跳出工业硬件的传统思维：基于PC的控制、机器人和AI技术

图片来源：Beckhoff Automation

通过部署EtherCAT、机器人和AI技术，重新设计生产机器以进行质量控制，无菌采样袋工厂的机器生产能力提高了15%到35%。

关注生产的质量标准和灵活性，对于无菌采样行业至关重要。毕竟，采样袋需要容纳各种尺寸的采样海绵、食品、药品或有机物，以便在实验室进行测试并防止污染，以确保消费者安全。

Labplas公司在其蒙特利尔地区的生产设施中构建了一条量身定制的机器生产线，不仅可以生产标准尺寸的采样袋和套件，还可以在几乎不需要转换的情况下，生产从3到33英寸宽的各类材料的定制产品。

Labplas公司的总经理Benoit Brouillette表示：“通过自动化不断改进我们的系统，以在保持敏捷性的同时，实现更多产品、更高的吞吐量。”

该公司总部位于加拿大魁北克省的Sainte-Julie,，在大约55个国家/地区拥有独立的分销商网络，为食品、农业、环境、兽医和制药等行业的客户提供服务。产品包括无菌采样袋、检测棒套件、食品工业袋和环保可生物降解袋。

从20年前投产的第一台机器，到公司现在的24条MM系列机器生产线，经历了多次迭代。Labplas研发部门经理Christian Fontaine表示，最近重新设计了几条MM生产线，工程部门额外增加了机器人和GigE摄像头以提高产量和可重复性，还正在部署人工智能(AI)以实现更好的质量控制。对Labplas来讲，任何升级的关键是需要仔细考虑控制平台直到组件的各个层面。

“为了保持足够的多样性以生产定制产品，MM生产线必须保持高度的复杂性。如果您不信任机器的每个部分，就不会信任最终结果。”Fontaine说。

01 采用可靠、开放的技术

工程团队优先考虑系统开放性，这是增加数据采集和集成第三方组件和实时软件所必需的。例如，Labplas想升级其组装技术，以生产采样袋并装入采样附件，如海绵、布、勺子或带有机械臂的剪刀。

以前，运行人员需要手动装入海绵并将套件放入成品敞口袋中。为了实现MM生产线的设计升级，Labplas考虑了不同类型的成型、填充和密封，并设计了一种将该设备与6轴机器人集成的方法。

所有组件都需要在没有不同供应商通信问题的情况下实时协同工作，同时在公司服务器或专用计算硬件上收集和存储数据，以进行报告和流程改进。

此外，在未来的全厂改造中，重新设计的生产线将作为全厂未来改进的模型，可以提高产量并使运行和维护人员更容易从一条生产线转移到另一条生产线。

Brouillette说：“我们的目标是开发一个标准化的系统，在这个系统中自动化设备和机器将尽可能固定不变，即使我们拥有能够生产1000多种不同产品类型的多功能生产线。”

由于之前供应商的传统可编程逻辑控制器(PLC)无法支持机器人要求，也无法支持AI，因此从2015年开始，Labplas开始寻求新的合作伙伴。工程团队认为基于PC的控制是最佳途径。

▲ 图2：通过配置了TwinCAT软件以及其它先进技术的拾取和放置机器人，使插入采样工具的速度提高了6倍。

02 机器人和软件促进生产

新机器的设计包括多个基于PC的控制解决方案、运动控制硬件和具有运动功能的通用自动化软件。Labplas在15条生产线上配置了机器人。拾放机器人和其它运动轴配备了由EtherCAT伺服驱动器控制的伺服电机。

高性能同步伺服电机为动态应用提供非常低的转子惯量和非常高的过载能力。该设计用单电缆连接到驱动器，电源和反馈信号在同一条线缆中传输，从而减少了接线数量。伺服驱动器的快速控制算法，最小电流控制、速度控制和位置控制为62.5μs。

“伺服驱动器必须为伺服电机提供极高的精度和加速度，尤其是delta机器人。”Fontaine说。同时，还使用了具有内置安全断开扭矩(STO)和安全停止1(SS1)功能的集成功能安全驱动卡，可选择通过标准自动化软件来添加具有编程功能的安全I/O硬件。

除了安全之外，该自动化软件还可作为MM生产线的PLC、运动控制和其它要求的通用软件平台。该软件的运动转换功能支持各类机器人的设计和调试，包括delta拾放机器人。

“由于集成了动态预控制，即使在高速和加速情况下，也可以通过运动学转换进行高精度运动，自动化软件套件可以实时控制机器人和机器生产线。”Beckhoff Automation公司的区域销售经理Ted Sarazin说。

该软件支持同时使用多种语言进行编程，包括从具有面向对象扩展的IEC61131-3到C语言的所有内容，因此用户可以为每个应用使用合适的语言。免费试用机会有助于在购买前确定设计需求并降低风险。

▲图3：AM8000伺服驱动器为Codian机器人提供出色的响应能力。

03 跳出工业硬件的传统思维

为了提高灵活性和可重复性，MM机器生产线采用了很多先进控制解决方案。工程师和运行人员通过内置的宽屏面板与MM机器进行交互，该面板对外提供具有IP65防护等级的多点触控显示硬件。单电缆设计整合了电源、USB 3.0信号和DVI信号，可用于从基于PC的机器控制器到控制面板的传输，最远可达100m。

DIN导轨安装的嵌入式PC，是高级MM生产线的主要机器控制器。这种基于PC的控制器具有双核处理器，可通过通用自动化软件自动生产样品。

这些工业级PC控制着所有自动化设备，包括MM生产线上的伺服驱动器、传感器等。例如在MM9系列中，小型嵌入式控制器必须提供可以驱动复杂机器所需的处理能力，该机器具有7个运动轴以及一个5轴和2个3轴Delta机器人，并且需要具有可用于质量监控和潜在自我修复软件的CPU算力。

嵌入式PC还为运行在微软Windows环境下的第三方软件提供了安装和处理能力。这包括客户定制的、用于质量控制的Laplas AI应用。

04 部署AI工具

“我们在采样袋生产线上部署AI工具，主要是为了自动检测和处理产品缺陷，并通过来自电机、传感器和摄像头的设备状况监视数据来预测质量，如果没有强大的计算能力，这是不可能实现的。” Brouillette说。

EtherCAT为MM机器生产线提供实时网络和I/O解决方案，也进一步提高了系统开放性。Fontaine解释说，DIN导轨安装的I/O端子，连接到嵌入式PC并连接到MM机器上的传感器、阀门、端子卡件、固态继电器(SSR)和其它设备。

通过单根以太网电缆，EtherCAT协议使用户能够在组件之间传输信息，传输速度快于控制器周期，包括安全功能所需的信息。

05 开启未来生产力和灵活性

通过实施基于PC的开放式解决方案，每条产品线在升级后不到一年的时间内就实现了投资回报。他们还提高了MM机器的灵活性，能够以更少的转换工作生产更多的规格，并能够充分利用AI和机器人技术，以最高质量快速完成流程。

“通过直接在机器上应用AI进行质量控制，运行人员可以专注于产品的供应和包装，而不是质量控制。这也使我们能够实施预测性维护，在任何设备和流程问题导致停止生产之前解决它们。” Brouillette说。

除了能提高质保水平，Labplas公司还提高了所有规格采样袋的产量，重新设计的MM机器的生产率平均提高了25%。随着袋子尺寸变得更宽，效率的提高会略有下降。例如，对于10英寸以上的袋子，生产率平均提高了15%，对于尺寸较小的袋子，生产率提高了35%。此外，通过添加机器人和其它升级，在MM8机器上插入采样套件的速度提高了6倍。