United Sortation Solutions 通过基于 EtherCAT 通信系统的装盒设备在各行业之间架起桥梁，以便在要求苛刻的应用中快速部署
高增长的内部物流和包装市场已经形成交叉重叠的关系，多年来这两个行业的专家们都已经认识到了这一点。在履行订单时，在检索和分拣完货物后，订单就会被分类并运送到仓库的最后一个环节，即包装、称重和贴标，然后装运，这是最后的关键步骤之一。如果要为在这一交叉领域展开业务的终端用户提供服务，就需要在这两个领域都具有丰富专业知识的设备供应商。United Sortation Solutions（USS）就是这样一家供应商，它在 2016 年成为 Honeywell Intelligrated 的子公司。
“在收购之前，USS 是 Honeywell Intelligrated 仓储自动化集团的首选供应商，因为我们非常灵活，不怕设计全新的产品。”USS 的高级机械设计工程师 Eamon Kelly 解释说道。“每当 Honeywell Intelligrated 在配送中心需要高度专业化设备时，他们就会找 USS 合作。”
现在，作为霍尼韦尔安全与生产力解决方案集团（SPS）的一部分，USS 专为为解决各种棘手或独特的物料搬运应用难题提供设计，是内部和外部客户的解决方案中心。虽然 USS 最典型的业务是料箱输送运应用，经常会为世界上最大的零售商提供这些解决方案，但其团队认为，定制解决方案是他们的核心竞争力。包装设备只是他们能够提供的各种定制解决方案中的一种。
“其他很多供应商只能提供公司固定产品目录中的产品，而我们是真正的定制开发公司。”USS 公司高级软件工程师 Evan Bassett 说道。“话虽如此，我们也有很厚的定制设计设备目录，因此我们有时会调整以前的设计或打造全新的方案，以满足每个客户的独特需求。”
物料搬运和包装专有技术完美融合
2021 年，一家大型医疗用品制造商找到了 Honeywell Intelligrated，希望实现整个配送中心（DC）的自动化。该中心的生产线末端需要高度定制化的设备满足其应用中特有的复杂包装需求。客户需要极高精度的产品和包装输送解决方案，以确保其医疗产品零损坏地离开生产区域，USS 承接了该项目及设备的定制开发任务。
该应用给 USS 带来了很多独特的工程挑战。产品放置在托盘中，然后堆放在洁净室中并装入塑料袋封装。重要的是，装袋的托盘重叠时不能超过设定位置，否则很可能会导致产品损坏。客户之前使用了一个六轴机器人将装袋托盘插入盒子，但它的速度太慢，无法跟上上游较快的生产速度。
USS 仅花了约 9 个月的时间就快速设计和打造了一个定制化解决方案，就是 USS 的下一代装箱和包装系统（CLAPS）。这个包装过程被认为是整个 Honeywell Intelligrated 的自动存取系统（AS/RS）不可或缺的一部分，并面向内部物流业务。Honeywell Intelligrated 已经获得了该解决方案的知识产权，可以将这些设计用于未来的项目。“最近的这个例子说明了我们如何针对未来的应用修改和调整专为客户定制的解决方案，以及 USS 如何快速设计、建造和部署新的定制化设备。”USS 业务部门负责人兼高级工程经理 Donna Kiefer 解释道。
新的 CLAPS 取代了以前由机器人实现的多种功能。该设备从上游输送设备接收竖立并贴好标签的纸箱，而之前已包装和捆扎好的装有带条形码的产品的袋子在一边等待。CLAPS 将纸箱移动到位，并在底部放置纸板衬垫。然后设备将纸箱移到下一个位置，通过获得专利的抓取机构将产品袋提起并放入纸箱中。然后将另一个纸板衬垫插入到已装袋产品的顶部。在这期间，条形码扫描仪同时读取纸盒和产品的条形码，以记录每个纸盒里装的是哪些产品。这些过程完成后，装满的纸箱就会被送到下游的仓储执行系统（WES）中进行打包、最后处理和履单。
定制化设备的标准自动化
多年来，USS 公司为高速分拣设备和料箱输送设备配备了倍福的各种自动化产品，尤其是设备控制中使用的各种性能等级的 CX 系列嵌入式控制器，包括搭载 Intel® CoreTM i7 四核处理器的高性能 CX2040、搭载 Intel® AtomTM 双核处理器的中等性能等级的 CX5130 和 CX8190 超紧凑型嵌入式控制器。CX8190 是一款微控制器，也可以用作 EtherCAT I/O（或 E-bus）网关，通过各种以太网协议连接其它 PLC，在其它 PLC 平台上提供一个具有 EtherCAT 优势的解决方案。
USS 的所有设备采用的都是 EtherCAT 标准。在定制的 CLAPS 设备中，一台 CX8190 嵌入式控制器与所有 EtherCAT 设备通信，并使用 EtherNet/IP 与传统的 PLC 硬件通信，以实现其它功能。防护等级为 IP20 和 IP67 的 EtherCAT I/O 沿着整个设备分布，电气柜的内外都安装了 I/O。“我们在设计标准设备时，尽量减少主面板上 I/O 的接线数量。”Bassett 说道，“在这样的定制化系统中，几乎所有的 I/O 都直接安装在设备上，与传感器和其它现场设备连接。EtherCAT 端子盒让我们能够将输入和输出通道连接到同一个模块上。”
倍福全球物料搬运和内部物流行业经理 Doug Schuchart 补充道：“分布式 I/O 显著减少了安装时间，同时还能扩展诊断功能和简化维护工作，延长设备的正常运行时间，它还能够提高设备日后扩展的灵活性。由于 EtherCAT 不是一个基于交换机的协议，像 USS 这样的客户可以自由地设计带分布式 I/O 的设备，而不必担心各种网络限制，如性能限制、交换机延迟、网络上设备数量的限制、PLC 中连接数量的限制，甚至是拓扑结构的分支。因此 EtherCAT 可为内部物流设备带来独特优势。”
以前需要手动扫描和配置带数千个点的 I/O 系统，可能需要好几天。“此外，还需要再花几天时间进行调试，检查每个单独的 I/O 点，确保它们都被正确映射。”Bassett 说道，“现在，有了 TwinCAT Automation Interface 后，只需几分钟即可轻松完成整个过程，实现了编程任务自动化。”
创新存在于每一个细节中
哪怕是使用简单的设计元素，USS 也能开发出一种创新的方案，为最终用户提供可靠的解决方案。其中一个例子是应用电动辊筒（MDR）技术，将这些无刷直流电机的独特优势扩展到很多应用中，而不仅仅只是输送机应用。USS 在与以前的 MDR 控制器供应商的合作中遇到了很多无法解决的难题，包括现场总线通信不可靠以及安全功能集成受到限制，甚至没有。“该应用的安全要求规定，MDR 控制器可以主动切断辊筒电机的动力供电。但大多数制造商都不支持这一功能，如果不能提供此类主动安全功能，当意外发生时，势必会影响到现场总线上部分传感器信号的采集和控制。”Bassett 说道。
USS 的工程团队发现，通过这种方式与 MDR 控制器建立可靠的通信是他们的设备符合新的 NFPA 79 要求的关键。“我们组建了一个项目小组，以评估用于处理 2021 年 NFPA 79 修订版中新的急停按钮规范要求的不同方法。”Kiefer 说道，“我们在考察审核了多家供应商的硬件后，决定标准化使用倍福的 EP7402 MDR 控制端子盒和 EtherCAT P，它在一根标准的电缆中整合了 EtherCAT 通信和动力系统。EP7402 也被用于 USS 公司以及其它Honeywell Intelligrated 系统的其它料箱和手推车输送机上。”
EP7402-0057 MDR 控制端子盒集成两个电机输出，用于直接连接 24 V 直流辊筒电机或其它无刷直流电机（最高 3.5 A）。新的 EP7402-0167 型号可以控制各种 24 V 至 48 V DC 的电动辊筒。该款端子盒有 8 个额外的数字量 I/O，能够连接光电开关等装置，并在无 PLC 的情况下实现端子盒之间的通信。EP7402-0057 可以独立于制造商全面控制辊筒电机或无刷直流电机。它也可以独立于 PLC 运行，并提供诸如零压力积放（ZPA）、单独或成组运行等功能。TwinCAT 自动化软件中的免费功能块也提供 ZPA 功能、合并和其它重要的 MDR 控制功能。MDR 控制器还可以通过倍福的 TwinSAFE 技术将安全功能集成在系统结构中。
USS 还在其它区域使用 TwinSAFE 连接系统上的所有安全输入。“我们决定采用 TwinSAFE 对设备的各个区域进行安全分割。”Bassett 补充道，“我们需要能够独立禁用每个分区，以便在操作人员重新装载衬垫或清除堵塞物时维持吞吐量。我们还能够将设备划分为不同的安全功能区，因此我们不必为局部的安全事件而紧急停止整条生产线。”
EtherCAT 将所有应用连接在一起
EtherCAT 协议的性能对 USS 来说也是非常宝贵，因为其它传统 PLC 并不具备倍福设备控制器的通信性能。“使用传统的 PLC，设备上所有 I/O 的扫描速率通常为 10 或 20 毫秒。”Kelly 说道，“但当我们添加了倍福嵌入式控制器和 EtherCAT 后，EtherCAT I/O 的扫描速率可以达到 1 或 2 毫秒。我们因此能够以更快的扫描速率使用更多的 I/O，以前使用的传统 PLC 完全做不到这一点。”
分拣机械上的智能传感器通常需要超快的扫描速率，而传统 PLC 很难满足需求。“如果你想要在设备运行时感应经过传感器的物体，脉冲时间通常是几十毫秒，因此如果扫描速率是 15 或 20 毫秒，就会完全错过触发。”Bassett 解释道，“有了 EtherCAT I/O，我们可以牢固地锁定物体，并在触发消失之前完成 5 次 I/O 扫描。因此，我们可以保证跟踪设备上移动速度最快的物体，我们可以在分拣系统上实现毫米级的响应精度。”
EtherCAT 还具有丰富的诊断功能，可以提供有关系统中电缆断裂的确切位置，以及个别通信设备是否处于运行状态等信息。“除了能够很好地满足我们的功能和成本要求之外，倍福还为我们提供了定制的带彩色编码的电缆，确保每次都能在现场进行正确连接。”Kiefer 说道，“防错措施是我们为客户带来的主要附加值，可以减少他们对于现场支持以及维修服务的需求。”
USS 也看到了通过倍福为他们的提供的技术服务和支持创造的价值，尤其是区域销售工程师 Jay McNeil 和区域应用工程师 Shawn Sidelinger。“对于新系统自动化方面的咨询，我们与倍福团队保持着良好长久的关系。”Bassett 说道，“Shawn Sidelinger 是个非常好的合作伙伴，他甚至帮助我们为众多的 USS 应用创建了标准代码块，此外还通过可直接安装在设备上的自动化硬件帮助我们减少控制柜的使用。”
在成功应用 EP7402 无控制柜式 I/O 和驱动技术之后，USS 正在评估倍福的其它无控制柜控制解决方案，如 C7015 工业 PC，它的防护等级高达 IP65/67，可直接安装在设备上。“我知道我们的客户将非常高兴看到 USS 的设备与主 PLC 都安装在电气柜外。”Kiefer 说道。这只是 USS 继续投资于倍福新的硬件、软件和通信技术的又一个例子，这些技术让开发者完成了以前从未做到过的事情。对于 USS 团队来说，技术将一直保持革新。因此他们的客户可以放心，无论他们的应用定制化和复杂程度如何，有多不寻常，他们都能够一如既往地得到支持，确保应用成功。