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| 软包装分拣系统。本文图片来源：倍福
作者 | James Fig
通过基于PC的控制装置和EtherCAT的分拣解决方案，NPI公司帮助一家配送中心减少了难以填补的劳动力需求，同时提高了吞吐量并缩短了周转时间。
内部物流行业的业务持续蓬勃发展。然而，对于大型邮政和包裹供应商、电子商务零售商和第三方物流公司而言，资本投资仍需具有良好的商业意义。邮件分拣系统设计公司NPI 深谙此道，因此在设计包裹分拣解决方案时，始终关注客户的投资回报率。该公司的第三代Xstream线性滑靴式分拣机和独立的Singulator包裹导入装置就是其中的两个例子。
“通常，我们的客户每天至少要处理40,000件包裹，因此他们需要最大化正常运行时间和吞吐量，降低成本并缓解劳动力短缺问题。”NPI首席技术官Joshua Owens说道，“为了实现这个目标，并帮助客户尽可能地缩短投资收益周期，我们将公司60%的工程师资源都用在该项目的开发中，而且随着产品的升级，我们还会继续在关键领域增加投入。”
NPI成立于1977年，并于次年发布了第一台全自动邮件分拣机。这家位于德克萨斯州沃斯堡的公司专注于信件和扁平件的分拣。直到2007年，NPI开始经营一家用泡沫箱邮寄药品的电商仓库。Owens和首席运营官Brent Daboub发现标准设备很难处理这种软包装，因此他们开发了Xstream系统。
该团队最近发布的NPI Singulator只需两名操作人员，每小时即可处理 7500多个包装。该包裹导入装置可为 Xstream 或其它OEM制造商的设备提供一个经济高效的模块化包裹导入系统。“与市场上同类的大体积、复杂且成本高昂的自动导入系统相比，Singulator减少了占地面积、成本和劳动力需求。” Daboub解释道。
为了满足当前的需求并确保未来的创新，NPI公司扩建了其100,000平方英尺的设施，增加了18,000平方英尺的存储空间和25,000平方英尺的制造空间。标准化的自动化技术、EtherCAT网络、可扩展的控制器和操作系统编程环境有助于公司的长远发展。
01
克服传统控制器的吞吐量限制
虽然NPI的解决方案不断发展以满足当今的需求，但传统的网络和控制技术却一直没有同步跟进。分拣系统本质上是一个庞大的、充满各种节点的系统，这加剧了基于交换机协议的性能限制。此外，该公司希望其系统能够采用模块化设计，易于扩展。以前使用的离散式I/O和以太网带来了不必要的复杂性、成本和安装工作量。
第一代和第二代Xstream系统使用了基于ARM的微控制器和NPI自主开发的专用主板。但该微控制器不够灵活，不能满足客户需求。2017年，工程师们在重新设计第三代Xstream之前，开始评估可扩展的成品解决方案供应商。NPI最终选择了倍福，并与他们在达拉斯的团队合作。
“标准化硬件为我们提供了成长的空间，无需重新设计电路板、寻找新的处理器或增加内存。在比较了系统的可用性、可扩展性以及 EtherCAT I/O 的性能之后，很容易做出选择。”Owens说道。
02
高性能控制器和可扩展的系统
NPI选用了高性能、可扩展的工业控制器，对于与第三方制造商分拣机配套使用的Singulator装置，NPI配备的是超紧凑型工业PC。对于同时采用Singulator和Xstream的系统，适合DIN导轨安装的嵌入式PC或PLC已成为大多数应用的主控制器。NPI最近开始采用搭载四核AMD Ryzen处理器（时钟频率为 3.35 GHz）的嵌入式PC，以便为未来的系统扩展预留足够高的算力。
新的设备使用现代基于UNIX的操作系统，而不是微软的Windows 10 IoT。操作系统替代方案将内部控制开发、可扩展硬件和实时功能与现代基于UNIX的操作系统增强的安全性和性能相结合。现代PLC都使用实时操作系统（RTOS），而不是专有固件。控制器通过实时内核、更高的RAM和针对兆字节可移动媒体的功能选项，以及扩展功能（如将程序任务指定到某个 CPU 内核上并与 PLC 一起运行第三方软件）增强系统架构。工程师还可以选择各种处理器，从单核和多核微处理器到超高性能的多核处理器。虚拟机管理体系结构使运行微软Windows或Linux系统的虚拟机能够同时运行。
▲GigE相机和扫描仪组合可测量包裹尺寸，最终确保其被放入正确的箱子。
除了性能提升之外，更小的映像还降低了对紧凑型闪存的要求，从而可以降低成本，并使NPI部署映像的速度提升70%。Owens说：“我们一直在为我们的客户寻找最强大、最安全的自动化系统。迁移至TwinCAT/BSD后，我们的系统性能得到了进一步强化。最重要的是，基于FreeBSD的平台解除了对Windows操作系统的依赖，使得基于PC的控制技术成为对操作系统比较敏感的客户的一个可行的选择。”
03
软件开发环境和工业以太网技术
NPI欣赏TwinCAT自动化软件和EtherCAT工业以太网系统的强大性能。PLC、运动控制和物联网采用端到端的开发和运行时环境。它使工程师能够使用IEC 61131-3编程语言和面向对象的扩展、功能块和计算机科学标准，用其最熟悉或最适合应用的语言进行编程。Owens表示，“从NPI传统微控制器上的C++代码迁移到新平台至关重要，基于Visual Studio的集成开发环境为我们继续前进提供了有力的支持。”
TwinCAT基于ADS协议自动扫描EtherCAT网络上的设备，加快了调试速度。NPI 还采用了倍福的各种EtherCAT I/O端子模块和端子盒。这些IP67级远程I/O解决方案带M8和M12连接器，直接安装在Singulator和Xstream的每块长11英尺的中间件上。由于EtherCAT技术协会确保了设备的互操作性，这种开放式协议也简化了第三方设备的使用。
“我们正在寻找一种能够消除I/O密集型系统中常见性能下降问题的解决方案。”Owens说道，“EtherCAT是一种高速、高确定性的通信协议。在我们整个系统中使用冗余的EtherCAT布线，以及随时可以进行诊断，这些也是很重要的优势。”
倍福全球物料搬运和内部物流行业经理Doug Schuchart补充道：“成本和复杂性的降低只是EtherCAT简化系统架构后为我们的客户带来的好处之一，它还能带来相当大的诊断和系统生命周期优势，以及简化针对IIoT和工业 4.0方案进行的数字化转型。”
04
助力第三方物流公司提升吞吐量
据当地NPI销售支持经理Shane Potter介绍，Singulator和第三代 Xstream 系统的强大性能在大洛杉矶地区的一个第三方物流设施中得到了验证。工人们在两个包裹导入工位使用托盘搬运车将装有未分拣包裹的大纸板箱转移到升降机上。每台升降机都将包裹倾倒到Singulator的积存输送带上。在操作人员确认包裹进入主输送带之前，各种传感装置会限制包裹流的导入速度。
NPI的高速、高动态间歇式输送带由通过EtherCAT控制的伺服电机驱动，因此下游的外围设备可以精确地分离包裹。跟踪信息通过EtherCAT传输给倍福控制器，然后通过TCP/IP 传输给NPI的仓储控制系统（WCS）软件，以确定集中分拣点。
“当包裹到达正确的输出口时，NPI的专利步进驱动分流器将合适数量的鞋子运送到分流轨道上。包裹被装入邮袋或集装箱中，送往美国各地的邮局。”Potter 解释道，“利用挡板两端的大口径聚氨酯涂层轴承和获得专利的链条自动张紧系统，我们的工程团队力求Xstream系统的运行尽可能安全平稳、低噪音。”
▲EtherCAT终端和现场安装的EtherCAT Box模块，为NPI提供高性能分布式网络。
通过实施NPI解决方案，第三方物流公司的吞吐量同比增加了一倍多。公司目前提供当日达服务，这意味着包裹在到达其中转站后的24小时内离开。公司用工紧缺问题也得到了显著缓解，这对于应对销售旺季，尤其是劳动力短缺情况日益加剧的状况来说非常关键。在进行技术升级之前，这个站点需要三班人马每周工作六天才能保持正常运转。现在，只需一个班次每周工作五天，并且能够处理更多的包裹，远超公司之前的预期。
05
持续可扩展的自动化平台
在取得这些令人印象深刻的成果的同时，NPI又建造了更大规模的系统，并计划继续开发自动化解决方案。首先，NPI发布了一款22英寸的双滑槽，它可以使用气动执行机构分流包裹，将邮袋的数量增加了一倍，以实现更精细的分拣。公司创建了一个AWS操作界面以可视化WCS数据，让管理层能够通过强大的分析工具比较各个站点的绩效。Owens和Daboub还在研究定制机器人，以填补Singulator操作员站劳动力缺口。这些机器人将用于解决旺季期间或夜间工作问题，实现24/7全天候运营，提高生产效率。
在最大的Xstream应用中，通过EtherCAT可以实现在一个网络上具有多达 481个节点的系统，并且没有出现任何性能问题。EtherCAT端子盒确保扩展中间分拣模块，打消了NPI及其客户的疑虑，他们可以根据未来需求放心大胆地扩大系统规模。
此外，IP67 I/O模块还能够显著节约系统成本，包括可减少50%的布线工作。应用该方案后，每个Xstream系统的整体布线可节省4700美元，Owens解释说道：“这还帮助我们节省了5天的现场布线时间，这是非常大的进步。”
成熟的硬件平台帮助NPI摆脱了不断重新设计微控制器的死循环，倍福销售工程师Jeff Kuzniar指出：“NPI的应用经验很好地说明了我们是如何保护客户免受控制系统因过时而被淘汰的影响。当我们的下一代工业 PC问世时，它们能够使用相同的 TwinCAT PLC项目，而无需更换任何I/O，即使以后我们发布性能更强大的硬件，也依然能使用相同的TwinCAT PLC项目。”
从微控制器转移到嵌入式控制器意味着，NPI需要在短短几个月内将之前十年经验全部转移到新的平台。Owens认为，在这个过程中，倍福当地团队的协助，以及免费的电话技术支持帮助我们排除各种故障，起到了至关重要的作用。“当我们开始评估控制供应商时，我们还不是一家擅长使用PLC的公司，倍福强大的技术支持结构是我们成功的关键。除了强大的技术支持，他们的控制平台也为我们提供了保持快速增长所需的广阔空间。”
关键概念：
■ 了解分拣公司如何升级其自动化系统以改善运营活动。
■ 了解基于PC的控制以及它在减少分拣系统布线和降低成本方面所发挥的作用。
思考一下：
工业PC如何改善您工厂设施的运营？
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▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2024年3月刊《技术文章》栏目：自动化升级：如何减少系统布线并降低成本？
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