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圖片來源：Beckhoff Automation

通過部署EtherCAT、機器人和AI技術，重新設計生產機器以進行質量控制，無菌采樣袋工廠的機器生產能力提高了15%到35%。

關注生產的質量標準和靈活性，對于無菌采樣行業至關重要。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，以便在實驗室進行測試并防止污染，以確保消費者安全。

Labplas公司在其蒙特利爾地區的生產設施中構建了一條量身定制的機器生產線，不僅可以生產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，生產從3到33英寸寬的各類材料的定制產品。

Labplas公司的總經理Benoit Brouillette表示：“通過自動化不斷改進我們的系統，以在保持敏捷性的同時，實現更多產品、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個國家/地區擁有獨立的分銷商網絡，為食品、農業、環境、獸醫和制藥等行業的客戶提供服務。產品包括無菌采樣袋、檢測棒套件、食品工業袋和環保可生物降解袋。

從20年前投產的臺機器，到公司現在的24條MM系列機器生產線，經歷了多次迭代。Labplas研發部門經理Christian Fontaine表示，近重新設計了幾條MM生產線，工程部門額外增加了機器人和GigE攝像頭以提高產量和可重復性，還正在部署人工智能(AI)以實現更好的質量控制。對Labplas來講，任何升級的關鍵是需要仔細考慮控制平臺直到組件的各個層面。

“為了保持足夠的多樣性以生產定制產品，MM生產線必須保持高度的復雜性。如果您不信任機器的每個部分，就不會信任終結果。”Fontaine說。

01 采用可靠、開放的技術

工程團隊優先考慮系統開放性，這是增加數據采集和集成第三方組件和實時軟件所必需的。例如，Labplas想升級其組裝技術，以生產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，運行人員需要手動裝入海綿并將套件放入成品敞口袋中。為了實現MM生產線的設計升級，Labplas考慮了不同類型的成型、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有不同供應商通信問題的情況下實時協同工作，同時在公司服務器或專用計算硬件上收集和存儲數據，以進行報告和流程改進。

此外，在未來的全廠改造中，重新設計的生產線將作為全廠未來改進的模型，可以提高產量并使運行和維護人員更容易從一條生產線轉移到另一條生產線。

Brouillette說：“我們的目標是開發一個標準化的系統，在這個系統中自動化設備和機器將盡可能固定不變，即使我們擁有能夠生產1000多種不同產品類型的多功能生產線。”

由于之前供應商的傳統可編程邏輯控制器(PLC)無法支持機器人要求，也無法支持AI，因此從2015年開始，Labplas開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：通過配置了TwinCAT軟件以及其它先進技術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 機器人和軟件促進生產

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

高性能同步伺服電機為動態應用提供非常低的轉子慣量和非常高的過載能力。該設計用單電纜連接到驅動器，電源和反饋信號在同一條線纜中傳輸，從而減少了接線數量。伺服驅動器的快速控制算法，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。同時，還使用了具有內置安全斷開扭矩(STO)和安全停止1(SS1)功能的集成功能安全驅動卡，可選擇通過標準自動化軟件來添加具有編程功能的安全I/O硬件。

除了安全之外，該自動化軟件還可作為MM生產線的PLC、運動控制和其它要求的通用軟件平臺。該軟件的運動轉換功能支持各類機器人的設計和調試，包括delta拾放機器人。

“由于集成了動態預控制，即使在高速和加速情況下，也可以通過運動學轉換進行高精度運動，自動化軟件套件可以實時控制機器人和機器生產線。”Beckhoff Automation公司的區域銷售經理Ted Sarazin說。

該軟件支持同時使用多種語言進行編程，包括從具有面向對象擴展的IEC61131-3到C語言的所有內容，因此用戶可以為每個應用使用合適的語言。免費試用機會有助于在購買前確定設計需求并降低風險。

▲圖3：AM8000伺服驅動器為Codian機器人提供出色的響應能力。

03 跳出工業硬件的傳統思維

為了提高靈活性和可重復性，MM機器生產線采用了很多先進控制解決方案。工程師和運行人員通過內置的寬屏面板與MM機器進行交互，該面板對外提供具有IP65防護等級的多點觸控顯示硬件。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生產線的主要機器控制器。這種基于PC的控制器具有雙核處理器，可通過通用自動化軟件自動生產樣品。

這些工業級PC控制著所有自動化設備，包括MM生產線上的伺服驅動器、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復雜機器所需的處理能力，該機器具有7個運動軸以及一個5軸和2個3軸Delta機器人，并且需要具有可用于質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環境下的第三方軟件提供了安裝和處理能力。這包括客戶定制的、用于質量控制的Laplas AI應用。

04 部署AI工具

“我們在采樣袋生產線上部署AI工具，主要是為了自動檢測和處理產品缺陷，并通過來自電機、傳感器和攝像頭的設備狀況監視數據來預測質量，如果沒有強大的計算能力，這是不可能實現的。” Brouillette說。

EtherCAT為MM機器生產線提供實時網絡和I/O解決方案，也進一步提高了系統開放性。Fontaine解釋說，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、端子卡件、固態繼電器(SSR)和其它設備。

通過單根以太網電纜，EtherCAT協議使用戶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 開啟未來生產力和靈活性

通過實施基于PC的開放式解決方案，每條產品線在升級后不到一年的時間內就實現了投資回報。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更多的規格，并能夠充分利用AI和機器人技術，以高質量快速完成流程。

“通過直接在機器上應用AI進行質量控制，運行人員可以專注于產品的供應和包裝，而不是質量控制。這也使我們能夠實施預測性維護，在任何設備和流程問題導致停止生產之前解決它們。” Brouillette說。

除了能提高質保水平，Labplas公司還提高了所有規格采樣袋的產量，重新設計的MM機器的生產率平均提高了25%。隨著袋子尺寸變得更寬，效率的提高會略有下降。例如，對于10英寸以上的袋子，生產率平均提高了15%，對于尺寸較小的袋子，生產率提高了35%。此外，通過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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