Eliminer falske alarmer på transportbånd for at øge produktiviteten i fabriksautomation

Hurtiggående transportbånd bruges i vid udstrækning til fabriksautomatisering for at fremskynde produktionen og øge effektiviteten. Men en gang imellem kan det gå galt. Et hyppigt problem er trafikpropper; en genstand sætter sig fast, og så hober andre sig hurtigt op bagved. Det er ikke kun dårligt for gennemstrømningen og skadeligt for transportsystemet, men det kan også være farligt for arbejdere i nærheden.

En laserdetektor er en af løsningerne til at fjerne disse blokeringer. Ved at sende en stråle hen over transportbåndet og registrere refleksionen kan sensoren kontrollere, om der er fastklemte genstande, og stoppe systemet, før der opstår skader. Selvom laserdetektorer er nemme at installere og bruge, er de ikke idiotsikre. Hvis der f.eks. er flere varer i bevægelse, men der ikke er noget mellemrum mellem dem, kan systemet konkludere, at der er en trafikprop og stoppe transportbåndet unødigt.

De seneste produktintroduktioner af lasersensorer reducerer antallet af falske alarmer ved at udnytte mere avanceret optisk teknologi og softwarealgoritmer.

Denne artikel beskriver kort de to typer lyssensorer, der bruges til detektering af traffikprop på transportbånd: LED og lasere. Derefter fokuseres der på TOF-laseren (time-of-flight), og der ses på de nøglefaktorer, der afgør, hvor godt sensoren præsterer. Artiklen introducerer også en ToF-lasersensor fra Banner Engineering fra den virkelige verden og illustrerer, hvordan man indstiller den til en applikation til detektering af trafikprop på transportbånd.

Hvad er en lasersensor?

En lasersensor bruger en kohærent lysstråle til at registrere et objekt og hjælpe med at bestemme dets afstand. Når der ikke er noget objekt, reflekteres lyset fra en fast referenceoverflade. Men hvis et objekt krydser strålen, reflekteres lyset med en anden intensitet og fra en kortere afstand, hvorved sensoren udløses. En LED-sensor kan også registrere tilstedeværelsen af objekter ved hjælp af lys og er ofte billigere, men prisforskellen er blevet mindre i de senere år, og lasersensoren er teknisk overlegen på flere måder.

Sammenlignet med LED-sensorer har lasertypen f.eks. en betydeligt større rækkevidde og højere detektionspræcision. Desuden producerer den stramt kontrollerede laserstråle et lille spot over en lang rækkevidde med god refleksion, selv fra dårligt reflekterende overflader. Sådanne egenskaber gør det muligt for lasersensorer f.eks. at registrere bittesmå objekter, selv helt ned til tynde tråde. En anden fordel er, at en lasersensor kan registrere objekter gennem huller eller smalle åbninger (figur 1).

Figur 1: Lasersensorer giver god refleksion, selv fra produkter med dårligt reflekterende overflader. (Billedkilde: Banner Engineering)

Lasersensorer bruger to teknikker til at bestemme afstanden til det detekterede objekt: triangulering eller stråle ToF. Trianguleringsteknikken bruger vinklen på det reflekterede lys til at bestemme dets afstand fra sensoren. ToF-sensorer måler, som navnet antyder, den tid, det tager for strålen at bevæge sig hen til objektet og tilbage igen. De bruger derefter den kendte lyshastighed ("c") til at beregne afstanden til objektet ved hjælp af den enkle formel: afstand til objektet i meter (m) = ToF i sekunder (s)/2 x c i meter pr. sekund (m/s) (figur 2).

Figur 2: ToF-teknikken måler den tid, det tager for en lyspuls at bevæge sig til objektet og tilbage igen, og anvender derefter en simpel formel til at beregne afstanden til objektet. (Billedkilde: Banner Engineering)

Lasersensorer, der bruger triangulering, er billigere og mere præcise over korte afstande på op til 100 mm. ToF-typerne er bedre til detektering på lang afstand op til 24 m. Applikationer til detektering af transportbåndstop kræver, at lasersensoren fungerer over flere meter, så i resten af denne artikel er det kun den sidste type, der vil blive behandlet.

Udvælgelseskriterier for lasersensorer

Selvom lasersensorer teknisk set er LED-enheder overlegne, er det nødvendigt med en omhyggelig udvælgelse for at sikre, at den bedste sensor vælges til en bestemt applikation.

Vigtige parametre at overveje inkluderer:

• Repeterbarhed (eller reproducerbarhed): Dette refererer til, hvor pålideligt sensoren kan gentage den samme måling under de samme forhold. For eksempel betyder en repeterbarhed på 0,5 mm, at flere målinger af det samme mål alle vil ligge inden for ±0,5 mm.
• Minimum objektadskillelse (MOS): Dette refererer til den mindste afstand, et mål skal være adskilt fra sin baggrund for at blive pålideligt registreret af sensoren. En MOS på 0,5 mm betyder, at sensoren kan registrere et objekt, der er mindst 0,5 mm væk fra baggrunden (figur 3).
• Opløsning: Dette er et mål for den mindste ændring i afstand, som en sensor kan registrere. En opløsning på 0,5 mm betyder, at sensoren kan registrere ændringer ned til 0,5 mm. Denne specifikation er den samme som best-case repeterbarhed, men den udtrykkes som et absolut tal i stedet for en tolerance.
• Nøjagtighed: Dette er forskellen mellem faktiske og målte værdier. Det bruges til at vurdere målepræcisionen af en ukendt afstand uden et referencemål. Denne måling er nyttig, når man sammenligner målinger fra flere sensorer.
• Linearitet: Dette er en alternativ parameter til nøjagtighed, når man ser på relative ændringer i målinger fra et kendt referencemål. Det svarer til at kalibrere 4 og 20 milliampere (mA)-punkterne for en analog sensor, hvor alle afstandsmålinger så er relative til de indlærte forhold.

Figur 3: MOS er den mindste afstand, et mål skal være adskilt fra sin baggrund for at blive pålideligt registreret af sensoren. (Billedkilde: Banner Engineering)

Valg af lasersensor starter med at matche dens kapacitet med applikationens dimensionelle egenskaber. For eksempel om objekter, der skal detekteres, er centimeter væk eller flere meter væk. Men der er yderligere udvælgelseskriterier, der afhænger af farven og refleksionsevnen hos de objekter, der skal detekteres.

Optimering af lasersensoren til udfordrende mål

Almindelige udfordringer for lasersensorer omfatter objekter med stærkt reflekterende overflader og objekter med mørke eller matte overflader. For at håndtere førstnævnte bør ingeniøren vælge en lasersensor med automatisk forstærkningskompensation, således at enheden reducerer sin forstærkning for at sænke laserintensiteten og dermed størrelsen af det reflekterede lys. Forstærkningskompensation hjælper med at bevare nøjagtigheden. Når man leder efter mørke eller dårligt reflekterende objekter, kan retursignalet være meget svagt og svært at opdage. En løsning er at specificere en lasersensor, der automatisk øger sin forstærkning for at forstærke det reflekterede signal, så den pålideligt kan detektere mål, som andre sensorer har svært ved at observere.

Til mange anvendelser er en tæt fokuseret stråleplet ideel. For eksempel fungerer et lille spot bedst i situationer, hvor målet består af flere farver. Et fokuseret spot kan rettes mod kun én farve på et flerfarvet produkt for at opnå en ensartet og pålidelig refleksion (figur 4, øverst). En lille stråleplet er også nyttig til at fokusere på et bestemt punkt på en profileret overflade. Et sådant fokus sikrer igen robust drift (figur 4, nederst).

Figur 4: En tæt fokuseret spot fungerer pålideligt på flerfarvede og profilerede overflader. (Billedkilde: Banner Engineering)

Men at vælge en lasersensor med et fokuseret spot er ikke svaret til alle applikationer. Der er tidspunkter, hvor et større, mere diffust spot er en bedre løsning. For eksempel kan en stor spot, der belyser en ru overflade, give et gennemsnit af det reflekterede lys, hvilket giver større målestabilitet (figur 5).

Figur 5: Et mere diffust spot fungerer bedre på ru overflader, da det har en tendens til at udligne refleksioner fra høje og lave områder. (Billedkilde: Banner Engineering)

Rydning af trafikprop på transportbånd

Hurtigtløbende fabrikstransportører kan være tilbøjelige til at sætte sig fast, især i kurver, hvor varer hurtigt kan hobe sig op ved kurveudgangen. En kurve er også udsat for falske trafikpropper, da den store strøm af pakker ofte giver få huller, hvor konventionelle sensorer kan registrere en trafikprop (figur 6).

Figur 6: Transportbåndskurver er tilbøjelige til at give falske alarmer, da den store strøm af pakker kun giver få huller, hvor konventionelle sensorer kan registrere manglende bevægelse. (Billedkilde: Banner Engineering)

Almindelige løsninger på falske trafikpropper skaber ofte flere problemer, end de løser. Typiske metoder omfatter tilføjelse af forsinkelsestimere for at give falske trafikpropper tid til at blive "ryddet". Sådanne forsinkelser kan fungere, men i tilfælde af en mere alvorlig trafikprop forsinkes reaktionen, og det kan medføre yderligere slitage på udstyret, når flere pakker hober sig op og belaster transportbåndets komponenter. Desuden kan de kræfter, der er involveret i en trafikprop, beskadige de varer, der sidder fast på transportøren. Endelig løses alvorlige kødannelser ofte ved, at arbejderne forsøger at rydde linjen i forsinkelsesperioden med såkaldte trafikpropstænger. Det udgør en risiko, da arbejderne går nær farlige områder, mens store elektriske motorer stadig kører.

Falske trafikpropper er almindelige: Banner Engineering nævner en kunde, der opdagede, at 82 % af trafikpropperne på transportbånd, der blev "opdaget" ved hjælp af konventionelle målemetoder, var falske alarmer. Falske alarmer forårsager ikke kun skader og bringer personalet i fare, men de koster også penge. Disse omkostninger omfatter:

• Tabt produktivitet
• Downstream-processer udsultes for arbejde
• Tabt tid brugt af vedligeholdelsespersonale på at diagnosticere falske problemer
• Slid på transportbåndssystemer på grund af konstant stop og start

Løsningen på denne tekniske udfordring er en lasersensor, der minimerer falske blokeringer, men samtidig reagerer hurtigt på reelle blokeringer. En mulighed er Q5XKLAF10000-Q8 fra Banner Engineerings Q5X-serie af ToF-sensorer (figur 7). Denne sensor fungerer over et område på 50 mm til 10 m, har en repeterbarhed på ±0,5 til 10 mm, en MOS på 1 til 70 mm, en opløsning på 1 til 30 mm, en linearitet på ±5 til 150 mm og en nøjagtighed på ±3 til 150 mm. Denne lasersensor har også automatisk forstærkningskompensation og en responstid, der kan vælges af brugeren, på 3, 5, 15, 25 eller 50 millisekunder (ms).

Andre vigtige egenskaber ved Q5XKLAF10000-Q8, som gør den særligt velegnet til transportopgaver, er bl.a:

• En indbygget algoritme til detektering af trafikpropper, der ikke er afhængig af huller til at registrere pakkeflowet
• Evnen til at registrere forskellige pakketyper, herunder kasser, flasker og polybags
• Et M12-stik i industristandard
• En række forskellige monteringsbeslag

Figur 7: Lasersensoren Q5XKLAF10000-Q8 er en kompakt detektor til registrering af trafikpropper på transportbånd med en indbygget algoritme til registrering af trafikpropper, som ikke er afhængig af mellemrum for at registrere målobjektets flow. (Billedkilde: Banner Engineering)

Opsætning af en optisk lasersensor

I den ovenfor beskrevne anvendelse med transportbåndets kurve skal Q5X-lasersensoren monteres umiddelbart efter kurven for at få den tidligste registrering af trafikprop. Enheden har to udgangsindikatorer, et display og tre knapper. Den skal monteres på et beslag for at sikre den bedste detekteringssikkerhed og MOS-ydeevne. En foreslået retning er vist i figur 8. Lasersensoren tilsluttes derefter som vist i figur 9.

Figur 8: Q5XKLAF10000-Q8-lasersensoren fungerer bedst, når den monteres i en vinkel på 90? til målobjektets flow. (Billedkilde: Banner Engineering)

Figur 9: Den elektriske forbindelse og signalforbindelsen til lasersensoren sker via et standard M12-stik. Dette diagram viser opsætningen af et 0 til 10 volt analogt system. (Billedkilde: Banner Engineering)

Når lasersensoren er orienteret og tændt, skal den introduceres til sin referenceoverflade. Det er den del af transportbåndet eller et andet armatur, der reflekterer lyset, når der ikke er noget objekt, der passerer gennem sensorstrålen. Valget af den optimale referenceoverflade er afgørende for lasersensorens samlede ydeevne. Denne overflade skal have en mat eller diffus overfladefinish, være fri for olie, vand eller støv, have en permanent placering og være fri for vibrationer. Overfladen skal også være mellem 200 mm og det maksimale måleområde. Genstande, der skal detekteres, skal passere så tæt som muligt på sensoren og så langt som muligt fra referenceoverfladen.

Q5X-lasersensoren programmeres ved hjælp af knapperne og displayet. Programmering opnås ved at åbne menuer og indtaste værdier for funktionsparametre. For eksempel er en nøgleparameter "dual mode"; denne tilstand registrerer afstanden og mængden af lys, der modtages fra referenceoverfladen. Sensoren registrerer derefter et objekt, der passerer mellem sensoren og referenceoverfladen, når den opfattede afstand eller mængden af returneret lys ændres.

En anden vigtig parameter, der kræver programmering, er "trafikprop retroreflektiv". Dette er en udvidelse af dual mode, der optimerer detektering af støj, når der er en baggrund til stede. Der indstilles en uafhængig værdi for trafikpropområdet, som definerer den mindste objektbevægelse, der kræves for at kvalificere som "ikke længere trafikprop", hvilket i kombination med en automatisk bestemt intensitetstærskel bestemmer, at et objekt er i bevægelse. Der er en lignende "teach"-tilstand til at optimere detektering af trafikpropper, når der ikke er nogen baggrund til stede.

Konklusion

Det er vigtigt at holde fabrikkens automatiserede transportbånd kørende for at opretholde produktiviteten og sikre medarbejdernes sikkerhed. Men selv på de bedste produktionslinjer, kan der forekomme trafikpropper. Men de konventionelle metoder, der bruges til at opdage disse trafikpropper, udløser ofte falske alarmer. Som vist har den nyeste generation af lasersensorer fra virksomheder som Banner Engineering avancerede funktioner, der minimerer falsk detektion, og de er relativt nemme at installere og programmere til optimal ydeevne.