利用嵌入式PC、人機接口、I/O模塊、編程軟件以及工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò) ，自動化分配系統(tǒng)可以加速物料處理速度。在紐約市商業(yè)建筑物內(nèi)，一個自動化的廢品回收系統(tǒng)，勝過多個手動的廢品回收系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的改造，可以提高包裝生產(chǎn)商印刷品的產(chǎn)量，并將機器壽命延長10年，同時減少70,000美元的部件費用，而且可以增加75%的產(chǎn)出，這還沒算它所帶來的其它好處。
自動化分配系統(tǒng)優(yōu)化物料處理
在物料處理應(yīng)用中， USS公司能夠?qū)⒆詣踊夹g(shù)整合到用戶統(tǒng)一的平臺上。得益于在線購物不斷增長的需求，很多公司幾乎需要實時包裝和發(fā)送貨物，而嵌入式PC、人機接口、I/O模塊、編程軟件以及工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為其提供了很大的幫助。
日益增長的購物需求，對目前的倉儲和分配運營系統(tǒng)施加了巨大的壓力。隨著客戶要求更快地完成分揀、包裝和發(fā)貨，對同時擁有不同規(guī)模的、在線和實體店面的商家?guī)砹巳找嬖鲩L的壓力。位于美國馬里蘭州Owings Mills的USS公司，是高度自動化的分配系統(tǒng)方面的專家，能夠幫助零售商和倉儲商跟上時代的步伐。
USS系統(tǒng)的設(shè)計非常靈活、緊湊，適用于那些空間布局受到限制的工廠環(huán)境。USS物料處理設(shè)備有很多標準系列產(chǎn)品，可以根據(jù)客戶的應(yīng)用需求量身定做，包括：直升式、堆棧式、非堆棧式、EuroSort彈艙板式分選機以及清道夫分選機。這款清道夫分選機適用于中、小規(guī)模的分配中心，主要處理和快速分揀小件物品（保健、美容商品、手機、眼鏡、和隱形眼鏡等），并將其裝入到手提袋、紙箱等。
圖1： 位于美國馬里蘭州的USS公司，是高度自動化分配系統(tǒng)方面的專家，能夠幫助零售商和倉儲商跟上時代的步伐。USS物料處理設(shè)備有很多標準系列產(chǎn)品，可以根據(jù)客戶的應(yīng)用需求量身定做。圖片來源：倍福自動化公司
統(tǒng)一的編程環(huán)境
除了I/O安裝方面的實踐，USS自動化系統(tǒng)的軟件編程也是需要重點考慮的方面。“之前， 我們使用了很多種PLC編程環(huán)境，由于沒有單一的系統(tǒng)可以實現(xiàn)所有的功能，因此我們經(jīng)常需要更換平臺。” USS公司的工程部總監(jiān)Jeff Zerr解釋道，由于USS從基于PC的編程軟件中學(xué)到了很多經(jīng)驗， “我們發(fā)現(xiàn)，可以在一個統(tǒng)一的編程環(huán)境下完成編程，為我們所有的生產(chǎn)線建立庫文件，從小型計時器到大型的分揀機。”
現(xiàn)在， “盡管仍會用到很多面向IT的編程工具，但是編程主要還是利用結(jié)構(gòu)化文本文件或梯形圖邏輯來實現(xiàn)。利用微軟標準的可視化編程工具以及微軟視窗操作系統(tǒng)，我們已經(jīng)可以使用眾多的IT工具，而不需要復(fù)雜的、專有的系統(tǒng)插件。” Zerr說。
工業(yè)以太網(wǎng)提高分揀系統(tǒng)效率
由于USS公司開始使用EtherCAT（工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議）以及基于PC的控制，因此控制硬件平臺很快成型了。目前，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括嵌入式PC，該PC運行統(tǒng)一的編程軟件，并且連接到內(nèi)置的、具有7英寸緊湊式顯示屏的控制平臺。機器運行人員戴著手套就可以對屏幕進行操作。I/O系統(tǒng)與EtherCAT以及相關(guān)的端子、I/O模塊和實現(xiàn)安全功能的安全級I/O模塊完全通過網(wǎng)絡(luò)連接起來。
IP67等級的EtherCAT模塊沿著設(shè)備的長度方向分布。這些安裝在機器上的模塊，布置在電氣機柜外，可以承受工業(yè)環(huán)境下的灰塵和濕氣。USS公司所使用的EtherCAT設(shè)備包括配置在同一個設(shè)備上、可以自由組態(tài)的數(shù)字輸入和輸出模塊，這樣就可以獲得最大的靈活性。所用的模塊具有8或16個可組態(tài)通道。另外還有4個模擬量輸出通道， 可以各自對其進行參數(shù)設(shè)置，產(chǎn)生量程為-10 ~10 V 或 0/4 ~20 mA的信號。具有IP20 或 IP67等級的安全I/O方案，可以替代數(shù)不清的硬繼電器電路，因此USS系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)開始用其實現(xiàn)安全功能。
由于分配和倉儲系統(tǒng)是勞動密集型環(huán)境，不管費用多少，在USS公司的設(shè)備上必須配備強大的安全系統(tǒng)。但是，在涉及到安全應(yīng)用時，每種技術(shù)方案在經(jīng)濟上的可行性，取決于流水線所需要的安全設(shè)備的數(shù)量。USS控制柜的很多防護等級為IP20的安全I/O端子，被連接到嵌入式PC，降低了所需的接線和連接器的數(shù)量。
為了滿足處理USS產(chǎn)品的各個層次的自動化需求，嵌入式PC有三種不同的配置方式：一個配置1.5 GHz的英特爾酷睿、i7雙核CPU，一個配置1.1 GHz的英特爾凌動Z510處理器，一個配置1 GHz的ARM Cortex-A8處理器。三種嵌入式PC的發(fā)熱量非常低，可以降低電氣柜的冷卻需求，而且可以耐受的操作環(huán)境溫度為-25 到 +60 ℃。
圖2：IP67等級的EtherCAT模塊沿著設(shè)備長度方向分布。這些直接安裝在機器上的模塊，布置在電氣機柜外，可以承受工業(yè)環(huán)境下的灰塵和濕氣。
USS公司的驅(qū)動系統(tǒng)使用基于EtherCAT的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)通過單個電纜連接到伺服馬達上。USS使用了單通道和雙通道驅(qū)動版本，這樣用戶可以選擇使用單個驅(qū)動器來連接單個或兩個伺服馬達。在編程軟件中，USS公司經(jīng)常使用電子齒輪來協(xié)調(diào)伺服馬達，這樣就簡化了設(shè)備的機械設(shè)計要求，從而降低了物料成本。
圖3： 由USS公司生產(chǎn)的基于PC和EtherCAT的分揀系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于這個大型服裝集散中心。利用USS公司提供的物料處理系統(tǒng)，可以降低控制系統(tǒng)的成本以及現(xiàn)場調(diào)試的時間。
自動化控制讓廢物回收系統(tǒng)效率倍增
Action環(huán)境集團公司，是紐約市最大的固體廢物處理和回收業(yè)務(wù)提供商，為紐約市的5個街區(qū)服務(wù)。通過采用先進自動化技術(shù)的回收系統(tǒng)，Action環(huán)境解決方案（AES）不僅提高了從城市商業(yè)建筑物中分離、回收的廢物數(shù)量，還帶來了更多其它收益。分類產(chǎn)生的紙張、塑料、以及鋁制品被打包成大包，然后在市場上被銷售給國際買家。這些回收物料被重新制成鞋、瓶子或新紙張。
圖4：從AES工廠建立以來，回收系統(tǒng)的自動化技術(shù)已經(jīng)獲得了很大的改善和擴展。利用光學(xué)分揀系統(tǒng)，新回收廠平均每個月提供給市場的白紙的數(shù)量為400到500噸，而之前這一數(shù)字為250噸。圖片來源：羅克韋爾動化公司
從手動到自動分揀
2013年以前，AES公司運營著一個傳統(tǒng)的回收工廠。員工手動分揀回收物料，沒有自動化系統(tǒng)，工作效率取決于工人能夠從快速移動的傳輸帶上拿出多少物料。
公司想減少物料的污染，增加系統(tǒng)處理物料的數(shù)量。通過從物料中回收更多的物料， 從而可以避免更多的物料被填埋。
自從AES工廠建立以來，回收系統(tǒng)的自動化技術(shù)已經(jīng)獲得了很大的改善和擴展。AES團隊決定利用最新技術(shù)建立新的工廠，使其回收工藝更自動化。
他們的目標是：每小時從回收物料中分揀出更多有價值的物品。自動化系統(tǒng)包括增加更多的篩選器和磁體，以便分揀出鋁制品和塑料，光學(xué)分揀系統(tǒng)則用于確定白色和高價值的紙張。
嚴格控制
因為AES公司與其OEM設(shè)備制造商溝通，希望能獲得更先進的分揀和處理設(shè)備，因此總部位于美國北卡羅來納州Archdale的Vecoplan公司，幫助其設(shè)計了回收裝置的控制系統(tǒng)。
新建的物料回收工廠位于Bronx，相比于同類型的市區(qū)內(nèi)處理設(shè)施，它是目前最大的。它的規(guī)模和復(fù)雜程度需要對傳輸帶的傳輸速度、光學(xué)分揀器、以及工藝的其它復(fù)雜設(shè)備進行嚴格的控制。
當卡車將混合在一起的廢棄物傾倒在卸料臺上時，處理工藝就開始了。抓斗將回收的廢棄物抓起，放到兩個計量箱子中的一個。稱重后將其放到傳輸帶上。物料沿著傳輸帶向下游傳輸，光學(xué)分揀單元利用紅外線技術(shù)和高速攝像頭將高價值的白紙從混合紙以及其它廢物中分揀出來。
然后，一系列的磁體負責(zé)收集錫和鋁制品，最后由一個光學(xué)分揀器分揀高質(zhì)量的塑料。在傳輸帶旁邊的工人確保盡可能的回收更多的可回收物料。
兩個可編程自動化控制器（PAC）管理設(shè)備所有的功能，并通過EtherNet/IP（以太網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)以及其它網(wǎng)絡(luò)將其與其它系統(tǒng)部件無縫的連接起來。第一個PAC管理系統(tǒng)的上半部分，包括一般分揀，第二個PAC則負責(zé)特殊材料的分揀。
通過車間的4臺人機界面（HMI），現(xiàn)場運行人員能夠監(jiān)視整個設(shè)施的功能和產(chǎn)量。他們可以對設(shè)備、甚至部件進行手動調(diào)節(jié)，從提高傳輸帶的速度到降低某個特定光學(xué)分揀器的速度。
在車間以及主控室，運行人員都可以從HMI上獲取數(shù)據(jù)。Vecoplan公司選擇了變頻驅(qū)動來對系統(tǒng)近70臺傳輸帶馬達進行控制。驅(qū)動數(shù)據(jù)通過EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)被送到主控室，便于用戶深入了解整個工廠設(shè)施的運行。
產(chǎn)出倍增
現(xiàn)在，AES公司供應(yīng)給市場的回收物料包的質(zhì)量更高，所含的雜質(zhì)更少。例如，舊的回收廠每個月可以生產(chǎn)25噸高質(zhì)量的塑料，而位于Bronx的新回收廠平均每個月生產(chǎn)的高質(zhì)量塑料則為65噸。利用光學(xué)分揀系統(tǒng)，新回收廠平均每個月提供給市場的白紙的數(shù)量為400到500噸，而之前這一數(shù)字為250噸。
“在這個城市中，還沒有其它任何一家廢物回收廠能像我們一樣，” AES的項目經(jīng)理Ron Benson介紹道，“利用工廠先進的自動化和控制技術(shù)，我們已經(jīng)能夠使我們的產(chǎn)出最大，停機時間最小。”
對于AES管理層來講，最令人吃驚的是系統(tǒng)所分揀出來的鋁的數(shù)量。舊回收廠5年間總共回收了5噸的鋁。而新回收廠開業(yè)6個月，系統(tǒng)就分揀出了63噸的鋁。
現(xiàn)在，Bronx回收廠每天能夠分揀300 到400 噸的廢棄物和可回收材料，而AES公司還在不斷尋求提高分揀效率的方法。
控制系統(tǒng)的改造提升包裝設(shè)備的產(chǎn)量
一家柔性包裝的工業(yè)供應(yīng)商，其產(chǎn)品主要用于醫(yī)療、藥物、消費產(chǎn)品和食品工廠，最近發(fā)現(xiàn)它的柔性印刷機部件經(jīng)常出問題，而更換新的控制系統(tǒng)不但可以為機器增加10年的壽命，減少70,000美元的部件費用，增加75%的產(chǎn)量，還能帶來很多其它收益。
不可靠的層布貼合機（具有其自己的控制器和HMI操作員界面），嚴重的限制了機器的生產(chǎn)能力。為了恢復(fù)機器的標準生產(chǎn)率，該公司選擇對層布貼合機（是主印刷機的一部分）的控制技術(shù)進行部分改造，使其擁有了新的運動邏輯控制器和HMI平臺。
改造面臨的挑戰(zhàn)
該包裝公司的柔性印刷機，使用了大概25年，主要用于印刷諸如化肥袋、巧克力棒包裝袋等聚酯薄膜。六軸層布貼合機上的機械設(shè)備以及現(xiàn)有的伺服驅(qū)動、伺服電機可以按照所需的水平進行操作，但是隨著時間的發(fā)展，控制器電子元件已經(jīng)過時、老化了，在延長壽命期間，常見的一些小問題經(jīng)常會降低處理速度、甚至中斷生產(chǎn)
一家工程公司和系統(tǒng)集成商IAS，與自動化供應(yīng)商的驅(qū)動和控制專家密切合作，來確定現(xiàn)有的設(shè)備是否可以重新利用。最終確定的方案是：對層布貼合機的控制系統(tǒng)進行部分改造、逐步升級設(shè)備，以便降低費用，減少停機時間。
■ 改造采用了IndraMotion MLC運動邏輯控制器。它提供軟件和固件功能，便于工程實施，以及開放的系統(tǒng)接口。MLC為層布貼合機的運動控制序列提供了可擴展、易于編程的運動控制器，同時還可以延長機器的使用壽命。 圖片來源：博世力士樂公司
老設(shè)備，新部件
改造的第一步是更換過時的控制平臺。盡管控制器仍然可以工作，但是它所連接的計算機終端顯示器由于時間久遠，幾乎無法讀取，這使得整個系統(tǒng)變得不可靠。最新的運動控制邏輯平臺、緊湊的可編程邏輯控制器（PLC），提供了具有創(chuàng)新性的軟件和固件功能，便于工程實施、開放的接口，易于為現(xiàn)有的層布貼合機運動序列完成編程和集成，并且具有足夠的魯棒性來擴展機組單元的運行壽命。
新的控制器可以和層布貼合機現(xiàn)有老舊的伺服驅(qū)動協(xié)同工作。由于伺服驅(qū)動運行良好，因此沒有必要在該改造中一起升級。新控制器硬件，再加上性價比高的觸屏HMI，使得操作員可以完成對層布貼合機的控制。對于機器的通訊，工程團隊決定使用繼續(xù)使用系統(tǒng)原有的高速Sercos II自動化總線。
為了在現(xiàn)有老模擬量以及新安裝運動邏輯控制器之間進行Sercos信號的轉(zhuǎn)化，IAS公司使用的裝置能夠提供一種物理架構(gòu)：單個的驅(qū)動系統(tǒng)控制卡件或者控制部分，能夠被安裝到該架構(gòu)中，以便為老驅(qū)動器和新控制器之間的主解碼器提供模擬量的轉(zhuǎn)換。用這種方式實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)化，可以避免采用成本更高的、需要額外采購和安裝的驅(qū)動器替代方案。在改造過程中，自動化供應(yīng)商在運動控制功能模塊的編程以及實施運動控制等方面提供技術(shù)支持和幫助。（作者：Shane Novacek）
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