NPI 公司的分拣解决方案利用倍福基于 PC 的控制技术和 EtherCAT 总线帮助加州的一个配送中心减少了对劳动力的需求，同时提高了仓储货物吞吐量和仓储周转效率
如果您从事内部物流行业，您肯定知道，物流行业的市场规模和发展速度都在持续增长。但对于大型邮政和包裹快递服务供应商、电子商务零售商和第三方物流（3PL）公司来说，资本投资仍然需要能够带来实际的商业价值。NPI 公司深谙这一点，在设计包裹分拣解决方案时，非常注重客户的投资回报率。例如，公司精心打造的第三代 Xstream 线性滑靴式分拣机和独立的 Singulator 包裹导入装置就是最好的说明。
“我们的客户通常每天至少要处理 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。我们始终将他们的目标牢记于心，继续尽可能地缩短投资收益周期。”首席技术官 Joshua Owens 说道。“为了实现这个目标，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 公司由 Henry Daboub 于 1977 年创立，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。
该团队最近发布了 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 制造商的设备提供了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，我们的 Singulator 无论在体积、成本还是缓解劳动力短缺问题方面都处于行业领先地位。”Brent Daboub 解释道。
为了满足当前需求并确保未来创新，NPI 对其 100,000 平方英尺的场地进行了扩建，增加了 18,000 平方英尺的存储空间和 25,000 平方英尺的生产空间。我们将倍福的 EtherCAT 通信系统、可扩展的控制器以及新的 TwinCAT/BSD 替代操作系统等自动化新技术标准化，实践证明，为公司的未来发展提供了极为宝贵的帮助。
突破旧控制器的吞吐量限制
虽然 NPI 的解决方案一直保持迭代进化，可以满足现在的需求，但旧的通信系统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，公司希望其系统能够采用模块化设计，易于扩展。NPI 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 选择了倍福，并与他们在达拉斯的团队合作，其中包括销售工程师 Jeff Kuzniar 和应用工程师 Isaac Spear。
“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。我一直在寻找一家不断向前进、而不是原地踏步的公司合作。在比较了系统的可用性、可扩展性以及 EtherCAT I/O 的性能之后，很容易就选择了倍福。”Owens 说道。
超高性能控制器助力提升 Xstream 系统性能
NPI 选用了倍福产品系列中的高性能、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 配备的是倍福 C6017 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 CX2030 系列嵌入式控制器（或称为 PLC）在大多数应用中用作主控制器。NPI 最近改用成搭载四核 AMD RyzenTM 处理器（时钟频率为 3.35 GHz）的 CX2043，以便为未来的系统扩展预留足够高的算力。
新的 NPI 设备采用的是 TwinCAT/BSD 而不是 Windows 10 IoT。这款 Windows 替代方案将倍福数十年坚持的自主开发、可扩展的硬件和实时功能与现代的类UNIX 操作系统更高的安全性和性能结合于一体。现代 PLC 使用的都是实时操作系统（RTOS），而不是专用固件。但安装有 TwinCAT/BSD 操作系统的倍福控制器通过一个实时内核、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。工程师还可以从各种 Intel 或 AMD 处理器中选择：从单核和多核微处理器到超高性能的多核处理器。TwinCAT/BSD Hypervisor 可以同时执行安装有 Windows 或 Linux 发行版的虚拟机。
并将 NPI 镜像部署速度提高了 70%。但这些还不是让 NPI 选择倍福产品的主要原因。“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。”Owens 说道，“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。对我来说，即使在运行 Windows 时，倍福工业 PC 的功能类似于性能更强大的 PLC。”
TwinCAT 和 EtherCAT 远超应用需求
NPI 非常欣赏 TwinCAT 3 自动化软件和 EtherCAT 工业以太网系统的强大性能。TwinCAT 是一个端到端开发和运行时环境，适用于 PLC、运动控制以及物联网等所有应用。它让工程师能够选择他们最熟悉的或最适合自己项目的编程语言，包括 IEC 61131-3 标准编程语言及其面向对象的语言扩展和功能块以及计算机科学标准语言。从 NPI 的传统微控制器上的自制 C++ 代码迁移至倍福平台将是彻底扭转局面的另一个关键，Owens 说道：“基于 Visual Studio® 的集成式开发环境（IDE）为我们继续前进提供了巨大的帮助。”
TwinCAT 基于 ADS 协议自动扫描 EtherCAT 网络上的设备，加快调试速度。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。EtherCAT 自身的功能原理给 Owens 和 Daboub 留下了深刻印象。EtherCAT 实时通信系统在同一个网段上最多可容纳 65,535 个节点，并且可以自由选择线型、树型和星型等拓扑结构。
“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。例如，EtherNet/IP 和其它平台上的节点过多，性能就会开始下降，导致需要更多的网络、硬件和工程工作。”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。”
第三方物流供应商的吞吐量猛增
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全面的彰显。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。”
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。
Xstream 取得巨大成功
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，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。Owens 认为，以倍福技术为依托提升系统的自动化水平是帮助客户缩短投资周期的关键。
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。使用倍福方案后，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，这是非常大进步。”
CX2030 嵌入式控制器的 CPU 性能比 NPI 的微控制器高出 600%，内存更是高出 800%。根据公司测试，CX2043 又将这些数字提高了 22%。倍福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，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。”他说道，“随着公司产品的不断发展，我无法想象 NPI 离开倍福后会怎样。除了强大的技术支持，他们的控制平台为我们提供了保持快速增长所需的广阔空间。”