FireFly 公司運用 NI LabVIEW 軟體與 CompactRIO 硬體研發的智慧型草皮採收機可幫助農民提升產能、降低成本

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"藉由整合最新技術,加上運用 LabVIEW RIO 架構的強大能力,FireFly 公司成功研發出名為 ProSlab 155 的「智慧型」草皮採收機。它的採收速度比市面上的其他草皮採收機高出 20%,柴油消耗量則只有其他採收機的一半。"

- Steve Aposhian, FireFly Equipment

The Challenge:
這款高效能的自動化草皮採收機能在各種耕作條件下,以超高效率可靠地堆垛草皮,因此有助於提高農場生產力,並降低機器的操作成本。它甚至還提供安全的網際網路閘道,能讓農民從遠端監控其運作狀況。

The Solution:
使用 LabVIEW 軟體與 CompactRIO 硬體開發的 ProSlab 155 是一款智慧型的草皮採收機,採收速度比市面上的其他草皮採收機高出 20%,柴油消耗量則只有其他採收機的一半。

Author(s):
Steve Aposhian - FireFly Equipment

FireFly Equipment 是一家智慧型高效能自動化草皮採收機的製造商。該公司開發了一款劃時代的新型草皮採收機:ProSlab 155。這部草皮採收機以 LabVIEW RIO 架構為基礎,完美整合了最先進的機械、電力及軟體系統。 NI 平台幫助本公司的機電整合專家迅速順暢地將設計流程與機器自動化程式設計流程整合為一,讓他們能在最短的時間內建構一部全新智慧型機台的原型,同時大幅縮短了產品上市時間。

傳統方法

以手工堆垛方式採收草皮,目前仍是業界廣泛採用的方法。 過去幾年來,有些農業設備公司為了提高生產力,而嘗試建構可自動切割並堆垛草皮板塊的機器。但由於這些機器仍採用傳統方式,因此不是效能參差不齊,就是生產力僅略高於傳統的人工堆垛流程。 這些機器採用電力操作閥門等常見的機動設備,將流體動力傳送至液壓汽缸與馬達,以便進行運動控制。 這些元件對較簡易的系統來說還算可靠,但當它們需要執行與其他流程高度同步化的眾多平行作業,或是執行需要複雜的計算作業,以因應進階訊號處理及高速運動控制軌跡產生的需求時,成效卻差強人意。 此外,有限的資料處理能力與封閉式的系統架構,也限制了進階功能及遠端監控/診斷的可能性。

FireFly 採用的全新方法

有鑒於上述 缺點,本公司開始致力於打造一部更聰明的機器,使其能夠管理並同步執行多道平行程序,以實現草皮切割及堆垛的自動化作業。 首先,切割機會將草皮從地面鏟起,並切割成板塊,再經由輸送帶傳輸至機器後方。 接著,附加於起重機上的堆垛機會將切割好的草皮板塊從輸送帶移至棧板上。 將各個草皮板塊堆放於棧板上之後,一組棧板叉就會開始向下擠壓棧板上的草皮。 堆垛至所需高度之後,載滿平整草皮的棧板就會被放置在地面上,而棧板分配機則會在棧板升降機上補上一塊新的空棧板,讓切割及堆垛程序可以亳不中斷地繼續進行。 整套自動化系統會藉助一部自走式牽引機,在田野間四處遊走。 上述系統必須持續同步運作,這部機器才能可靠又有效率地執行草皮的採收及堆垛作業。 這部機器總計包含近 80 個類比及數位感測器,以及 100 個數位輸出。

我們將伺服電子系統與協同多軸軌跡產生器予以整合,以提供執行複雜堆垛程序所需的速度、效率、精確性及順暢的運動控制能力。 這部機器可連續堆垛草皮板塊,且一年的工作週期可達數百萬次;因此不論是速度或可靠性,皆為傳統機器所望塵莫及。 我們選擇使用傳統的流體動力系統來執行這部採收機較不複雜的作業,包括操作切割機、升降機、棧板分配機及推進系統。 為了方便後續開發,我們需要一套高度靈活且功能強大的開放式平台,以利於後續機種的設計及原型製作,並讓它們得以在全球各地順利上市。

LabVIEW RIO 架構

我們使用 LabVIEW CompactRIO 平台,將傳統的流體動力系統及伺服電子系統整合於單一機器上,因而得以執行各種複雜的平行作業。 拜 CompactRIO 的模組化 I/O 之賜,使用者得以靈活操作各種類型的感測器,並存取工業級的連結功能。 CompactRIO 的即時控制器及可重設 FPGA 機箱提供了一個客制化平台,可用來實作高度同步化的複雜控制系統。 LabVIEW 原本就能在 FPGA 與即時控制器上實作許多平行迴路,加上它擁有一組豐富的複雜數學函式,並能與 LabVIEW SoftMotion Module 以及 Kollmorgen AKD 的驅動器與馬達整合,因而成為一套可針對智慧型機台進行全方位控制的強大軟體。 此外,LabVIEW 的開放靈活特性則有助於實作本端作業介面的可靠通訊架構,並有利於進行集中式的資源管理、診斷及遠端更新。 當這款機器佈署於全球各地並需要維護時,這些功能將缺一不可。

圖 1. 4 名機械工程師藉助靈活好用的 LabVIEW,在短短 6 個月內設計出 FireFly 智慧型機台。

圖 2. CompactRIO 可控制這部機器的各個項目,包括 40 個液壓閥、5 軸的高效能運動控制、超過 150 個類比與數位 I/O 通道、操作員介面,以及超過 30 個平行控制迴路,因而免除了在複雜機器設計中佈署個別子系統的需求。

解決方案的好處

藉由整合最新技術,加上運用 LabVIEW RIO 架構的強大能力,我們成功研發出名為 ProSlab 155 的「智慧型」草皮採收機。它的採收速度比市面上的其他草皮採收機高出 20%,柴油消耗量則只有其他採收機的一半。 這些優勢幫助商業化農民創造了更高的收益,並省下極為可觀的成本。 自 2014 年上市之後,ProSlab 155 在巿場上獲得了極大的迴響。我們目前正在擴增 ProSlab 155 的製造設施,以因應與日俱增的市場需求,並持續增加研發投資金額,以整合工業物聯網技術。 隨著工業物聯網持續演進,FireFly 已準備好整合 LabVIEW RIO 架構,並為我們的客戶創造更多附加價值。

圖 3. FireFly 公司已成功自動化了以往必須靠人力完成的草皮堆垛流程,進而提高了此流程的生產力及可靠性。

圖 4. FireFly 智慧型機台的自動化流程涉及多道平行程序的管理與同步執行,包括將草皮從地面鏟起、切割成板塊,再經由輸送帶傳輸至機器後方,並整齊地堆放於棧板上,最後再將載滿平整草皮板塊的棧板放置在地面上。

Author Information:
Steve Aposhian
FireFly Equipment

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