Eliminer falske alarmer for transportbåndfastkjøring for å øke fabrikkautomasjonens produktivitet

Raske transportbånd brukes ofte innen fabrikkautomasjon for å akselerere produksjonen og øke effektiviteten. Av og til kan imidlertid ting gå galt. Et vanlig problem er fastkjøring, der en gjenstand blir sittende fast og andre gjenstander deretter hoper seg opp bak. Dette er ikke bare uheldig for gjennomstrømning og skade på transportbåndsystemet, men det kan også være farlig for arbeidere i nærheten.

En laserdetektor er én løsning som kan eliminere disse fastkjøringene. Ved å skinne en stråle over transportbåndet og detektere refleksjonen, kan sensoren sjekke om det sitter fast gjenstander og deretter stanse systemet før det oppstår skade. Selv om laserdetektorer er enkle å installere og bruke, er de ikke idiotsikre. For eksempel, hvis flere gjenstander er i bevegelse, men det ikke er noen avstand mellom dem, kan systemet konkludere med at det er en fastkjøring og unødvendig stanse transportbåndet.

Nye produktintroduksjoner med lasersensorer reduserer antallet falske alarmer ved å utnytte mer avansert optisk teknologi og programvarealgoritmer.

Denne artikkelen beskriver kort de to typene lyssensorer som brukes til deteksjon av fastkjøring: lysdioder og lasere. Deretter fokuserer den på ToF-laseren (ToF – Time-of-Flight – flyvetid) og ser på de viktigste faktorene som avgjør hvor godt sensoren fungerer. Artikkelen introduserer også en ekte ToF-lasersensor fra Banner Engineering, og illustrerer hvordan en konstruksjon for deteksjon av fastkjørt transportbånd kan konfigureres.

Hva er en lasersensor?

En lasersensor bruker en koherent lysstråle til å detektere en gjenstand og bidra til å fastsette avstanden. I fravær av en gjenstand, reflekteres lys fra en fast referanseoverflate. Hvis en gjenstand imidlertid krysser strålen, reflekteres lyset med en annen intensitet og fra en kortere avstand, og dermed utløses sensoren. En lysdiodesensor kan også detektere tilstedeværelsen av objekter ved hjelp av lys, og de har en tendens til å være rimeligere, men kostnadsforskjellen har blitt redusert de siste årene, og lasersensoren er teknisk sett overlegen på flere måter.

For eksempel, sammenlignet med lysdiodesensorer, tilbyr lasertypen et mye større sensorområde og høyere deteksjonspresisjon. Dessuten produserer den tett kontrollerte laserstrålen en liten prikk over et langt område med god refleksjon, selv fra svakt reflekterende overflater. Slike egenskaper gjør det mulig for lasersensorer å for eksempel detektere små gjenstander, selv tynne tråder. En annen fordel er at lasersensorer kan detektere gjenstander gjennom hull eller smale åpninger (figur 1).

Figur 1: Lasersensorer gir god refleksjon, selv fra produkter med svakt reflekterende overflater. (Bildekilde: Banner Engineering)

Lasersensorer bruker to teknikker for å fastsette avstanden til det detekterte objektet: triangulering eller stråle-ToF. Trianguleringsteknikken bruker vinkelen til det reflekterte lyset til å fastsette avstanden fra sensoren. ToF-sensorer, også kalt flyvetidsensorer, som navnet antyder, måler tiden det tar for strålen å bevege seg til objektet og tilbake. De bruker deretter den kjente lyshastigheten («c») til å beregne avstanden til objektet ved å bruke denne enkle formelen: Avstand til objektet i meter (m) = ToF i sekunder (s)/2 x c i meter per sekund (m/s) (figur 2).

Figur 2: ToF-teknikken måler tiden det tar for en lyspuls å bevege seg til objektet og tilbake, og bruker deretter en enkel formel til å beregne avstanden til objektet. (Bildekilde: Banner Engineering)

Lasersensorer som bruker triangulering er billigere og mer presise over korte avstander på opptil 100 mm. ToF-typene er bedre egnet for deteksjon over lange avstander på opptil 24 m. Deteksjon av et fastkjørt transportbånd krever at lasersensoren fungerer over flere meter, så i resten av denne artikkelen er det bare sistnevnte type som vil bli vurdert.

Valgkriterier for lasersensorer

Selv om lasersensorer er teknisk overlegne sammenlignet med lysdiode-enheter, krever de nøye vurdering av de ulike alternativene for å sikre at den beste sensoren velges for en bestemt konstruksjon.

Viktige parametere å ta i betraktning, omfatter:

• Repeterbarhet (eller reproduserbarhet): Dette refererer til hvor pålitelig sensoren kan gjenta den samme målingen under de samme forholdene. For eksempel betyr en repeterbarhet på 0,5 mm at flere målinger av samme mål vil ligge innenfor ±0,5 mm.
• Minimum objektseparasjon (MOS): Dette refererer til minimumsavstanden som et mål må være atskilt fra sin bakgrunn for å bli pålitelig detektert av sensoren. En MOS på 0,5 mm betyr at sensoren kan detektere et objekt som er minst 0,5 mm unna bakgrunnen (figur 3).
• Oppløsning: Dette er et mål på den minste endringen i avstand en sensor kan detektere. En oppløsning på 0,5 mm betyr at sensoren kan detektere endringer ned til 0,5 mm. Denne spesifikasjonen er den samme som den beste repeterbarheten, men den uttrykkes som et absolutt tall i stedet for en toleranse.
• Nøyaktighet: Dette er forskjellen mellom faktiske og målte verdier. Den brukes til å vurdere målenøyaktigheten for en ukjent avstand uten noe referansemål. Denne målingen er nyttig når målinger fra flere sensorer sammenlignes.
• Linearitet: Dette er en alternativ parameter til nøyaktighet når man ser på relative endringer i målinger fra et kjent referansemål. Den ligner på kalibreringen av de 4 og 20 milliampere (mA) for en analog sensor, der alle avstandsmålingene deretter er relative til de innlærte forholdene.

Figur 3: MOS er minimumsavstanden et mål må være atskilt fra bakgrunnen for å bli pålitelig detektert av sensoren. (Bildekilde: Banner Engineering)

Valget av lasersensor starter med å samsvare mulighetene med de dimensjonale egenskapene til konstruksjonen. For eksempel, om objekter som skal detekteres er centimeter unna eller flere meter unna. Det er imidlertid flere valgkriterier, avhengig av fargen og reflektiviteten til objektene som skal detekteres.

Optimalisering av lasersensoren for utfordrende mål

Vanlige utfordringer for lasersensorer omfatter gjenstander med sterkt reflekterende overflater og gjenstander med mørke eller matte overflater. For å takle den første utfordringen, bør teknikeren velge en lasersensor med automatisk forsterkningskompensasjon slik at enheten reduserer forsterkningen til lavere laserintensitet, og dermed størrelsen på det reflekterte lyset. Forsterkningskompensasjon bidrar til å opprettholde nøyaktighet. Når mørke eller svakt reflekterende gjenstander skal oppdages, kan retursignalet være svært svakt og vanskelig å detektere. En løsning er å spesifisere en lasersensor som automatisk øker forsterkningsfaktoren for å forsterke det reflekterte signalet, for å pålitelig detektere mål som andre sensorer kan ha problemer med å observere.

For mange konstruksjoner er et tett fokusert strålepunkt ideelt. For eksempel fungerer et liten punkt best i situasjoner der målet består av flere farger. Et fokusert punkt kan målrettes mot bare én farge på et flerfarget produkt, noe som gir en konsekvent og pålitelig refleksjon (figur 4, øverst). Et lite strålepunkt er også nyttig når det gjelder å fokusere på et bestemt punkt på en profilert overflate. Igjen, en slik fokusering vil sikre robust drift (figur 4, nederst).

Figur 4: Et tett fokusert punkt fungerer pålitelig på flerfargede og profilerte overflater. (Bildekilde: Banner Engineering)

Det å velge en lasersensor med et fokusert punkt, er imidlertid ikke løsningen for alle konstruksjoner. Noen ganger vil et større, mer spredt punkt være et bedre alternativ. For eksempel kan et stort punkt som belyser en ujevn overflate muliggjøre gjennomsnittsberegning av det reflekterte lyset, noe som gir bedre målestabilitet (figur 5).

Figur 5: Et mer spredt punkt fungerer bedre på ujevne overflater, siden det har en tendens til å finne gjennomsnittet av refleksjonene fra høye og lave områder. (Bildekilde: Banner Engineering)

Nullstilling av transportbåndfastkjøring

Hurtige transportbånd i fabrikker kan være utsatt for fastkjøring, spesielt i kurver, der varer raskt kan hope seg opp ved kurvens utgang. En kurve er også utsatt for falske fastkjøringer, siden hoveddelen av pakkeflyten ofte har for små avstander til at konvensjonelle sensorer kan detektere en fastkjøring (figur 6).

Figur 6: Transportbåndkurver er utsatt for falske fastkjøringsalarmer, siden hoveddelen av pakkeflyten ofte har for små mellomrom til at konvensjonelle sensorer kan detektere mangel på bevegelse. (Bildekilde: Banner Engineering)

Vanlige løsninger for falske fastkjøringer forårsaker ofte flere problemer enn de løser. Typiske metoder omfatter å legge til forsinkelsestimere for å gi falske fastkjøringer tid til å løses. Selv om slike forsinkelser kan fungere, kan denne responsen, i tilfelle en mer alvorlig fastkjøring skulle oppstå, bli forsinket og føre til overdreven slitasje på utstyret etter hvert som flere pakker hoper seg opp og fører til økt stress på komponentene i transportbåndet. Dessuten kan kreftene som er involvert i en fastkjøring skade varene som sitter fast på transportbåndet. Til slutt blir alvorlige fastkjøringer ofte håndtert av arbeidere som forsøker å rydde linjen under forsinkelsesperioden med såkalte fastkjøringspinner. Dette utgjør en risiko ettersom arbeidere har tilgang til farlige områder mens store elektriske motorer fortsatt er i gang.

Falske fastkjøringer er vanlige: Banner Engineering hadde en kunde som oppdaget at 82 % av fastkjørte transportbånd som ble «detektert» ved bruk av konvensjonelle sensormetoder, var falske alarmer. Falske alarmer forårsaker ikke bare skade og setter ansatte i fare, de koster også penger. Disse kostnadene omfatter:

• Lavere produktivitet
• Mindre arbeid for prosesser lengre ned i prosessen
• Tapt tid fordi vedlikeholdspersonell må diagnostiserer falske problemer
• Slitasje på transportbåndsystemer på grunn av konstant start-og-stopp-drift

Løsningen på denne tekniske utfordringen er en lasersensor som minimerer deteksjon av falsk fastkjøring, men som likevel reagerer raskt på reelle blokkeringer. Ett alternativ er Q5XKLAF10000-Q8 fra Banner Engineering sin Q5X-linje med ToF-sensorer (figur 7). Denne sensoren fungerer over et område på 50 mm til 10 m, har en repeterbarhet på ±0,5–10 mm, en MOS på 1–70 mm, en oppløsning på 1–30 mm, en linearitet på ±5–150 mm og en nøyaktighet på ±3–150 mm. Denne lasersensoren har også automatisk forsterkningskompensasjon og en brukervalgt responstid på 3, 5, 15, 25 eller 50 millisekunder (ms).

Andre viktige funksjoner i Q5XKLAF10000-Q8 som gjør den spesielt godt egnet for konstruksjoner med transportbånd, omfatter:

• En innebygd deteksjonsalgoritme for fastkjøring som ikke er avhengig av mellomrom for å detektere pakkeflyt
• Muligheten til å detektere ulike pakketyper, inkludert esker, flasker og polystyrenposer (polybags)
• En M12-kontakt som er industristandard
• En rekke monteringsbraketter

Figur 7: Q5XKLAF10000-Q8-lasersensoren er en kompakt fastkjøringsdetektor for transportbånd som inkluderer en innebygd deteksjonsalgoritme for fastkjøring som ikke er avhengig av mellomrom for å detektere målobjektflyt. (Bildekilde: Banner Engineering)

Oppsett av en optisk lasersensor

For transportkurvekonstruksjonen som er skissert ovenfor, bør Q5X-lasersensoren monteres umiddelbart etter kurven slik at fastkjøringen kan detekteres så tidlig som mulig. Enheten har to viserinnretninger for utgangen, en skjerm og tre knapper. Den bør monteres på en brakett for å sikre den beste deteksjonspåliteligheten og MOS-ytelsen. En foreslått orientering vises i figur 8. Lasersensoren kobles deretter til, som vist på figur 9.

Figur 8: Q5XKLAF10000-Q8-lasersensoren fungerer best når den er montert 90° på målobjektets flyt. (Bildekilde: Banner Engineering)

Figur 9: Elektrisk tilkobling og signaltilkobling for lasersensoren oppnås gjennom en standard M12-kontakt. Dette skjemaet viser oppsettet for et analogt system på 0 til 10 volt. (Bildekilde: Banner Engineering)

Når lasersensoren er riktig orientert og slått på, må den føres til referanseoverflaten. Dette er den delen av transportbåndet, eller en annen innretning, som reflekterer lys når ingen gjenstander passerer gjennom sensorstrålen. Valget av den optimale referanseoverflaten er viktig for den generelle ytelsen til lasersensoren. Denne overflaten må ha en matt eller diffus overflatefinish, være fri for olje, vann eller støv, ha permanent plassering og være fri for vibrasjoner. Overflaten bør også være mellom 200 mm og det maksimale deteksjonsområdet. Elementer som skal detekteres bør passere så nærme sensoren som mulig, og så langt unna referanseoverflaten som mulig.

Q5X-lasersensoren programmeres ved å bruke knappene og displayet. Programmering oppnås ved å åpne menyer og legge inn verdier for funksjonelle parametere. For eksempel er en viktig parameter, «dobbelmodus» (dual mode). Denne modusen registrerer avstanden og mengden lys som mottas fra referanseoverflaten. Sensoren registrerer deretter en gjenstand som passerer mellom sensoren og referanseoverflaten når den opplevde avstanden eller mengden av returnert lys endres.

En annen viktig parameter som krever programmering, er «fastkjøring-retroreflektiv» (jam retroreflective). Dette er en utvidelse av dobbeltmodus, som optimaliserer fastkjøringsdeteksjon når en bakgrunn er til stede. En uavhengig verdi for fastkjøringsområde angis, og denne definerer minimum objektbevegelse som kreves for å kvalifiseres som «ikke fastkjørt», som, i kombinasjon med en automatisk fastsatt intensitetsterskel, fastsetter at et objekt er i bevegelse. Det er en lignende «lære»-modus for å optimalisere fastkjøringsdeteksjon når ingen bakgrunn er til stede.

Konklusjon

Det er viktig å holde transportbåndene for fabrikkautomasjon gående for å opprettholde produktiviteten og sikre tryggheten til arbeidere. Det oppstår imidlertid fastkjøring på selv de beste produksjonslinjene. Konvensjonelle tilnærminger som brukes til å detektere disse fastkjøringene, utløser imidlertid ofte falske alarmer. Som vist, har den nyeste generasjonen av lasersensorer fra bedrifter som Banner Engineering avanserte funksjoner som minimerer falsk deteksjon, og er relativt enkle å installere og programmere for optimal ytelse.