«Умная» система внутрискладского перемещения грузов для электронной коммерции
В связи с растущим спросом на электронную коммерцию и жестким давлением на рынке труда современные интеллектуальные склады и распределительные центры все чаще нуждаются в технологиях, управляемых данными, в том числе для автоматического регулирования движения. Специалисту по внутренней логистике швейцарской компании Swisslog для решения этой проблемы требуются машины с большим интеллектом, такие как автоматизированная транспортно-складская система на основе перевозчиков-шаттлов (shuttle system) CycloneCarrier.
«Электронная коммерция (e-commerce) — это самый быстрорастущий сегмент экономики США, — говорит Том Рентшлер (Tom Rentschler), руководитель отдела маркетинга компании Swisslog Warehouse and Distribution Solutions — Americas. — Сейчас операции по интралогистике требуют гораздо более гибких, масштабируемых, адаптируемых и удобных для пользователя решений. Такие технологии могут увеличивать производительность и облегчать труд персонала, а не заменять людей, помогая работникам увеличить пропускную способность в распределительном центре, при этом им больше не нужно проходить 15 миль каждый день, чтобы собрать и подготовить товары для отправки потребителям».
Компания Swisslog использует множество логистических решений, включая программное обеспечение системы управления складом (warehouse management system, WMS), роботизированный сбор товаров, палетирование ящиков на основе мобильных роботов, которые перемещают полки к станциям сбора, и многие другие. Swisslog также предлагает традиционные складские системы, в том числе палетизаторы, подъемники для поддонов и различные технологии их транспортировки (рис. 1).
Приложения для управления движением в интралогистике
Компактные транспортные средства, предназначенные для перевозки картонных коробок и контейнеров, перемещаются по стеллажам, которые могут достигать длины 150 м и высоты 25 м, со скоростью до 4 м/с. Погрузочно-разгрузочные приспособления этих транспортных средств простираются в обе стороны и для безопасной работы с предметами различной ширины могут регулировать расстояние между ними (рис. 2). Погрузчики выгружают предметы на передаточные конвейеры, которые служат буферами для динамических одно- или двухъярусных вертикальных подъемников. В зависимости от размера стеллажа и количества тележек система может обеспечить пропускную способность в десятки тысяч единиц в час. Однако для регистрации местоположения предметов в постоянно меняющемся инвентаре каждый погрузчик должен часто связываться с WMS. «Он должен быстро реагировать, например, в случае изменения заказа или изменения требований к последовательности единиц складского учета», — отметил Пол Дуглас (Paul Douglas), старший вице-президент по операциям Swisslog Warehouse and Distribution Solutions — Americas.
Компания Swisslog осознала необходимость платформы управления, которая могла бы обрабатывать увеличенные объемы данных и обмениваться ими по горизонтали и вертикали, в том числе и с облаком, если это нужно. Это осознание совпало с разработкой системы управления складом и потребностью в расширении возможностей связи между остальными системами управления компании. В результате компания Swisslog начала переводить собственное портфолио на технологию управления на базе ПК, стандартизируя аппаратные и программные решения от своего нового поставщика средств автоматизации.
«Мы приняли это стратегическое решение, потому что на тот момент у поставщика был наиболее полный и рентабельный портфель продуктов, — отметил Дуглас. — В связи с этим компания Swisslog намерена уже в самом ближайшем будущем перевести все предлагаемые продукты на компьютерное управление, включая даже более традиционные для складов краны для поддонов и конвейеры. На данный момент мы установили по всему миру уже более 1000 машин, оснащенных новыми элементами управления».
Автоматика, система перемещения, контроллер управления
В качестве средства аппаратного обеспечения контроллера шаттл-система использует встроенные ПК. Конкретный контроллер машины, устанавливаемый на DIN-рейку, имеет размеры всего 124×100×92 мм. По словам Дугласа, контроллер среднего уровня, оснащенный лишь одноядерным процессором, обрабатывает всю логику машины и процессы сбора данных за очень короткое время (рис. 3).
«Такой контроллер предоставляет нам вычислительную мощность, необходимую для надежного управления всеми функциями машины. В свое время форм-фактор тоже был проблемой, однако теперь компактный встраиваемый ПК легко помещается внутри перевозчиков-шаттлов, — добавил Дуглас. — Аппаратное обеспечение контроллера предоставляет универсальность и расширяемость, необходимые нам для продолжения разработки системы шаттла».
Гибкое ПО для автоматизации обеспечивает аналогичные преимущества и в качестве универсальной среды выполнения, и в инженерной среде для машинного программирования. Это удается реализовать в том числе благодаря исключительно простой переноске кода для новых проектов. Хотя интеграция программного обеспечения автоматизации с Microsoft Visual Studio позволяет программировать на чисто компьютерных языках, оно оптимально и для всех языков программирования IEC 61131-3, включая объектно-ориентированные расширения.
Языки программирования управления движением, промышленный Ethernet
Инженеры компании Swisslog высоко оценили описанную выше возможность, потому что до привлечения нового поставщика средств автоматизации самостоятельно написали большую часть своего кода, используя языки IEC 61131-3, такие как структурированный текст (structured text, ST) и функциональная блоковая диаграмма (function block diagram, FBD). Дуглас сказал: «Поскольку функциональные блоки были настолько фундаментальными, мы не хотели терять при переходе к другим проектам уже проделанную большую работу по их созданию, а наш новый поставщик сделал повторное использование кода возможным и несложным».
Для организации сети во внутрискладской системе перемещения грузов на основе шаттлов (рис. 4) используется промышленная система Ethernet EtherCAT, которая обеспечивает гибкость топологий и поддерживает до 65 535 устройств в одной сети. EtherCAT помогает в обмене данными между поставщиками, позволяя компании Swisslog по мере необходимости подключаться к сторонним устройствам через сеть полевого уровня Profinet или EtherNet/IP. Однако компания неизменно предпочитает выбирать устройства, например сканеры штрихкода, которые выполнены с учетом поддержки EtherCAT. Что касается аппаратного обеспечения, в системе погрузчиков-шаттлов используются компактные, но расширяемые модули ввода/вывода, которые подключаются непосредственно к контроллеру через общую объединительную плату и могут широко распространяться по приложениям через устройства связи на основе EtherCAT и соединительные клеммы.
Программируемые клеммы безопасности интегрированы в тот же сегмент шаттлов, что и входы/выходы, не связанные с безопасностью. Подход в виде «черного канала» (black channel — специальный канал связи, используемый для связи, критичной для безопасности, особенно в промышленной автоматизации) функциональной безопасности через EtherCAT (FSoE) обеспечивает сертифицированную TÜV связь по сети EtherCAT (рис. 5–7).
«Использование интегрированных компонентов безопасности позволяет нам надежно и безопасно управлять каждым шаттлом CycloneCarrier в соответствии с последними стандартами безопасности без необходимости останавливать всю систему. Благодаря этим преимуществам мы используем программируемую безопасность в каждом проекте, — сказал Дуглас. — Конечно, безопасность является требованием для каждого приложения по умолчанию, но такая интеграция действительно отвечает нашему видению проблемы и нашим общим требованиям к ее решению».
Время управления циклом, затраты на управление движением, электронная коммерция
Используя технологии автоматизации от нового поставщика, компания Swisslog создала для распределительных центров гибкую, масштабируемую и адаптируемую систему перевозчиков-шаттлов. Например, недавний проект для крупного розничного продавца в США включал 65 шаттлов, действующих круглосуточно и обрабатывающих 650 000 складских единиц в день. Внедрение системы на базе перевозчиков-шаттлов увеличило пропускную способность компании, значительно уменьшив физические нагрузки на работников склада.
«Внедрение технологии прямой связи с надежной технологией автоматизации действительно важно для наших клиентов, поскольку они больше не могут увеличивать штат своей рабочей силы, например сезонно», — отметил Рентшлер.
Компания Swisslog за счет консолидации управления машиной и обмена данными на одном встраиваемом ПК и использования компактного ввода/вывода EtherCAT также добилась значительной экономии финансовых средств. «Общие затраты на оборудование примерно на 25% ниже при использовании решений нового поставщика по сравнению с тем, что потребовалось бы для выполнения тех же задач с компонентами другого поставщика», — сказал Дуглас.
Система перевозчиков-шаттлов достигла этих возможностей за счет высокоскоростной связи EtherCAT и вычислительной мощности управления с контроллером на базе ПК. Благодаря встроенным ПК и программному обеспечению для автоматизации машины компании Swisslog достигают времени цикла в микросекундах, а не в миллисекундах, которые им требовались в предыдущих решениях. И это действительно важно. Интеллектуальные машины также могут дополнительно собирать необходимые данные, помимо данных о производительности, такие как отклонения температуры на объектах, где обрабатываются скоропортящиеся продукты, и отображать эти сведения с помощью информационных панелей, встроенных в систему управления складом компании.
В то время как традиционное оборудование для укладки на поддоны обычно остается в одном и том же состоянии и на одном месте, без изменений в течение десяти или более лет, новые решения для электронной коммерции для удовлетворения меняющихся требований потребителей или корпораций должны обеспечивать большую гибкость. Внедренная модульная платформа управления компании Swisslog позволяет настраивать полки и перевозчики-шаттлы, лишь слегка модифицируя их или разбирая и перестраивая систему в другой конфигурации на другом складе.
«Благодаря нашей стандартной платформе, основанной на управлении с помощью контроллера на базе ПК, мы могли бы использовать шаттл CycloneCarrier в небольшой системе, ориентированной на конкретное приложение, а затем задействовать ту же машину на гораздо более крупном предприятии, выполняя совершенно другую работу, — подчеркнул Дуглас. — Однако для того чтобы достичь этих результатов, подобная гибкость должна быть изначально заложена в систему автоматизации при ее проектировании».