方案扩展其产品系列,包括物联网、机器人、联网汽车、工业 4.0 和工业安全。