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圖片來(lái)源：Beckhoff Automation

通過(guò)部署EtherCAT、機器人和AI技術(shù)，重新設計生產(chǎn)機器以進(jìn)行質(zhì)量控制，無(wú)菌采樣袋工廠(chǎng)的機器生產(chǎn)能力提高了15%到35%。

關(guān)注生產(chǎn)的質(zhì)量標準和靈活性，對于無(wú)菌采樣行業(yè)至關(guān)重要。畢竟，采樣袋需要容納各種尺寸的采樣海綿、食品、藥品或有機物，以便在實(shí)驗室進(jìn)行測試并防止污染，以確保消費者安全。

Labplas公司在其蒙特利爾地區的生產(chǎn)設施中構建了一條量身定制的機器生產(chǎn)線(xiàn)，不僅可以生產(chǎn)標準尺寸的采樣袋和套件，還可以在幾乎不需要轉換的情況下，生產(chǎn)從3到33英寸寬的各類(lèi)材料的定制產(chǎn)品。

Labplas公司的總經(jīng)理Benoit Brouillette表示：“通過(guò)自動(dòng)化不斷改進(jìn)我們的系統，以在保持敏捷性的實(shí)現更多產(chǎn)品、更高的吞吐量。”

該公司總部位于加拿大魁北克省的Sainte-Julie,，在大約55個(gè)國家/地區擁有獨立的分銷(xiāo)商網(wǎng)絡(luò )，為食品、農業(yè)、環(huán)境、獸醫和制藥等行業(yè)的客戶(hù)提供服務(wù)。產(chǎn)品包括無(wú)菌采樣袋、檢測棒套件、食品工業(yè)袋和環(huán)保可生物降解袋。

從20年前投產(chǎn)的臺機器，到公司現在的24條MM系列機器生產(chǎn)線(xiàn)，經(jīng)歷了多次迭代。Labplas研發(fā)部門(mén)經(jīng)理Christian Fontaine表示，近重新設計了幾條MM生產(chǎn)線(xiàn)，工程部門(mén)額外增加了機器人和GigE攝像頭以提高產(chǎn)量和可重復性，還正在部署人工智能(AI)以實(shí)現更好的質(zhì)量控制。對Labplas來(lái)講，任何升級的關(guān)鍵是需要仔細考慮控制平臺直到組件的各個(gè)層面。

“為了保持足夠的多樣性以生產(chǎn)定制產(chǎn)品，MM生產(chǎn)線(xiàn)必須保持高度的復雜性。如果您不信任機器的每個(gè)部分，就不會(huì )信任終結果。”Fontaine說(shuō)。

01 采用可靠、開(kāi)放的技術(shù)

工程團隊優(yōu)先考慮系統開(kāi)放性，這是增加數據采集和集成第三方組件和實(shí)時(shí)軟件所必需的。例如，Labplas想升級其組裝技術(shù)，以生產(chǎn)采樣袋并裝入采樣附件，如海綿、布、勺子或帶有機械臂的剪刀。

以前，運行人員需要手動(dòng)裝入海綿并將套件放入成品敞口袋中。為了實(shí)現MM生產(chǎn)線(xiàn)的設計升級，Labplas考慮了不同類(lèi)型的成型、填充和密封，并設計了一種將該設備與6軸機器人集成的方法。

所有組件都需要在沒(méi)有不同供應商通信問(wèn)題的情況下實(shí)時(shí)協(xié)同工作，在公司服務(wù)器或專(zhuān)用計算硬件上收集和存儲數據，以進(jìn)行報告和流程改進(jìn)。

在未來(lái)的全廠(chǎng)改造中，重新設計的生產(chǎn)線(xiàn)將作為全廠(chǎng)未來(lái)改進(jìn)的模型，可以提高產(chǎn)量并使運行和維護人員更容易從一條生產(chǎn)線(xiàn)轉移到另一條生產(chǎn)線(xiàn)。

Brouillette說(shuō)：“我們的目標是開(kāi)發(fā)一個(gè)標準化的系統，在這個(gè)系統中自動(dòng)化設備和機器將盡可能固定不變，我們擁有能夠生產(chǎn)1000多種不同產(chǎn)品類(lèi)型的多功能生產(chǎn)線(xiàn)。”

由于之前供應商的傳統可編程邏輯控制器(PLC)無(wú)法支持機器人要求，也無(wú)法支持AI，從2015年開(kāi)始，Labplas開(kāi)始尋求新的合作伙伴。工程團隊認為基于PC的控制是佳途徑。

▲ 圖2：通過(guò)配置了TwinCAT軟件以及其它先進(jìn)技術(shù)的拾取和放置機器人，使插入采樣工具的速度提高了6倍。

02 機器人和軟件促進(jìn)生產(chǎn)

新機器的設計包括多個(gè)基于PC的控制解決方案、運動(dòng)控制硬件和具有運動(dòng)功能的通用自動(dòng)化軟件。Labplas在15條生產(chǎn)線(xiàn)上配置了機器人。拾放機器人和其它運動(dòng)軸配備了由EtherCAT伺服驅動(dòng)器控制的伺服電機。

高性能同步伺服電機為動(dòng)態(tài)應用提供非常低的轉子慣量和非常高的過(guò)載能力。該設計用單電纜連接到驅動(dòng)器，電源和反饋信號在同一條線(xiàn)纜中傳輸，從而減少了接線(xiàn)數量。伺服驅動(dòng)器的快速控制算法，小電流控制、速度控制和位置控制為62.5μs。

“伺服驅動(dòng)器必須為伺服電機提供極高的精度和加速度，尤其是delta機器人。”Fontaine說(shuō)。還使用了具有內置安全斷開(kāi)扭矩(STO)和安全停止1(SS1)功能的集成功能安全驅動(dòng)卡，可選擇通過(guò)標準自動(dòng)化軟件來(lái)添加具有編程功能的安全I/O硬件。

除了安全之外，該自動(dòng)化軟件還可作為MM生產(chǎn)線(xiàn)的PLC、運動(dòng)控制和其它要求的通用軟件平臺。該軟件的運動(dòng)轉換功能支持各類(lèi)機器人的設計和調試，包括delta拾放機器人。

“由于集成了動(dòng)態(tài)預控制，在高速和加速情況下，也可以通過(guò)運動(dòng)學(xué)轉換進(jìn)行高精度運動(dòng)，自動(dòng)化軟件套件可以實(shí)時(shí)控制機器人和機器生產(chǎn)線(xiàn)。”Beckhoff Automation公司的區域銷(xiāo)售經(jīng)理Ted Sarazin說(shuō)。

該軟件支持使用多種語(yǔ)言進(jìn)行編程，包括從具有面向對象擴展的IEC61131-3到C語(yǔ)言的所有內容，用戶(hù)可以為每個(gè)應用使用合適的語(yǔ)言。免費試用機會(huì )有助于在購買(mǎi)前確定設計需求并降低風(fēng)險。

▲圖3：AM8000伺服驅動(dòng)器為Codian機器人提供出色的響應能力。

03 跳出工業(yè)硬件的傳統思維

為了提高靈活性和可重復性，MM機器生產(chǎn)線(xiàn)采用了很多先進(jìn)控制解決方案。工程師和運行人員通過(guò)內置的寬屏面板與MM機器進(jìn)行交互，該面板對外提供具有IP65防護等級的多點(diǎn)觸控顯示硬件。單電纜設計整合了電源、USB 3.0信號和DVI信號，可用于從基于PC的機器控制器到控制面板的傳輸，遠可達100m。

DIN導軌安裝的嵌入式PC，是MM生產(chǎn)線(xiàn)的主要機器控制器。這種基于PC的控制器具有雙核處理器，可通過(guò)通用自動(dòng)化軟件自動(dòng)生產(chǎn)樣品。

這些工業(yè)級PC控制著(zhù)所有自動(dòng)化設備，包括MM生產(chǎn)線(xiàn)上的伺服驅動(dòng)器、傳感器等。例如在MM9系列中，小型嵌入式控制器必須提供可以驅動(dòng)復雜機器所需的處理能力，該機器具有7個(gè)運動(dòng)軸以及一個(gè)5軸和2個(gè)3軸Delta機器人，并且需要具有可用于質(zhì)量監控和潛在自我修復軟件的CPU算力。

嵌入式PC還為運行在微軟Windows環(huán)境下的第三方軟件提供了安裝和處理能力。這包括客戶(hù)定制的、用于質(zhì)量控制的Laplas AI應用。

04 部署AI工具

“我們在采樣袋生產(chǎn)線(xiàn)上部署AI工具，主要是為了自動(dòng)檢測和處理產(chǎn)品缺陷，并通過(guò)來(lái)自電機、傳感器和攝像頭的設備狀況監視數據來(lái)預測質(zhì)量，如果沒(méi)有強大的計算能力，這是不可能實(shí)現的。” Brouillette說(shuō)。

EtherCAT為MM機器生產(chǎn)線(xiàn)提供實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )和I/O解決方案，也提高了系統開(kāi)放性。Fontaine解釋說(shuō)，DIN導軌安裝的I/O端子，連接到嵌入式PC并連接到MM機器上的傳感器、閥門(mén)、端子卡件、固態(tài)繼電器(SSR)和其它設備。

通過(guò)單根以太網(wǎng)電纜，EtherCAT協(xié)議使用戶(hù)能夠在組件之間傳輸信息，傳輸速度快于控制器周期，包括安全功能所需的信息。

05 開(kāi)啟未來(lái)生產(chǎn)力和靈活性

通過(guò)實(shí)施基于PC的開(kāi)放式解決方案，每條產(chǎn)品線(xiàn)在升級后不到一年的時(shí)間內就實(shí)現了投資回報。他們還提高了MM機器的靈活性，能夠以更少的轉換工作生產(chǎn)更多的規格，并能夠充分利用AI和機器人技術(shù)，以高質(zhì)量快速完成流程。

“通過(guò)直接在機器上應用AI進(jìn)行質(zhì)量控制，運行人員可以專(zhuān)注于產(chǎn)品的供應和包裝，而不是質(zhì)量控制。這也使我們能夠實(shí)施預測性維護，在任何設備和流程問(wèn)題導致停止生產(chǎn)之前解決它們。” Brouillette說(shuō)。

除了能提高質(zhì)保水平，Labplas公司還提高了所有規格采樣袋的產(chǎn)量，重新設計的MM機器的生產(chǎn)率平均提高了25%。隨著(zhù)袋子尺寸變得更寬，效率的提高會(huì )略有下降。例如，對于10英寸以上的袋子，生產(chǎn)率平均提高了15%，對于尺寸較小的袋子，生產(chǎn)率提高了35%。通過(guò)添加機器人和其它升級，在MM8機器上插入采樣套件的速度提高了6倍。

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