Die Vereinzelungs- und Sortierlösungen von NPI, die Steuerungen und EtherCAT von Beckhoff nutzen, halfen einem kalifornischen Distributionszentrum, den Bedarf an schwer zu findenden Arbeitskräften zu reduzieren und gleichzeitig den Durchsatz zu erhöhen und die Turnaround-Zeiten zu verkürzen.
Wenn Sie in der Intralogistikbranche tätig sind, wissen Sie, dass das Geschäft weiter boomt. Doch sowohl für große Post- und Paketdienstleister als auch für Einzelhändler im E-Commerce und Unternehmen in der Drittanbieter-Logistik (3PL) müssen Investitionen nach wie vor wirtschaftlich sinnvoll sein. NPI ist sich dessen bewusst und konzentriert sich bei der Entwicklung von Paketsortierlösungen darauf, dass sie den Kunden die erwartete Rendite bieten. Der lineare Schuhsortierer GenIII Xstream und der Stand-alone-Singulator sind nur zwei Beispiele dafür.
„Unsere Kunden verarbeiten in der Regel mindestens 40.000 Pakete pro Tag. Daher müssen sie die verfügbare Betriebszeit und den Durchsatz maximieren, die Kosten senken und Personalengpässe ausgleichen. Wir behalten ihre Ziele immer im Auge und können damit die Zeit, bis sich die Investition bezahlt macht, so weit wie möglich verkürzen“, sagt CTO Joshua Owens. „Um dies zu erreichen, setzen wir etwa 60 % unserer internen technischen Anstrengungen für Forschung und Entwicklung ein und erweitern ständig unsere technischen Ressourcen im Zuge der Weiterentwicklung unserer Produkte.“
NPI wurde 1977 von Henry Daboub gegründet und brachte im folgenden Jahr die erste vollautomatische Postsortiermaschine auf den Markt. Der Schwerpunkt des in Fort Worth, Texas, ansässigen Unternehmens lag zunächst auf Sortiersystemen für Briefe und flache Sendungen, bis es 2007 eine E-Commerce-Anlage zur Verarbeitung von Polypacks für den Versand von Arzneimitteln in Betrieb nahm. Owens und COO Brent Daboub stellten fest, dass die biegeschlaffen Pakete für Standardmaschinen schwer zu handhaben waren, und entwickelten daher das System Xstream.
Das Team hat kürzlich den NPI Singulator vorgestellt, der mit zwei Bedienern bis zu 7.500 Pakete pro Stunde verarbeiten kann. Der Singulator bietet eine modulare, kosteneffiziente Einschleusung für einen Xstream oder Anlagen anderer Intralogistik-OEMs. „Im Vergleich zu den großen, komplexen und teuren automatisierten Einschleusungssystemen auf dem Markt ist unser Singulator branchenweit führend in Bezug auf geringeren Platzbedarf, Kosten und Arbeitsaufwand“, erklärt Brent Daboub.
Um den aktuellen Anforderungen gerecht zu werden und Innovationen für die Zukunft zu gewährleisten, erweiterte NPI seine etwa 9.300 Quadratmeter große Anlage um zusätzlich fast 1.700 Quadratmeter Lagerfläche und 2.325 Quadratmeter Produktionsfläche. Auch die Standardisierung auf New Automation Technology von Beckhoff – von EtherCAT-Vernetzung über skalierbare Steuerungen bis hin zum neuen alternativen Betriebssystem TwinCAT/BSD – hat sich als äußerst wertvoll für die Zukunft des Unternehmens erwiesen.
Überwindung der Durchsatzbegrenzungen der alten Steuerung
Während sich die Lösungen von NPI ständig weiterentwickeln, um den heutigen Anforderungen gerecht zu werden, war die alte Netzwerk- und Steuerungstechnik unverändert geblieben. Sortiersysteme sind von Natur aus umfangreich und voller Knoten, was die Leistungseinschränkungen bei Switch-basierten Protokollen noch verschärft. Außerdem wünschte das Unternehmen, dass seine Maschinen modular und leicht erweiterbar sein sollten. Diskrete I/O-Module und Ethernet, die NPI zuvor verwendet hatte, führten zu unnötiger Komplexität, Kosten und Installationsaufwand.
Die Systeme Xstream GenI und GenII verwendeten einen ARM-basierten Mikrocontroller mit einer von NPI selbst entwickelten Platine. Der Mikrocontroller bot jedoch nicht die für Kundenanforderungen erforderliche Flexibilität. Im Vorfeld des Redesigns von Xstream GenIII begannen die Ingenieure 2017 mit der Evaluierung von Anbietern skalierbarer, handelsüblicher Plattformen. NPI entschied sich für Beckhoff und arbeitete von da an mit dem in Dallas ansässigen Team des Herstellers zusammen, zu dem auch der Vertriebsingenieur Jeff Kuzniar und der Applikationsingenieur Isaac Spear gehörten.
„Standardisierte Hardware bot uns den nötigen Freiraum für weiteres Wachstum, ohne dass wir Platinen neu entwickeln, neue Prozessoren finden oder Speicher erweitern mussten“, sagt Owens. „Ich war auf der Suche nach einem Unternehmen, das sich weiterentwickelt und nicht nur das baut, was es schon immer gemacht hat. Nach dem Vergleich von Systemverfügbarkeit, Skalierbarkeit und I/O-Fähigkeiten mit EtherCAT fiel die Entscheidung für Beckhoff leicht.“
Extreme Leistung der Steuerung bringt gewaltigen Schub für das Xstream-System
Im Beckhoff Portfolio fand NPI leistungsstarke und inhärent skalierbare Optionen für Industriesteuerungen. Für Stand-alone-Einheiten des Singulator, die zusammen mit anderen Sortiersystemen eingesetzt werden, verwendet NPI einen Ultra-Kompakt-Industrie-PC (IPC) C6017 von Beckhoff. Bei kombinierten Konfigurationen von Singulator und Xstream dient ein auf einer DIN-Schiene montierter Embedded-PC der Serie CX2030 – auch als „SPS“ bezeichnet – als Hauptsteuerung für die meisten Anwendungen. NPI hat kürzlich auf den CX2043 umgestellt, der mit einem Quad-Core AMD Ryzen™-Prozessor mit einer Taktfrequenz von 3,35 GHz ausgestattet ist, um mehr Rechenleistung für künftige Erweiterungsmöglichkeiten zu gewinnen.
Neue Maschinen von NPI arbeiten mit TwinCAT/BSD statt mit Windows 10 IoT. Diese Windows-Alternative kombiniert die jahrzehntelange eigene Steuerungsentwicklung von Beckhoff, skalierbare Hardware und Echtzeitfähigkeit mit der erhöhten Sicherheit und Performance eines modernen UNIX-basierten Betriebssystems. Die heutigen SPS arbeiten alle mit einem Echtzeitbetriebssystem (RTOS) und nicht mehr mit proprietärer Firmware, wie dies früher üblich war. Beckhoff Steuerungen mit TwinCAT/BSD erweitern diese Architektur jedoch durch einen Realtime-Kernel, einen größeren Arbeitsspeicher und Optionen für Terabyte-Wechseldatenträger sowie erweiterte Funktionen, wie z. B. die Verteilung von Aufgaben auf mehrere Kerne und die Ausführung von Drittanbieter-Software neben der SPS. Ingenieure können auch aus einer breiten Palette von Intel- oder AMD-Prozessoren wählen, von Single- und Multicore-Mikroprozessoren bis hin zu sehr leistungsstarken Multicore-Prozessoren. Der TwinCAT/BSD Hypervisor ermöglicht die gleichzeitige Ausführung von virtuellen Maschinen mit Windows- oder Linux-Distributionen.
Abgesehen von den Leistungssteigerungen wird dank der geringeren Image-Größe von TwinCAT/BSD auch weniger Compact Flash benötigt, was die Kosten senkt und es NPI ermöglicht, das Image 70 % schneller bereitzustellen. Aber das waren nicht die entscheidenden Argumente für NPI. „Wir sind immer auf der Suche nach dem robustesten und sichersten Automatisierungssystem für unsere Kunden. Die Umstellung auf TwinCAT/BSD macht unsere Systeme noch robuster“, sagt Owens. „Am wichtigsten ist, dass die auf FreeBSD basierende Plattform PC-based Control zu einer praktikablen Option für unsere im Hinblick auf das Betriebssystem empfindlichen Kunden macht, da die Bindung an Windows wegfällt. Für mich funktionierten die Beckhoff IPCs schon unter Windows wie leistungsfähigere SPS-Lösungen.“
TwinCAT und EtherCAT übertreffen Anforderungen
NPI schätzt die Leistungsfähigkeit der Automatisierungssoftware TwinCAT 3 und des Industrial-Ethernet-Systems EtherCAT. TwinCAT ist eine durchgängige Engineering- und Laufzeitumgebung für alles, von der SPS über Motion Control bis hin zum IoT. Sie ermöglicht es Ingenieuren, in den Sprachen zu programmieren, die sie am besten kennen oder die am besten zur Anwendung passen – von der offenen, international genormten IEC 61131-3 und ihren objektorientierten Erweiterungen bis hin zu Funktionsbausteinen und Informatikstandards. Die Migration vom C++-Code „Marke Eigenbau“ auf den alten Mikrocontrollern von NPI zur Plattform von Beckhoff war laut Owens ein bahnbrechender Fortschritt: „Die auf Visual Studio basierende integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) hat uns wirklich geholfen, unseren Weg weiterzugehen.“
Mit dem ADS-Protokoll beschleunigt TwinCAT die Inbetriebnahme durch automatisches Einlesen von Geräten in einem EtherCAT-Netzwerk. NPI verwendet eine ganze Reihe verschiedener EtherCAT-I/O-Klemmen und Box-Module. Die abgesetzten I/O-Lösungen in Schutzart IP67 mit M8- und M12-Verbindern werden direkt an den Singulator und an jedes 11-Fuß-Mittelmodul des Xstream angebaut. Das offene Protokoll hat es auch einfacher gemacht, Geräte von Drittanbietern zu nutzen, da die EtherCAT Technology Group die Interoperabilität der Geräte sicherstellt. Allein schon das Funktionsprinzip von EtherCAT hat Owens und Daboub beeindruckt. EtherCAT unterstützt Echtzeitkommunikation, bis zu 65.535 Knoten in einem Netzwerk und freie Wahl der Topologie – Linie, Stern, Baum, gemischt usw. – ohne dass sich das auf die Leistung auswirkt.
„Wir waren auf der Suche nach einer Lösung, bei der die Leistungseinbußen, die bei I/O-intensiven Systemen häufig auftreten, kein Thema sind. Bei EtherNet/IP und anderen Plattformen beispielsweise lässt die Leistung nach, je mehr Knoten zugeschaltet werden, was zu einem höheren Bedarf an Netzwerken, Hardware und technischem Aufwand führt“, sagt Owens. „EtherCAT ist ein schnelles, deterministisches Kommunikationsprotokoll. Die konsequent redundante EtherCAT-Verkabelung in unseren Systemen und die schnell verfügbare Diagnose waren weitere wichtige Vorteile.“
Doug Schuchart, Global Material Handling and Intralogistics Manager bei Beckhoff, ergänzt: „Die niedrigeren Kosten und die geringere Komplexität sind nur ein Teil des Nutzens, den unsere Kunden aus der vereinfachten Architektur durch EtherCAT ziehen. Die reduzierte Architektur bietet zudem erhebliche Vorteile bei Diagnose und Systemlebenszyklus sowie eine vereinfachte Digitalisierung für Initiativen wie IIoT und Industrie 4.0.“
Durchsatz bei 3PL-Anbieter steigt sprunghaft an
Die Leistungsfähigkeit der Systeme Singulator und GenIII Xstream zeigt sich ganz deutlich in einer 3PL-Anlage im Großraum Los Angeles, so Shane Potter, vor Ort zuständiger Sales Support Manager von NPI. An zwei Einschleusungspunkten transportieren Arbeiter sogenannte „Gaylords“ (d. h. große Kartonbehälter mit unsortierten Paketen) mit Hubwagen in Aufzüge. Jeder Aufzug kippt die Pakete in den Stauförderer des Singulators. Sensoren begrenzen den Fluss der Pakete zu Bedienern, die sie auf den Hauptförderer legen. Die dynamischen Hochgeschwindigkeitstaktbänder („Gapper“) von NPI werden von Servomotoren angetrieben, die über EtherCAT angesteuert werden, was eine präzise Vereinzelung der Pakete ermöglicht, wie sie von der Downstream-Peripherie benötigt wird. Die Tracking-Informationen werden über EtherCAT an die Beckhoff Steuerung und anschließend über TCP/IP an die Software des Lagersteuerungssystems (Warehouse Control System, WCS) von NPI übermittelt, um den Sortierpunkt zu bestimmen.
„Wenn die Pakete den richtigen Ausgang erreichen, leitet die patentierte, über einen Schrittmotor gesteuerte Ausschleusung von NPI die entsprechende Anzahl von Schuhen auf die Ausschleusungsschiene. Die Pakete werden in Säcke oder Großbehälter gelenkt, die dann zu den Postämtern überall in den USA ausgeliefert werden“, erklärt Potter. „Da unser Technik-Team für den Lamellenförderer Urethan-beschichtete Lager mit großem Durchmesser an den Lamellenenden und ein patentiertes System zum unabhängigen Spannen der Ketten einsetzte, konnte es den Betrieb der Xstream-Anlage besonders sicher, reibungslos und leise machen.“
Durch die Implementierung der Lösungen von NPI konnte der 3PL-Anbieter seinen Durchsatz mehr als verdoppeln. Das Unternehmen bietet jetzt eine taggleiche Abfertigung an, d. h., die Pakete werden innerhalb von 24 Stunden nach ihrem Eintreffen am Dock versendet. Gleichzeitig konnte der hohe Personalbedarf reduziert werden, was in Spitzenzeiten, insbesondere bei anhaltendem Arbeitskräftemangel, von entscheidender Bedeutung ist. Vor der Modernisierung der Technik musste dieser Standort an sechs Tagen pro Woche im Dreischichtbetrieb laufen, um die Arbeit bewältigen zu können. Jetzt können mit einer einzigen Schicht an fünf Tagen in der Woche mehr Produkte und Pakete umgeschlagen werden, als das Unternehmen früher je für möglich gehalten hätte.
Ein Erfolg für Xstream
Obwohl diese Ergebnisse beeindruckend sind, hat NPI noch größere Anlagen realisiert und plant, die Entwicklung automatisierter Lösungen weiter voranzutreiben. Zunächst bringt NPI eine 22-Zoll-Doppelrutsche auf den Markt, bei der Pakete mithilfe eines pneumatischen Aktors ausgeschleust werden. Dies ermöglicht eine höhere Granularität beim Sortieren und damit eine doppelt so hohe Anzahl an Säcken. Das Unternehmen entwickelte ein AWS-Dashboard, um WCS-Daten zu visualisieren und dem Management die Möglichkeit zu geben, die Leistung an den Standorten, gestützt auf eine robuste Analytik, zu vergleichen. Owens und Daboub arbeiten auch an maßgeschneiderten Robotern, die an den Bedienstationen des Singulator eingesetzt werden können. Diese Roboter ergänzen die Arbeitskräfte in Spitzenzeiten oder über Nacht und sorgen so für eine 24/7-Produktivität. Owens sieht in der Erweiterung der Automatisierungskapazitäten mit Technologien von Beckhoff als ihre solide Basis den Schlüssel zur Verkürzung der Zeit, bis sich eine Investition für den Kunden bezahlt macht.
In den größten Xstream-Anwendungen ermöglichte EtherCAT ohne Leistungsprobleme Systeme mit bis zu 481 Knoten in einem Netzwerk. Die EtherCAT-Box-Module stellen sicher, dass mittelgroße Sortiermodule erweitert werden können. Das ist sehr beruhigend für NPI und seine Kunden, denn sie können die Systeme so skalieren, dass sie den künftigen Anforderung gerecht werden. Darüber hinaus haben die I/O-Module in Schutzart IP67 zu beeindruckenden Einsparungen geführt, u. a. zu einer Verringerung der Verkabelung um 50 %. Dieser Ansatz spart 4.700 US-Dollar pro Xstream-System für den gesamten Verkabelungsaufwand, erklärt Owens: „Das bedeutet für unsere Technikern fünf Tage weniger vor Ort, was eine enorme Ersparnis ist.“
Der Embedded-PC CX2030 bietet 600 % mehr CPU-Leistung und 800 % mehr RAM im Vergleich zum Mikrocontroller von NPI. Die Tests des Unternehmens haben ergeben, dass der CX2043 diese Werte um weitere 22 % steigert. Die Nutzung der Standard-Hardware von Beckhoff hilft NPI, aus dem ständigen Kreislauf der Neuentwicklung des Mikrocontrollers herauszukommen, wie Kuzniar hervorhebt: „Die Erfahrung von NPI ist ein gutes Beispiel dafür, wie wir unsere Kunden vor der Veraltung von Steuerungssystemen schützen. Als unser IPC der nächsten Generation auf den Markt kam, konnten sie dasselbe TwinCAT-SPS-Projekt verwenden, ganz ohne I/Os auszutauschen, und das wird auch weiterhin der Fall sein, wenn wir eine noch leistungsfähigere Hardware herausbringen.“
Die Abkehr vom Mikrocontroller bedeutete für NPI, dass die Entwicklung eines Jahrzehnts innerhalb weniger Monate angepasst werden musste. In diesem Prozess war neben dem kostenlosen technischen Support per Telefon für die Standard-Fehlerbehebung vor allem die Unterstützung durch das Beckhoff Team vor Ort entscheidend, so Owens. „Als wir mit der Evaluierung von Steuerungsanbietern begannen, waren wir kein typisches SPS-Unternehmen, daher war die starke Supportstruktur bei Beckhoff der Schlüssel zu unserem Erfolg“, sagt er. „Für die Weiterentwicklung unserer Produkte kann ich mir nicht vorstellen, dass NPI nicht mit Beckhoff zusammenarbeiten wird. Neben dem großartigen Support bietet ihre Steuerungsplattform uns den nötigen Freiraum, damit wir weiterhin schnell wachsen können.“