Beckhoff 的色标检测解决方案

经过之前有关色标检测应用中系统运行周期和控制策略的讨论，我们了解到，要实现对高速运动中的色标的精准定位测量，不仅需要有高性能的色标传感器，还需要有包括从控制器、输入端口、网络总线到控制软件... 等一整套运动控制解决方案。

因此，针对类似色标检测这种典型的运控定位应用场景，很多自动化运控产品厂商都有着一套非常完整的专门用于处理高速 I/O 响应的系统解决方案。



本期，咱们就来聊一下 Beckhoff 的 XFC 技术。

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顾名思义，XFC 是一种用于实现高速精准响应的控制技术解决方案，按照 Beckhoff 官方公布的数据， XFC 技术可以实现 ≤ 100 μs 的 I/O 响应时间。

先来简单看一下系统配置。



在控制器的选择上，XFC 技术可以使用 Beckhoff 自家的任何一款工业控制器，可以是机柜式或面板式的 IPC，也可以是其 CX 系列嵌入式控制器。



相应的，XFC 也需要使用 Beckhoff 系统的控制软件 - TwinCAT。

在将传感器和编码器接入控制系统时，会有两种做法。

一种是将位置反馈和传感器信号接入系统中某个伺服驱动器的输入端口。



如果色标运动本身是由这个伺服轴的电机驱动的，那么可以直接使用这台电机自带的编码器作为色标的位置反馈，而无需另外选用编码器；



而如果色标的运动是由其他非伺服类电机驱动的，那么就需要在驱动色标运动的机械传动机构中加装位置编码器，并将其接入到伺服驱动器的辅助编码器反馈端口上。

⚠️ 上图显示了 AX5000 伺服驱动器可以适配的编码器类型。使用 EnDat 2.2 编码器时，须加装反馈卡。



不管是使用伺服电机自带的位置反馈，还是另外加装辅助编码器，只要位置反馈是通过伺服驱动器的编码器端口接入的，都可以将色标传感器接到驱动器的数字量输入端口上，如上图的 X06。



然后，如之前「色标检测的控制策略」一文中所说，将伺服驱动器通过 EtherCAT 运控总线接入设备控制器（IPC 或 CX），就自然实现了信号采集和位置检测的时钟同步了。



不难看出，使用上面这种比较传统的做法，需要将传感器和编码器一起接到同一台驱动器上，这更适合一些接线距离相对较短的应用环境；而如果现场的传感器和编码器所在的位置远离设备控制器，考虑到设备系统的灵活性和集成实施的应用体验，需要让这些现场传感信号能够在机器上的任意位置就近接入控制系统。

这就是另一种将色标信号和位置反馈接入设备系统的方法，使用基于时钟同步机制的分布式 I/O 端口和运控总线（EtherCAT）。



型号为 EL1252 的数字输入模块，能够以 1ns 的分辨率识别输入信号（最后一个）边沿变化的时间，并且在采集传感器输入信号时，其运行周期与控制系统和通讯总线是隔离的，可以作为色标传感器的数字量信号输入端口。



与此同时，该模块的外形样式和接线方式与 Beckhoff 其他片状 I/O 是一样的，可以并排安装在 I/O 背板总线上，然后借助 EtherCAT 的网络适配模块，将输入信号接入时钟同步精度高达 100ns 的运控总线，这样，设备系统不仅能够捕捉到传感器的输入信号，还能够精确读取到色标信号变化的时间。



基于同样的通信架构原理，可以使用集成有运控总线端口且能与系统时钟同步的 EtherCAT 编码器，作为物料输送的位置反馈，从任何一个通讯网络节点接入控制系统，这样控制系统获取的就将是带有精确时间标签的色标位置值。



由于，色标传感器和反馈编码器是被置于同一个分布式同步时钟网络架构中的，所以，若在控制程序中将传感器输入信号和编码器反馈值的时间戳进行比对，也就相当于测出了传感器扫描到色标时的物料传输位置。

同时，因为传感器和编码器可以借助 EtherCAT 从设备中的任何一个网络节点接入控制系统，而不依赖于某个驱动器上的输入端口，这使得设备系统的灵活性和集成实施的应用体验得以极大提升。

有了上面这些硬件，要完成对色标位置的检测，还需要在  TwinCAT 系统管理软件中对参数和程序做一些相应的设置。



如果读取传感器信号用的是驱动器上的数字量输入端口，就需要在驱动器 I/O 配置页面对该端口的逻辑参数进行配置和调整。例如：针脚序号选择、触发信号极性...等等。



如果将传感器信号接入 EtherCAT 分布式 I/O 的 EL1252 模块上，那就需要在 TwinCAT 的 I/O 设备页面中对该模块进行相应的配置。

接下来，只需要在程序中调用相应的 TouchProbe 功能块，即可精准读取到高速运动的色标的位置。



MC_TouchProbe 用于对连接到伺服驱动器的位置反馈（电机或辅助编码器）进行检测。



XFC_TouchProbe 则可以用于检测总线上任何一个带有时钟同步功能的运控编码器位置反馈。

从针脚定义看，这两个功能块的使用方法几乎是一样的，左侧选择位置反馈轴（Axis）和传感器输入端口（TriggerInput）、设置位置读取窗口，执行（Execute）完成后，功能块会将信号触发瞬间时刻的位置轴反馈值通过“记录位置”（RecordedPosition）针脚输出到预设的程序寄存器中。

至此，我们就通过 Beckhoff 的 XFC 技术，实现了对高速运动色标的精准定位测量。

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简单来说，XFC 技术其实还是基于 Beckhoff 的系统架构的，在控制应用上涉及到的硬件和软件组件包括：

工业控制器 IPC 或嵌入式 CX 系列控制器

具有扩展实时特性的超快速 I/O 端口模块

EtherCAT 高速以太网通讯网络系统

连接所有系统组件的自动化软件 TwinCAT

那么，在色标检测应用中使用 XFC 技术，能够达到怎样的测量定位精度呢？

又，XFC 是如何实现对 I/O （输入/输出）信号的高速响应的呢？

待续...

文：麥總

校：横笛君

以上内容纯属作者本人观点，如有吻合，纯属巧合。

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