【案例解讀】用基于PC的控制替代PLC打造物流配送中心
發布時間：2022-01-18 來源：控制工程網
近些年來電子商務以超過20%的年增長率持續增長。急速的發展為企業帶來了一個問題：每創造6個新的工作崗位，可能只有1名工人可用，而且只有20%的候選人具備必要的技能。Honeywell Intelligrated公司提供的這些統計數據，凸顯了在競爭激烈的市場中，零售商和配送中心面臨的勞動力短缺所帶來的挑戰。
出于這些原因，許多制造企業的內部物流運營部門，正在利用技術進步來加速數字化轉型，并最大限度地提高配送中心的效率和生產力。互聯配送中心平臺，將資產監控、倉庫執行和勞動力管理軟件與先進的自動化和機器人解決方案結合起來，以幫助企業解決技能差距的難題。
"將設備連接起來的目的，是實時聚合數據以優化員工生產力、提高運營可靠性，并通過自動化簡化績效。這樣做就可以將人員、設備和自動化系統與關鍵績效指標(KPI)聯系起來，例如正常運行時間、吞吐量和盈利能力。"系統集成商和機器制造商Honeywell Intelligrated公司的業務開發副總裁Joe Joice如是說。
互聯配送中心的概念，是所有自動化和物料搬運解決方案（包括從軟件到輸送和分揀設備）開發背后的驅動力。相關應用包括模塊化貨物到機器人(GTR)，貨物到運行人員(GTO)工作站，以及基于PC的第四代機器控制平臺。
"與傳統平臺相比，基于PC的新架構使我們能夠設計出客戶想要的功能，包括集中和有意義的數據采集。"Honeywell Intelligrated公司機器控制開發的高級經理Jason Johnson這樣介紹道。在大型企業集團中，如果擁有多個產品系列，實施互聯基礎架構并非易事。為了幫助企業解決勞動力短缺和不斷增長的電子商務技術需求而構建的配送中心，需要實現基于EtherCAT和PC的自動化。
模塊化的設計
GTR工作站改善了多個行業公司的運營。應用范圍包括第三方物流供應商的配送中心、電子商務執行中心以及食品和飲料公司的生產制造等。
"靈活的工作站支持揀貨、補貨或質量控制運營，以及其它增值服務，同時保持減少了占地面積。"負責GTR開發的Joice說。傳統上，員工會親自處理裝在箱子中的產品，但隨著機器人技術在工作場所的應用變得越來越普遍，為提高效率和彌補工人短缺的問題，工作站需要為機器人提供靈活性，以便完成這些任務。
圖1：Honeywell Intelligrated公司的MC4控制平臺使用可擴展的嵌入式PC和EtherCAT I/O，帶來了性能優勢并節省了成本。本文圖片來源：倍福
當前最新的工作站，使用了一個具有鉸接式機器人的裝置，配置了專門為高效和精確的材料處理過程而設計的夾具。自動存儲和取貨系統中的穿梭車，負責將物品運送給機器人或操作員。為確保機器人能夠完成所有操作，工作站需要可以與倉庫中的傳統技術集成的自動化技術。
他們需要支持工業物聯網(IIoT)技術，并增加數據采集--所有這些都是互聯設施的基礎。實施自動化流程（例如GTR），可以幫助客戶提高可靠性、提高設備利用率并最大限度地提高生產力。
控制平臺需要靈活的軟件、硬件和網絡技術。基于PC的解決方案，包括機器控制和支持IIoT的數據采集，可為互聯配送中心平臺的眾多產品提供關鍵見解。大多數現場總線和工業以太網技術，在發送大量數據時都會遇到性能問題，并且在混合架構環境中應用并不是很好。"改造在我們的業務中占比很大，"Johnson說， "無論是我們還是其它公司安裝的系統，都必須通過開放式通信支持廣泛的協議。"
盡管先前供應商基于PC的解決方案，已經用于傳統控制平臺，但硬件方面的限制使其不能應用于更廣泛的范圍。這些硬件產品不支持分布式控制架構，而且成本也過高。服務器級的解決方案無法安裝在倉庫里，而且要由客戶的IT部門管理，這樣就會增加維護費用。還可以在設備附近安裝另一臺PC，但需要昂貴的空調機柜，而且需要與其它組件隔離。
Johnson和他的團隊評估了高速、確定性的EtherCAT工業以太網系統及其相關的自動化技術。通過添加適當的EtherCAT耦合器和網關，EtherCAT允許系統連接到建立在其它網絡上的配送中心設備，包括EtherNet/IP、Profinet、Profibus、DeviceNet等網絡。在不影響網絡性能的情況下，從現場設備獲得更多信息將有助于實現互聯配送中心的目標。
EtherCAT使GTR工作站實現了更加模塊化的設計。EtherCAT有助于降低每個站點的成本，并可以在未來以更低的成本為最終用戶實施功能擴展。除了EtherCAT I/O模塊外，分布式EtherCAT Box模塊可以提供相同的高速通信，并具有IP67等級的外殼，使其適用于GTR和倉庫間的輸送系統。這些工作站還利用標準網絡，通過EtherCAT(FSoE)通信，集成了經過認證的功能安全。"我們高度重視安全，包括員工安全、設備安全和環境安全。在現場的同一網絡中添加安全功能的能力將變得更加重要。"Joice說。
圖2：倍福的多點觸控控制面板，為各種內部物流應用提供HMI硬件。
基于PC的硬件和軟件升級
在一系列基于四核處理器的嵌入式PC上，工程團隊已經實現了標準化。"花費每一美元所帶來的性能提升都是最佳的，我們不必擔心帶寬不足。"Johnson說，"DIN導軌式安裝的工業控制計算機（IPC），能夠在惡劣的倉庫環境中使用，并且與I/O、驅動器和其它組件安裝在同一個控制柜中。因此，我們無需在IT中心安裝基于PC的控制器，也就不會因為增加機柜而產生額外費用。"
GTR工作站具有較小的嵌入式PC，而GTO版本包括用于操作員界面的多點觸控控制面板。IPC和EtherCAT的開放式連接，可以提高內部物流的能力，將傳感器的反饋發送到云或其它更高級別的系統，并實時顯示性能和生產數據。
圖3：GTO工作站通過基于PC的靈活控制和EtherCAT技術，支持揀貨、補貨或質量控制操作。當前最新的工作站，使用Soft Robotics提供的具有一個鉸接式機器人的裝置，配備了專為高效和精確的材料處理過程而設計的抓手。
這種靈活性延伸到了自動化軟件。工程和運行軟件包，使工程師能夠創建處理大數據、模式識別、狀態或電源監控、可編程邏輯控制器(PLC)和運動控制任務的應用程序。軟件提供免費的IEC61131-3編程語言和面向對象的擴展，Microsoft Visual Studio中的計算機科學語言，內置功能塊和圖形編輯器中的其它選項。GTR工作站依靠自動化軟件進行實時控制。在配置期間，設計受益于自動化設備規范（ 這是一種設備和現場總線中立的接口），可實現設備的自動檢測和尋址，從而節省工程時間。
圖4：基于PC的MC4控制平臺進一步推進了互聯配送中心的概念，該概念將硬件與KPI連接起來，以提高性能、可靠性和可維護性。
提升連接性和可擴展性
實施基于PC的自動化技術帶來了多種優勢，例如提高了靈活性、可擴展性和連接性。這使公司能夠提供更強大的功能，并未客戶提供所需的數據，以幫助他們應對勞動力短缺的挑戰并減少工程需求。這些優勢使GTR解決方案能夠根據需求進行擴展。
"通過可擴展的控制平臺和EtherCAT，我們可以安裝一個中心站，然后為員工或更多機器人添加多個分布式位置以增加容量。這為我們的客戶提供了靈活性，無論是價值數十億美元的電子商務公司，還是嘗試增加電子商務、訂單履行或制造產量的初創公司。" Joice說。
對于新的基于PC的系統，這些自動化解決方案被證明是最可靠和最具經濟性的。Johnson表示，在過去5年多的時間里，他安裝了80多臺這種IPC，其產品在運行中幾乎沒有出現故障。"由于我們不必在IT空間中使用空調機柜或安裝PC，因此這種IPC技術為我們節省了50%以上的硬件成本，甚至超過了PLC的費用。"
盡管有些人對從傳統PLC技術遷移不太放心，但他們主要關心的是性能和正常運行時間。兩者都是帶有操作系統的工業級機器控制器，但與硬件PLC不同，基于PC的控制更具有成本效益、靈活性和透明性。系統集成商與自動化供應商工程師的緊密合作，對于從研發到調試和故障排除都至關重要。（作者：JamesFigy）