发布日期：2025/4/7

机械工程行业用户一直在努力寻找优化机械、提升设备可用性和减少生产波动的方法。将高性能测量功能集成到控制系统中可以帮助他们启动新的开发方案，攻克曾经被认为不可逾越的性能难关。全新的ELM314x 经济型EtherCAT 测量模块系列可以开辟更宽广的机械设计创新之路。

在设备开发过程中，程序员和工程师们经常会遇到这样那样性能提升方面的技术屏障，然后会导致一系列问题 — 例如物理机械方面的，电气方面的，等等，这些问题甚至会延伸到某个系列的所有设备上，并且普遍存在于大多数设备供应商中。问题的关键往往在于，设备设计者是怎么看待这些问题的。特别是当面临如何提升对设备过程控制的认知和如何提升对控制回路的控制之类的问题时，倍福的 EtherCAT测量模块就可以提供一个很适合的解决方案：将高性能的测量技术集成在控制系统中。

集成式测量技术以各种方式让设备制造商和用户在测试或生产设备的整个生命周期中受益。例如：

– 在首次调试、设备故障排除和工艺过程微调期间

– 在运行期间，监测操作顺序和生产质量，测量振动，监测功率，检查结果并预测维护需求

– 在维护时，以验证所执行的任务是否已达到预期结果

在所有这些情形下，测量技术可以通过精心规划的措施更好地了解设备内部运行情况，从而带来附加价值。但若要取得更好的效果，必须在设备的概念设计初始阶段就规划测量应用。毕竟，如果没有安装传感器，以直接或间接地进行测量，那么测量是无法完成的。只有完全熟悉既定流程的用户才能明智地决定在设备内的哪些位置进行测量有意义。也就是说，新颖的测量类型也可能会产生令人惊叹的新发现，从而能够进一步优化流程。

经济型模块开辟了更广泛的应用领域

采样率为 1 ksps 的经济型 EtherCAT ELM 测量模块系列是倍福发布的第二类集成式测量产品。之前推出的 ELM3x0x 基本系列测量模块采样率为每通道 10 至 50 ksps，精度为 100 ppm，旨在支持高动态测量 — 测试台架中经常出现的高速运动顺序、负载反转或类型变换。使用同类的端子模块也可以很深入地了解高速生产设备的生产过程。但是，许多生产过程并不需要如此快的采样率。因此我们开发了采样率为每通道 1 ksps 的 ELM314x 系列经济型测量模块。它完全符合机械设备的运动顺序，同时具备相同的功能，并能够以与 TwinCAT 软件完全相同的方式工作。此外，它还具有兼容性优势。例如，如果某台设备在将来升级换代，性能变得更强，那么可以轻松更换成速度更快的EtherCAT 测量模块，并且测量可以像以前一样继续进行。新的 ELM314x 经济型系列目前包括 2、4、6 和 8 通道型号。这些模块可在宽温度范围内以较低的每通道成本实现 100 ppm 精度的高精度测量，并可处理范围从 ±1.25 至 ±10 V、0 至 10 V、±20 mA 以及 0/4 至20 mA 的模拟量信号。

具有诊断能力的测量模块

是否具有监测和诊断分析测量性能的能力对任何用户来说都是至关重要的。这类性能不仅适用于不间断连续运行的机器，也适用于需要在周末运行的测试台架，甚至包括短期测试任务。线缆断裂、短路、过和断电只是测试任务中可能会发生的一些问题，在最好情况下，这些问题可能只会导致测量过程中断；而在最坏情况下，所记录的测量结果会被悄悄篡改。因此，深度集成在生产设备中且无人值守的测量系统必须能够从一开始就预测到这些故障，并在无法再次获得完美测量结果的情况下可靠地报告这些故障。

倍福的 EtherCAT 测量模块就是专门为此而设计的，自诊断功能占设备固件和硬件的很大一部分。对于用户而言，这意味着他们可以依靠模块来检测和报告常见故障，并且能够只将可靠的测量读数返回给控制系统。

充分利用 EtherCAT 的优势

高速、高精度的测量模块受益于成熟的 EtherCAT 功能，是工业测量系统的理想选择：

– 对于约 100 个模拟量通道（每个模拟量通道的采样速率为 10 ksps）来说，100 Mbit/s 的传输速率已经足够

– 分布式时钟系统，可以长距离地在大量通道和端子模块上同步捕获数据，精度高达 ±100 ns

– 通过 CoE 对 EtherCAT 从站进行了一致的参数设置，而且用户已经熟悉如何使用 PDO 进行数据传输

现如今，倍福基于 PC 的控制技术和 EtherCAT 技术已被广泛接受和使用，我们不仅仅可以提供测量端子模块等硬件，也可以提供 TwinCAT软件功能支持，同时还能提供大量用于整个测量链的 EtherCAT 基础组件。EtherCAT 基础组件包括：光传输设备，如用于 EMC 负载较高的环境的耦合器和光纤介质转换器；用于并行 EtherCAT 数据流的 CU2508系列端口倍增器，要求传输速率超过百兆；以及带 ID 拨码开关的耦合器，以支持灵活的拓扑结构，通常还包括容错的冗余 EtherCAT 线缆。

测量技术与仿真

在很多领域，计算机仿真可以用来事先测试各种想法，从而节省后续的测试时间、人力和成本。尤其对于那些无法事先进行广泛测试的复杂系统，仿真具有非常重要的意义。而且对于这样的系统来说，仿真可能是找到正确解决方案的唯一可行的方法。它还可以帮助识别设备内传感器的最佳位置，或者，如果可以通过其它可能间接的方式获得它们所提供的信息，就无需使用某些特定类型的传感器。

这样听起来似乎测量技术在很长一段时间内因为仿真技术的存在而变得多余。毫无疑问，仿真可以在各种反复变化的起始条件下运行，并且可以节省大量时间。但事实仍然是，必须一次又一次地针对真实条件对应用程序进行测试，必须重复比较仿真模型以及它所代表的真实设备的行为。从设备本身获得的显示实际时间和数量的精确测量数据也是必不可少的。如果没有这些反馈，模型演化就会在脱离真实设备的情况下进行，任何仿真运行都会产生不切实际的结果。高品质的内置测量技术可以确保设备的信息流稳定，如果设置正确，各个测量通道可以精确提供仿真模型所需的控制数据。

高质量的测量数据在虚拟世界和现实世界相结合的完全不同的应用领域中也同样至关重要：硬件在环测试（参见应用报告）。在这种测试中，测试和测量在设备上进行，采集到的数据被实时反馈到测试模型

中。如果测量不正确，出现动态误差或偏差，则无法再进行测试。现在，许多生产设备上都会进行这种硬件在环测试，它要求在生产条件下以较短的循环时间进行测量。这些都是真正的高速测量任务，测量

精度在此处是至关重要的，而倍福正越来越多地为实现这一目标给测试台配备 EtherCAT 测量模块。

结论

展望未来，随着机器视觉系统应用的日益广泛以及传感器技术的新发展，需要新的解决方案来满足新的需求，为各种类型的设备配备测量技术的侧重点可能也会随之改变。但是，某些形式的连续测量将始终是该过程的一部分。倍福推出的 EtherCAT 测量模块，特别是全新的ELM314x 经济系列测量模块可以很好地实现这一目的。光学测量变得越来越重要，倍福通过在 TwinCAT 中添加了机器视觉技术仍然保持先进精密机械重要的设备供应商的地位，助力实现面向未来的生产设备以及最终客户工艺流程。

系统集成式测量技术具有高附加值

基于 EtherCAT 的测量技术直接集成在自动化系统中，为设备用户带来了显著的优势：

– 传感器和执行器在同一网络中运行；EtherCAT 作为一项全球标准，意味着即使对于非同寻常的测量挑战，寻找合适的设备供应商也一样很简单

– 集中式数据处理不仅可以极方便地管理快速生成的大量数据，还可以相应地处理多个数据流。可以集中和可持续地实施满足分析和存储要求的解决方案

– 如果测量和控制系统不是分开而是集成的，则开发时间会更短，且复杂性也低很多

– 如果发生故障，只能在一个系统和一个网络上调用所有数据；这样可以简化并加速故障排除

– 将测试工位集成到生产设备中可以减少总的设备占地面积。无需使用单独的模块，可以直接在生产工位上完成测量任务（例如连续称重）

– 选择将测量任务移到设备的核心控制系统中，一开始可能比从外部购置模块需要花费更多的精力。但一旦完成，就可以确保设备制造商能够深入了解和访问关键的过程数据，确保他们能够完全掌握他们的设备使用情况

– 重要的生产过程数据 — 例如轴位置、速度、电流、加速度和限位开关位置 — 都已存在于控制系统中。通过集成测量系统及其高质量数据（几何形状，层厚，权重等），可以合并来自两个源的数据以进行整体分析

– 最重要的一点是：在密集型测量数据采集的基础上更好地掌握工艺流程数据逐步成为先进的测试和生产机械的关键。以测量结果和数据分析形式进行的连续反馈，可以自动地提高生产的零件的质量以及产量：可以通过后期处理分析数据，并将结果逐步或手动地反馈到程序中来实现，或者（更理想的是）实时、连续地进行反馈来实现