Elimineer valse alarmen bij transportbandstoringen om de productiviteit van fabrieksautomatisering te verhogen

Snellopende transportbanden worden veel gebruikt in fabrieksautomatisering om de productie te versnellen en de efficiëntie te verbeteren. Maar soms kan er iets misgaan. Een veel voorkomend probleem is vastlopen; één item komt vast te zitten, waarna anderen zich snel opstapelen. Dit is niet alleen slecht voor de doorvoer en schadelijk voor het transportsysteem, maar kan ook gevaarlijk zijn voor werknemers in de buurt.

Een laserdetector is één oplossing om deze opstoppingen te elimineren. Door een straal over de transportband te laten schijnen en de reflectie te detecteren, kan de sensor controleren op vastzittende items en het systeem stoppen voordat er schade optreedt. Hoewel laserdetectoren eenvoudig te installeren en te gebruiken zijn, zijn ze niet foolproof. Als er bijvoorbeeld meerdere items in beweging zijn, maar er zit geen ruimte tussen, dan kan het systeem concluderen dat er een opstopping is en de transportband onnodig stoppen.

Recente productintroducties van lasersensors verminderen het aantal valse alarmen door gebruik te maken van meer geavanceerde optische technologie en softwarealgoritmen.

Dit artikel beschrijft kort de twee soorten lichtsensors die worden gebruikt voor het detecteren van vastlopen: LED en lasers. Het richt zich vervolgens op de time-of-flight (ToF) laser en beschouwt de belangrijkste factoren die bepalen hoe goed de sensor presteert. Het artikel introduceert ook een echte ToF-lasersensor van Banner Engineering en laat zien hoe deze ingesteld kan worden voor een toepassing voor het detecteren van vastgelopen transportbanden.

Wat is een lasersensor?

Een lasersensor gebruikt een coherente lichtstraal om een object te detecteren en de afstand ervan te bepalen. In afwezigheid van een object wordt licht gereflecteerd vanaf een vast referentieoppervlak. Als een object echter de bundel kruist, weerkaatst het licht met een andere intensiteit en van een kortere afstand, waardoor de sensor wordt geactiveerd. Een LED-sensor kan ook de aanwezigheid van objecten detecteren met behulp van licht en is meestal minder duur, maar het kostenverschil is de laatste jaren kleiner geworden en de lasersensor is technisch in meerdere opzichten superieur.

In vergelijking met LED-sensors biedt het lasertype bijvoorbeeld een aanzienlijk groter detectiebereik en een hogere detectieprecisie. Bovendien produceert de strak gecontroleerde laserstraal een kleine spot over een groot bereik met een goede reflectie, zelfs van slecht reflecterende oppervlakken. Dankzij deze eigenschappen kunnen lasersensoren bijvoorbeeld minuscule objecten detecteren, zelfs dunne draadjes. Een ander voordeel is dat een lasersensor objecten door gaten of smalle openingen kan detecteren (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Lasersensors bieden een goede reflectie, zelfs van producten met slecht reflecterende oppervlakken. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Lasersensors gebruiken twee technieken om de afstand tot het gedetecteerde object te bepalen: driehoeksmeting of bundel ToF. De triangulatietechniek gebruikt de hoek van het gereflecteerde licht om de afstand tot de sensor te bepalen. ToF-sensors meten, zoals de naam al aangeeft, de tijd die de straal nodig heeft om naar het object te reizen en terug. Vervolgens gebruiken ze de bekende lichtsnelheid ("c") om de afstand tot het object te berekenen met de eenvoudige formule: afstand tot het object in meters (m) = ToF in seconden (s)/2 x c in meters per seconde (m/s) (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De ToF-techniek meet de tijd die een lichtpuls nodig heeft om naar het object en terug te reizen en past vervolgens een eenvoudige formule toe om de afstand tot het object te berekenen. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Lasersensors die gebruikmaken van driehoeksmeting zijn goedkoper en nauwkeuriger over korte afstanden tot 100 mm. De ToF-types zijn beter voor langeafstandsdetectie tot 24 m. Bij toepassingen voor het detecteren van vastzittende transportbanden moet de lasersensor over meerdere meters werken, dus in de rest van dit artikel wordt alleen het laatste type besproken.

Selectiecriteria voor lasersensors

Hoewel lasersensors technisch superieur zijn aan LED-apparaten, is een zorgvuldige selectie nodig om ervoor te zorgen dat de beste sensor voor een bepaalde toepassing wordt gekozen.

Belangrijke parameters om te overwegen zijn onder andere:

• Herhaalbaarheid (of reproduceerbaarheid): Dit verwijst naar hoe betrouwbaar de sensor dezelfde meting onder dezelfde omstandigheden kan herhalen. Een herhaalbaarheid van 0,5 mm betekent bijvoorbeeld dat meerdere metingen van hetzelfde doel allemaal binnen ±0,5 mm liggen.
• Minimale objectafstand (MOS): Dit verwijst naar de minimale afstand die een doelwit van zijn achtergrond moet scheiden om betrouwbaar door de sensor te worden gedetecteerd. Een MOS van 0,5 mm betekent dat de sensor een object kan detecteren dat minstens 0,5 mm van de achtergrond verwijderd is (Afbeelding 3).
• Resolutie: Dit is een maat voor de kleinste verandering in afstand die een sensor kan detecteren. Een resolutie van 0,5 mm betekent dat de sensor veranderingen tot op 0,5 mm kan detecteren. Deze specificatie is hetzelfde als best-case herhaalbaarheid, maar wordt uitgedrukt als een absoluut getal in plaats van een tolerantie.
• Nauwkeurigheid: Dit is het verschil tussen werkelijke en gemeten waarden. Het wordt gebruikt om de meetnauwkeurigheid van een onbekende afstand zonder referentiedoel te beoordelen. Deze meting is handig bij het vergelijken van metingen van meerdere sensoren.
• Lineariteit: Dit is een alternatieve parameter voor nauwkeurigheid als we kijken naar relatieve veranderingen in metingen ten opzichte van een bekend referentiedoel. Het is vergelijkbaar met het kalibreren van de 4 en 20 milliamp (mA) punten voor een analoge sensor, waarbij alle afstandsmetingen dan relatief zijn ten opzichte van de ingeleerde omstandigheden.

Afbeelding 3: MOS is de minimale afstand die een doelwit van zijn achtergrond moet scheiden om betrouwbaar door de sensor te worden gedetecteerd. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Het selecteren van een lasersensor begint met het afstemmen van de mogelijkheden op de dimensionale eigenschappen van de toepassing. Bijvoorbeeld of objecten die moeten worden gedetecteerd op centimeters afstand staan of op enkele meters afstand. Maar er zijn nog meer selectiecriteria, afhankelijk van de kleur en reflectiviteit van de objecten die moeten worden gedetecteerd.

De lasersensor optimaliseren voor uitdagende doelen

Veel voorkomende uitdagingen voor lasersensoren zijn objecten met sterk reflecterende oppervlakken en objecten met donkere of matte oppervlakken. Om met het eerste om te gaan, moet de ingenieur een lasersensor met automatische versterkingscompensatie kiezen, zodat het apparaat zijn versterking verlaagt om de laserintensiteit en dus de grootte van het gereflecteerde licht te verlagen. Toenamecompensatie helpt de nauwkeurigheid te behouden. Bij het zoeken naar donkere of slecht reflecterende objecten kan het retoursignaal erg zwak zijn en moeilijk te detecteren. Een oplossing is om een lasersensor te specificeren die automatisch zijn versterking verhoogt om het gereflecteerde signaal te versterken en zo op betrouwbare wijze doelen te detecteren die andere sensoren met moeite zouden kunnen waarnemen.

Voor veel toepassingen is een strak gefocuste bundel ideaal. Een kleine spot werkt bijvoorbeeld het beste in situaties waarin het doel uit meerdere kleuren bestaat. Een gerichte spot kan worden gericht op slechts één kleur op een veelkleurig product voor een consistente en betrouwbare reflectie (Afbeelding 4, boven). Een kleine bundel is ook nuttig om te focussen op een bepaald punt van een geprofileerd oppervlak. Een dergelijke focus zorgt opnieuw voor een robuuste werking (Afbeelding 4, onder).

Afbeelding 4: Een strak gefocuste spot werkt betrouwbaar op veelkleurige en geprofileerde oppervlakken. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Maar een lasersensor met een gefocuste punt selecteren is niet de oplossing voor alle toepassingen. Soms is een grotere, meer diffuse spot een betere optie. Een grote spot die bijvoorbeeld een ruw oppervlak verlicht, maakt middeling van het gereflecteerde licht mogelijk voor een grotere meetstabiliteit (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Een meer diffuse spot werkt beter op ruwe oppervlakken omdat het de neiging heeft om reflecties van hoge en lage gebieden uit te middelen. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Vastgelopen transportbanden verwijderen

Snel bewegende fabriekstransporteurs kunnen snel vastlopen, met name in bochten, waar goederen zich snel kunnen opstapelen bij de uitgang van de bocht. Een bocht is ook gevoelig voor valse vastzetsels omdat de bulkstroom van verpakkingen vaak weinig ruimte biedt voor conventionele sensoren om een vastzetsel te detecteren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Transportbandbochten zijn gevoelig voor valse storingsalarmen omdat de bulkstroom van verpakkingen weinig ruimte biedt voor conventionele sensoren om een gebrek aan beweging te detecteren. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Veelgebruikte oplossingen voor valse vastlopers veroorzaken vaak meer problemen dan ze oplossen. Typische methoden zijn onder andere het toevoegen van vertragingstimers om valse opstoppingen de tijd te geven om te "verdwijnen". Dergelijke vertragingen kunnen werken, maar in het geval van een ernstigere opstopping wordt de reactie vertraagd en kan er overmatige slijtage aan de apparatuur ontstaan doordat meer pakketten zich opstapelen en transportbandonderdelen onder druk komen te staan. Bovendien kunnen de krachten die vrijkomen bij het vastlopen de goederen die vastzitten op de transportband beschadigen. Tot slot worden ernstige opstoppingen vaak aangepakt door arbeiders die de lijn tijdens de vertragingsperiode proberen vrij te maken met zogenaamde opstoppalen. Dit vormt een risico omdat werknemers gevaarlijke gebieden betreden terwijl grote elektromotoren nog draaien.

Valse vastlopers komen vaak voor: Banner Engineering noemt een klant die ontdekte dat 82% van de vastlopers op transportbanden die met conventionele detectiemethoden werden 'gedetecteerd', vals alarm waren. Vals alarm veroorzaakt niet alleen schade en brengt personeel in gevaar, maar kost ook geld. Deze kosten omvatten:

• Verloren productiviteit
• Downstreamprocessen uitgehongerd
• Verloren tijd besteed door onderhoudspersoneel aan het diagnosticeren van valse problemen
• Slijtage van transportbandsystemen door constant stoppen en starten

De oplossing voor deze technische uitdaging is een lasersensor die valse storingsdetectie tot een minimum beperkt, maar toch snel reageert op echte verstoppingen. Een optie is de Q5XKLAF10000-Q8 uit de Q5X-lijn ToF-sensoren van Banner Engineering (Afbeelding 7). Deze sensor werkt over een bereik van 50 mm tot 10 m, heeft een herhaalbaarheid van ±0,5 tot 10 mm, een MOS van 1 tot 70 mm, een resolutie van 1 tot 30 mm, een lineariteit van ±5 tot 150 mm en een nauwkeurigheid van ±3 tot 150 mm. Deze lasersensor heeft ook automatische versterkingscompensatie en een door de gebruiker instelbare responstijd van 3, 5, 15, 25 of 50 milliseconden (ms).

Andere belangrijke kenmerken van de Q5XKLAF10000-Q8 die hem bijzonder geschikt maken voor transportbandtoepassingen zijn onder andere:

• Een ingebouwd algoritme voor jamdetectie dat niet afhankelijk is van openingen om de pakketstroom te detecteren
• De mogelijkheid om verschillende soorten verpakkingen te detecteren, waaronder dozen, flessen en polybags
• Een industriestandaard M12-connector
• Verschillende montagebeugels

Afbeelding 7: De Q5XKLAF10000-Q8-lasersensor is een compacte vastzetsensor voor transportbanden met een ingebouwd vastzetsignaleringsalgoritme dat niet afhankelijk is van openingen om de objectstroom te detecteren. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Een optische lasersensor instellen

Voor de hierboven geschetste toepassing met transportbochten moet de Q5X-lasersensor direct na de bocht worden gemonteerd voor de vroegste detectie van vastzitten. Het apparaat heeft twee uitgangsindicators, een display en drie knoppen. Hij moet op een beugel worden gemonteerd om de beste betrouwbaarheid van de detectie en MOS-prestaties te garanderen. Een voorgestelde oriëntatie wordt getoond in Afbeelding 8. De lasersensor wordt dan aangesloten, zoals getoond in Afbeelding 9.

Afbeelding 8: De Q5XKLAF10000-Q8-lasersensor werkt het beste als deze op 90° word gemonteerd naar de doelobjectstroom. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Afbeelding 9: De elektrische en signaalaansluiting voor de lasersensor gebeurt via een standaard M12-connector. Dit schema toont de opstelling voor een analoog systeem van 0 tot 10 volt. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Nadat de lasersensor georiënteerd en ingeschakeld is, moet hij op zijn referentieoppervlak worden geplaatst. Dit is het deel van de transportband of andere armatuur dat licht reflecteert wanneer er geen object door de sensorstraal gaat. De keuze van het optimale referentieoppervlak is essentieel voor de algehele prestaties van de lasersensor. Dit oppervlak moet een matte of diffuse afwerking hebben, vrij zijn van olie, water of stof, een permanente locatie hebben en vrij zijn van trillingen. Het oppervlak moet ook tussen 200 mm en het maximale detectiebereik liggen. Te detecteren voorwerpen moeten zo dicht mogelijk langs de sensor en zo ver mogelijk van het referentieoppervlak passeren.

De Q5X-lasersensor wordt geprogrammeerd met de toetsen en het display. Programmeren gebeurt door menu's te openen en waarden voor functionele parameters in te voeren. Een belangrijke parameter is bijvoorbeeld "duale modus"; deze modus registreert de afstand tot en de hoeveelheid licht die van het referentieoppervlak wordt ontvangen. De sensor registreert vervolgens een object dat tussen de sensor en het referentieoppervlak passeert wanneer de waargenomen afstand of de hoeveelheid teruggekaatst licht verandert.

Een andere belangrijke parameter die geprogrammeerd moet worden is "jam retroreflective". Dit is een uitbreiding van de duale modus die de storingsdetectie optimaliseert wanneer er een achtergrond aanwezig is. Er wordt een onafhankelijke waarde voor het vastloopbereik ingesteld, die de minimale objectbeweging definieert die nodig is om te kwalificeren als "niet vastgelopen", wat in combinatie met een automatisch bepaalde intensiteitsdrempel bepaalt dat een object beweegt. Er is een vergelijkbare "teach"-modus voor het optimaliseren van jamdetectie wanneer er geen achtergrond aanwezig is.

Conclusie

Om de productiviteit op peil te houden en de veiligheid van de werknemers te garanderen, is het belangrijk dat de transportbanden van de fabriek goed blijven draaien. Maar zelfs op de beste productielijnen komen opstoppingen voor. Conventionele benaderingen om deze opstoppingen te detecteren veroorzaken echter vaak vals alarm. Zoals te zien is, heeft de nieuwste generatie lasersensoren van bedrijven als Banner Engineering geavanceerde functies die valse detectie minimaliseren en zijn ze relatief eenvoudig te installeren en te programmeren voor optimale prestaties.