智能工厂时代来临，先进自动化技术助力OEM厂商迎接新挑战
利用嵌入式PC、人机接口、I/O模块、编程软件以及工业以太网络，自动化分配系统可以加速物料处理速度。在纽约市商业建筑物内，一个自动化的废品回收系统，胜过多个手动的废品回收系统。
控制系统的改造，可以提高包装生产商印刷品的产量，并将机器寿命延长10年，同时减少70,000美元的部件费用，而且可以增加75%的产出，这还没算它所带来的其它好处。
在物料处理应用中， USS公司能够将自动化技术整合到用户统一的平台上。得益于在线购物不断增长的需求，很多公司几乎需要实时包装和发送货物，而嵌入式PC、人机接口、I/O模块、编程软件以及工业以太网络的发展，为其提供了很大的帮助。
日益增长的购物需求，对目前的仓储和分配运营系统施加了巨大的压力。随着客户要求更快地完成分拣、包装和发货，对同时拥有不同规模的、在线和实体店面的商家带来了日益增长的压力。
位于美国马里兰州Owings Mills的USS公司，是高度自动化的分配系统方面的专家，能够帮助零售商和仓储商跟上时代的步伐。
USS系统的设计非常灵活、紧凑，适用于那些空间布局受到限制的工厂环境。
USS物料处理设备有很多标准系列产品，可以根据客户的应用需求量身定做，包括：直升式、堆栈式、非堆栈式、EuroSort弹舱板式分选机以及清道夫分选机。
这款清道夫分选机适用于中、小规模的分配中心，主要处理和快速分拣小件物品（保健、美容商品、手机、眼镜、和隐形眼镜等），并将其装入到手提袋、纸箱等。
图1：位于美国马里兰州的USS公司，是高度自动化分配系统方面的专家，能够帮助零售商和仓储商跟上时代的步伐。USS物料处理设备有很多标准系列产品，可以根据客户的应用需求量身定做。图片来源：倍福自动化公司
统一的编程环境
除了I/O安装方面的实践，USS自动化系统的软件编程也是需要重点考虑的方面。“之前，我们使用了很多种PLC编程环境，由于没有单一的系统可以实现所有的功能，因此我们经常需要更换平台。”
USS公司的工程部总监Jeff Zerr解释道，由于USS从基于PC的编程软件中学到了很多经验，“我们发现，可以在一个统一的编程环境下完成编程，为我们所有的生产线建立库文件，从小型计时器到大型的分拣机。”
现在，“尽管仍会用到很多面向IT的编程工具，但是编程主要还是利用结构化文本文件或梯形图逻辑来实现。利用微软标准的可视化编程工具以及微软视窗操作系统，我们已经可以使用众多的IT工具，而不需要复杂的、专有的系统插件。”Zerr说。
工业以太网提高分拣系统效率
由于USS公司开始使用EtherCAT（工业以太网协议）以及基于PC的控制，因此控制硬件平台很快成型了。目前，控制系统结构包括嵌入式PC，该PC运行统一的编程软件，并且连接到内置的、具有7英寸紧凑式显示屏的控制平台。
机器运行人员戴着手套就可以对屏幕进行操作。I/O系统与EtherCAT以及相关的端子、I/O模块和实现安全功能的安全级I/O模块完全通过网络连接起来。
IP67等级的EtherCAT模块沿着设备的长度方向分布。这些安装在机器上的模块，布置在电气机柜外，可以承受工业环境下的灰尘和湿气。
USS公司所使用的EtherCAT设备包括配置在同一个设备上、可以自由组态的数字输入和输出模块，这样就可以获得最大的灵活性。
所用的模块具有8或16个可组态通道。另外还有4个模拟量输出通道，可以各自对其进行参数设置，产生量程为-10 ~10 V 或 0/4 ~20 mA的信号。具有IP20 或 IP67等级的安全I/O方案，可以替代数不清的硬继电器电路，因此USS系统现在已经开始用其实现安全功能。
由于分配和仓储系统是劳动密集型环境，不管费用多少，在USS公司的设备上必须配备强大的安全系统。
但是，在涉及到安全应用时，每种技术方案在经济上的可行性，取决于流水线所需要的安全设备的数量。USS控制柜的很多防护等级为IP20的安全I/O端子，被连接到嵌入式PC，降低了所需的接线和连接器的数量。
为了满足处理USS产品的各个层次的自动化需求，嵌入式PC有三种不同的配置方式：一个配置1.5 GHz的英特尔酷睿、i7双核CPU，一个配置1.1 GHz的英特尔凌动Z510处理器，一个配置1 GHz的ARM Cortex-A8处理器。
三种嵌入式PC的发热量非常低，可以降低电气柜的冷却需求，而且可以耐受的操作环境温度为-25到 +60 ℃。
图2：IP67等级的EtherCAT模块沿着设备长度方向分布。这些直接安装在机器上的模块，布置在电气机柜外，可以承受工业环境下的灰尘和湿气。
USS公司的驱动系统使用基于EtherCAT的伺服驱动系统，该驱动系统通过单个电缆连接到伺服马达上。USS使用了单通道和双通道驱动版本，这样用户可以选择使用单个驱动器来连接单个或两个伺服马达。
在编程软件中，USS公司经常使用电子齿轮来协调伺服马达，这样就简化了设备的机械设计要求，从而降低了物料成本。
图3：由USS公司生产的基于PC和EtherCAT的分拣系统，被广泛应用于这个大型服装集散中心。利用USS公司提供的物料处理系统，可以降低控制系统的成本以及现场调试的时间。
Action环境集团公司，是纽约市最大的固体废物处理和回收业务提供商，为纽约市的5个街区服务。通过采用先进自动化技术的回收系统，Action环境解决方案（AES）不仅提高了从城市商业建筑物中分离、回收的废物数量，还带来了更多其它收益。
分类产生的纸张、塑料、以及铝制品被打包成大包，然后在市场上被销售给国际买家。这些回收物料被重新制成鞋、瓶子或新纸张。
图4：从AES工厂建立以来，回收系统的自动化技术已经获得了很大的改善和扩展。利用光学分拣系统，新回收厂平均每个月提供给市场的白纸的数量为400到500吨，而之前这一数字为250吨。图片来源：罗克韦尔动化公司
从手动到自动分拣
2013年以前，AES公司运营着一个传统的回收工厂。员工手动分拣回收物料，没有自动化系统，工作效率取决于工人能够从快速移动的传输带上拿出多少物料。
公司想减少物料的污染，增加系统处理物料的数量。通过从物料中回收更多的物料，从而可以避免更多的物料被填埋。
自从AES工厂建立以来，回收系统的自动化技术已经获得了很大的改善和扩展。AES团队决定利用最新技术建立新的工厂，使其回收工艺更自动化。
他们的目标是：每小时从回收物料中分拣出更多有价值的物品。自动化系统包括增加更多的筛选器和磁体，以便分拣出铝制品和塑料，光学分拣系统则用于确定白色和高价值的纸张。
严格控制
因为AES公司与其OEM设备制造商沟通，希望能获得更先进的分拣和处理设备，因此总部位于美国北卡罗来纳州Archdale的Vecoplan公司，帮助其设计了回收装置的控制系统。
新建的物料回收工厂位于Bronx，相比于同类型的市区内处理设施，它是目前最大的。它的规模和复杂程度需要对传输带的传输速度、光学分拣器、以及工艺的其它复杂设备进行严格的控制。
当卡车将混合在一起的废弃物倾倒在卸料台上时，处理工艺就开始了。抓斗将回收的废弃物抓起，放到两个计量箱子中的一个。称重后将其放到传输带上。物料沿着传输带向下游传输，光学分拣单元利用红外线技术和高速摄像头将高价值的白纸从混合纸以及其它废物中分拣出来。
然后，一系列的磁体负责收集锡和铝制品，最后由一个光学分拣器分拣高质量的塑料。在传输带旁边的工人确保尽可能的回收更多的可回收物料。
两个可编程自动化控制器（PAC）管理设备所有的功能，并通过EtherNet/IP（以太网）网络以及其它网络将其与其它系统部件无缝的连接起来。第一个PAC管理系统的上半部分，包括一般分拣，第二个PAC则负责特殊材料的分拣。
通过车间的4台人机界面（HMI），现场运行人员能够监视整个设施的功能和产量。他们可以对设备、甚至部件进行手动调节，从提高传输带的速度到降低某个特定光学分拣器的速度。
在车间以及主控室，运行人员都可以从HMI上获取数据。Vecoplan公司选择了变频驱动来对系统近70台传输带马达进行控制。驱动数据通过EtherNet/IP网络被送到主控室，便于用户深入了解整个工厂设施的运行。
产出倍增
现在，AES公司供应给市场的回收物料包的质量更高，所含的杂质更少。例如，旧的回收厂每个月可以生产25吨高质量的塑料，而位于Bronx的新回收厂平均每个月生产的高质量塑料则为65吨。
利用光学分拣系统，新回收厂平均每个月提供给市场的白纸的数量为400到500吨，而之前这一数字为250吨。
“在这个城市中，还没有其它任何一家废物回收厂能像我们一样，” AES的项目经理Ron Benson介绍道，“利用工厂先进的自动化和控制技术，我们已经能够使我们的产出最大，停机时间最小。”
对于AES管理层来讲，最令人吃惊的是系统所分拣出来的铝的数量。旧回收厂5年间总共回收了5吨的铝。而新回收厂开业6个月，系统就分拣出了63吨的铝。
现在，Bronx回收厂每天能够分拣300到400吨的废弃物和可回收材料，而AES公司还在不断寻求提高分拣效率的方法。
一家柔性包装的工业供应商，其产品主要用于医疗、药物、消费产品和食品工厂，最近发现它的柔性印刷机部件经常出问题，而更换新的控制系统不但可以为机器增加10年的寿命，减少70,000美元的部件费用，增加75%的产量，还能带来很多其它收益。
不可靠的层布贴合机（具有其自己的控制器和HMI操作员界面），严重的限制了机器的生产能力。
为了恢复机器的标准生产率，该公司选择对层布贴合机（是主印刷机的一部分）的控制技术进行部分改造，使其拥有了新的运动逻辑控制器和HMI平台。
改造面临的挑战
该包装公司的柔性印刷机，使用了大概25年，主要用于印刷诸如化肥袋、巧克力棒包装袋等聚酯薄膜。
六轴层布贴合机上的机械设备以及现有的伺服驱动、伺服电机可以按照所需的水平进行操作，但是随着时间的发展，控制器电子元件已经过时、老化了，在延长寿命期间，常见的一些小问题经常会降低处理速度、甚至中断生产。
一家工程公司和系统集成商IAS，与自动化供应商的驱动和控制专家密切合作，来确定现有的设备是否可以重新利用。
最终确定的方案是：对层布贴合机的控制系统进行部分改造、逐步升级设备，以便降低费用，减少停机时间。
■改造采用了IndraMotion MLC运动逻辑控制器。它提供软件和固件功能，便于工程实施，以及开放的系统接口。MLC为层布贴合机的运动控制序列提供了可扩展、易于编程的运动控制器，同时还可以延长机器的使用寿命。图片来源：博世力士乐公司
老设备，新部件
改造的第一步是更换过时的控制平台。尽管控制器仍然可以工作，但是它所连接的计算机终端显示器由于时间久远，几乎无法读取，这使得整个系统变得不可靠。
最新的运动控制逻辑平台、紧凑的可编程逻辑控制器（PLC），提供了具有创新性的软件和固件功能，便于工程实施、开放的接口，易于为现有的层布贴合机运动序列完成编程和集成，并且具有足够的鲁棒性来扩展机组单元的运行寿命。
新的控制器可以和层布贴合机现有老旧的伺服驱动协同工作。由于伺服驱动运行良好，因此没有必要在该改造中一起升级。
新控制器硬件，再加上性价比高的触屏HMI，使得操作员可以完成对层布贴合机的控制。对于机器的通讯，工程团队决定使用继续使用系统原有的高速Sercos II自动化总线。
为了在现有老模拟量以及新安装运动逻辑控制器之间进行Sercos信号的转化，IAS公司使用的装置能够提供一种物理架构：单个的驱动系统控制卡件或者控制部分，能够被安装到该架构中，以便为老驱动器和新控制器之间的主解码器提供模拟量的转换。
用这种方式实现信号的转化，可以避免采用成本更高的、需要额外采购和安装的驱动器替代方案。在改造过程中，自动化供应商在运动控制功能模块的编程以及实施运动控制等方面提供技术支持和帮助。（作者：Shane Novacek）