Eliminera felaktiga stockningslarm på transportband för att öka produktiviteten med fabriksautomation

Snabba transportband används i stor utsträckning inom fabriksautomation för att påskynda produktion och öka effektivitet. Men ibland kan saker och ting gå fel. Ett vanligt problem är stockning. Ett föremål fastnar och sedan hopar sig andra snabbt bakom. Detta är inte bara dåligt för genomströmningen eller för att det orsakar skador på transportbandssystemet utan det kan också vara farligt för arbetarna i närheten.

En lösning för att minimera stockningar är laserdetektorer. Genom att lysa med en stråle tvärsöver transportbandet och detektera reflektionen kan sensorn kontrollera om föremål har fastnat och stoppa systemet innan skada uppstår. Laserdetektorer är enkla att installera och att använda, men de är inte idiotsäkra. Om det till exempel är flera föremål som rör sig, men det inte finns något mellanrum mellan dem, kan systemet dra slutsatsen att det finns en stockning och stoppa transportbandet i onödan.

Nya produktlanseringar av lasersensorer minskar antalet felaktiga larm genom att utnyttja mer avancerad optisk teknik samt mjukvarualgoritmer.

Artikeln beskriver kortfattat två typer av ljussensorer som används för att upptäcka stockning; lysdioder och laser. Fokus övergår därefter till laser med ToF (time-of-flight) och reflekterar över vilka nyckelfaktorer som avgör hur bra sensorn fungerar. Artikeln presenterar även en riktig lasersensor med ToF från Banner Engineering och illustrerar hur man installerar denna för att detektera stockning på ett transportband.

Vad är en lasersensor?

En lasersensor använder en koherent ljusstråle för att detektera ett föremål och göra det lättare att konstatera avståndet till föremålet. När det inte finns något föremål reflekteras ljuset från en fast referensyta. Men, om ett föremål bryter strålen reflekteras ljuset med en annan intensitet och från ett kortare avstånd, vilket utlöser sensorn. En sensor med lysdioder kan också detektera föremål med hjälp av ljus och tenderar att vara billigare, men skillnaden i kostnad har under de senaste åren minskat och en sensor med laser är tekniskt överlägsen på flera sätt.

Jämfört med lysdiodssensorer erbjuder lasermodellen exempelvis betydligt längre räckvidd och en högre detekteringsnoggrannhet. Dessutom skapar den noggrant styrda laserstrålen en liten punkt på ett långt avstånd med god reflektion, även från ytor med dålig reflektion. Lasersensorns egenskaper gör att de bland annat kan detektera mycket små föremål, till och med tunna trådar. En ytterligare fördel är att en lasersensor kan detektera föremål genom hål eller smala öppningar (figur 1).

Bild 1: Lasersensorer har bra reflektion, även från föremål med svagt reflekterande ytor. (Bildkälla: Banner Engineering)

Lasersensorer använder två tekniker för att konstatera avståndet till det detekterade objektet; triangulering eller ToF-stråle. Trianguleringstekniken använder vinkeln på det reflekterade ljuset för att konstatera dess avstånd från sensorn. ToF-sensorer, som namnet antyder, mäter den tid det tar för strålen att färdas fram och tillbaka till föremålet. De använder sedan den kända ljushastigheten ("c") för att beräkna avståndet till föremålet med hjälp av den enkla formeln: avstånd till föremålet i meter (m) = ToF i sekunder (s)/2 × c i meter per sekund (m/s) (figur 2).

Figur 2: ToF-metoden mäter den tid det tar för en ljuspuls att färdas fram och tillbaka till föremålet, och använder därefter en enkel formel för att beräkna avståndet till föremålet. (Bildkälla: Banner Engineering)

Lasersensorer som använder sig av triangulering är billigare och mer exakta på kortare avstånd, upp till 100 mm. Modeller med ToF är bättre för detektering när avstånden är långa, upp till 24 m. Tillämpningar som detekterar stockning på transportband kräver att lasersensorn fungerar på flera meters avstånd, så i resten av den här artikeln kommer endast den sistnämnda typen att behandlas.

Urvalskriterier för lasersensorer

Även om lasersensorer tekniskt sett är överlägsna lysdiodsenheter fordras noggranna urval för att säkerställa att den bästa sensorn väljs för en särskild tillämpning.

Viktiga parametrar att ta hänsyn till är bland annat:

• Repeterbarhet (eller reproducerbarhet): Detta avser hur tillförlitligt sensorn kan upprepa samma mätning vid samma förhållanden. En repeterbarhet på 0,5 mm innebär t.ex. att vid flera mätningar av samma mål ligger alla inom ±0,5 mm.
• Föremålets minsta avstånd från bakgrunden (MOS): Detta avser det minsta avstånd som ett mål måste vara separerat från sin bakgrund för att detekteras av sensorn på ett tillförlitligt sätt. Föremålets minsta avstånd från bakgrunden på 0,5 mm innebär att sensorn kan detektera ett föremål som är minst 0,5 mm från bakgrunden (figur 3).
• Upplösning: Detta är ett mått på den minsta förändring i avstånd som en sensor kan upptäcka. En upplösning på 0,5 mm innebär att sensorn kan detektera förändringar ner till 0,5 mm. Specifikationen är densamma som repeterbarhetens bästa utfall, men den uttrycks som ett absolut tal istället för en tolerans.
• Noggrannhet: Detta är skillnaden mellan faktiska och uppmätta värden. Den används för att bedöma mätprecisionen för ett okänt avstånd utan ett referensmål. Måttet är användbart vid jämförelse av mätningar från flera sensorer.
• Linjäritet: Detta är en alternativ parameter till noggrannhet när man tittar på relativa förändringar i mätningar från ett känt referensmål. Det liknar kalibrering av punkter för en analog sensor på 4 och 20 mA, där alla avståndsmätningar därefter är relativa inlärda förhållanden.

Figur 3: Föremålets minsta avstånd från bakgrunden är det minsta avståndet som ett mål måste vara separerat från sin bakgrund för att kunna detekteras av en sensor på ett tillförlitligt sätt. (Bildkälla: Banner Engineering)

Att välja en lasersensor börjar med att jämföra dess kapacitet gentemot tillämpningens egenskaper för storlek och mått. Om föremålet som ska detekteras befinner sig på ett avstånd på centimeter eller flera meter. Men det finns ytterligare urvalskriterier som tar hänsyn till färg och reflektionsförmåga hos de föremål som ska detekteras.

Optimering av lasersensor för utmanande mål

Vanliga utmaningar för lasersensorer är föremål med starkt reflekterande ytor samt föremål med mörka eller matta ytor. För att hantera det förstnämnda bör tekniker välja en lasersensor med automatisk förstärkningskompensation, så att enheten minskar sin förstärkning för att minska laserintensiteten, och därmed storleken på det reflekterade ljuset. Förstärkningskompensation gör det lättare att bibehålla noggrannhet. När man letar efter mörka föremål eller föremål med dålig reflektion kan retursignalen vara mycket svag och svår att upptäcka. En lösning är att specificera en lasersensor som automatiskt ökar sin förstärkning i syfte att förstärka den reflekterade signalen, för att på så sätt upptäcka mål som andra sensorer kan ha svårt att upptäcka på ett tillförlitliget sätt.

För många tillämpningar är en fokuserad strålpunkt idealisk. En liten punkt fungerar exempelvis bäst i situationer där målet består av flera färger. En fokuserad punkt kan riktas mot bara en färg på en flerfärgad produkt för en konsekvent och tillförlitlig reflektion (figur 4, överst). En liten strålpunkt är också användbar för att fokusera på ett särskilt område på en profilerad yta. Ett sådant fokus säkerställer återigen en robust drift (figur 4, nederst).

Bild 4: En fokuserad punkt fungerar tillförlitligt på flerfärgade och profilerade ytor. (Bildkälla: Banner Engineering)

Men att välja en lasersensor med en fokuserad punkt är inte lösningen för alla tillämpningar. Det finns tillfällen då en större, mer diffus punkt är ett bättre alternativ. Till exempel, en stor punkt som belyser en grov yta möjliggör ett medelvärde av det reflekterade ljuset för större mätnoggrannhet (figur 5).

Figur 5: En mer diffus punkt fungerar bättre på ojämna ytor eftersom den tenderar att jämna ut reflektioner från områden med mörka och ljusa delar. (Bildkälla: Banner Engineering)

Åtgärda stockningar på transportband

Snabba transportband i fabriker är benägna att råka ut för stockning, särskilt i kurvor, där gods snabbt kan hopa sig vid kurvans utgång. En kurva är också benägen att utlösa falska stockningar eftersom den stora mängden förpackningar lämnar få luckor där konventionella sensorer kan upptäcka en stockning (figur 6).

Figur 6: Kurvor i transportband är benägna att larma felaktigt eftersom mängden paket lämnar få luckor där konventionella sensorer kan upptäcka bristen på rörelse. (Bildkälla: Banner Engineering)

Allmänt vedertagna lösningar för felaktiga stockningar orsakar ofta fler problem än de löser. Vanliga metoder inkluderar att lägga till fördröjningstimers för att ge falska stockningar tid att "rensas". Sådana fördröjningar kan fungera, men i händelse av en allvarligare stockning fördröjs reaktionen och kan orsaka överdrivet slitage på utrustning när fler paket stockas och belastar transportsystemets komponenter. Dessutom kan de krafter som uppstår vid en stockning skada det gods som fastnat på transportbandet. Allvarliga stockningar hanteras ofta genom att arbetare till slut försöker rensa bandet under fördröjningsperioden med så kallade kökäppar. Detta innebär en risk eftersom arbetare får tillträde till farliga områden samtidigt som kraftiga elmotorer fortfarande är igång.

Falska stockningar är vanliga. Banner Engineering hänvisar till en kund som noterade att 82 % av de stockningar som "upptäcktes" med konventionella avkänningsmetoder var felaktiga. Felaktiga larm orsakar inte bara skador och utsätter personal för fara utan kostar också pengar. Kostnaderna inkluderar:

• Förlorad produktivitet
• Efterföljande processer får inte tillräckligt med arbete
• Förlorad tid för underhållspersonal som diagnostiserar falska problem
• Slitage på transportsystemen på grund av ständiga stopp och starter

Lösningen på denna tekniska utmaning är en lasersensor som minimerar upptäckten av falska stockningar men som ändå reagerar snabbt på verkliga blockeringar. Banner Engineering erbjuder alternativet Q5XKLAF10000-Q8 från Q5X-serien av ToF-sensorer (figur 7). Sensorn arbetar inom ett driftsområde på 50 mm till 10 m, har en repeterbarhet på ±0,5 till 10 mm, föremålets minsta avstånd från bakgrunden på 1 till 70 mm, en upplösning på 1 till 30 mm, en linjäritet på ±5 till 150 mm och en noggrannhet på ±3 till 150 mm. Lasersensorn har också automatisk förstärkningskompensation och en svarstid på 3, 5, 15, 25 eller 50 ms som kan väljas av användaren.

Andra viktiga egenskaper hos Q5XKLAF10000-Q8 som gör den särskilt lämplig för transportbandstillämpningar är:

• En inbyggd algoritm för avkänning av stockning som inte är beroende av luckor för att känna av paketflödet
• Förmåga att detektera olika förpackningstyper, inklusive lådor, flaskor och plastpåsar
• Branschstandardiserad anslutning med M12
• En mängd olika monteringsfästen

Figur 7: Lasersensorn Q5XKLAF10000-Q8 är en kompakt stockningsdetektor för transportband med en inbyggd algoritm som inte är beroende av luckor för att känna av målföremålets flöde. (Bildkälla: Banner Engineering)

Installation av en optisk lasersensor

För tillämpningen i transportbandets kurva som beskrivs ovan bör lasersensor Q5X monteras omedelbart efter kurvan för tidigast/snabbast möjliga detektering av stockning. Enheten har två utgångsindikeringar, en display samt tre knappar. Den bör monteras på ett fäste för att garantera bästa möjliga tillförlitlighet vid detektering samt effektivitet för föremålets minsta avstånd från bakgrunden. En föreslagen placering visas i figur 8. Lasersensorn kopplas sedan in enligt figur 9.

Figur 8: Lasersensorn Q5XKLAF10000-Q8 fungerar bäst när den monteras vinkelrätt mot målobjektets flöde. (Bildkälla: Banner Engineering)

Figur 9: Lasersensorns el- och signalanslutning sker via standardkontakten M12. Diagrammet visar en installation av ett analogt system för 0 till 10 V. (Bildkälla: Banner Engineering)

När lasersensorn har installerats och spänningssatts måste den introduceras till sin referensyta. Detta är den del av transportbandet eller annan armatur som reflekterar ljus när inget föremål passerar genom sensorstrålen. Valet av den optimala referensytan är avgörande för lasersensorns totala effektivitet. Ytan måste ha en matt eller grumlig ytfinish, vara fri från olja, vatten och damm, ha en permanent placering och vara fri från vibrationer. Ytan bör också vara mellan 200 mm och det maximala avkänningsområdet. Föremål som ska detekteras bör passera så nära sensorn som möjligt och så långt bort från referensytan som möjligt.

Lasersensorn Q5X programmeras med hjälp av knapparna och displayen. Programmering sker genom att man öppnar menyer och anger värden för funktionsparametrar. En viktig parameter är till exempel "dubbelt läge"; detta läge registrerar avståndet och mängden ljus som reflekteras från referensytan. Sensorn registrerar därefter ett föremål som passerar mellan sensorn och referensytan när det upplevda avståndet eller mängden reflekterat ljus ändras.

En annan viktig parameter som kräver programmering är "retroreflekterande stockning". Detta är en förlängning av dubbelt läge som optimerar stockningdetektering när en bakgrund är närvarande. Ett oberoende värde för stockningsintervall ställs in, vilket definierar den minsta rörelse som krävs av ett föremål för att kvalificera sig som "inte fast", vilket i kombination med en automatiskt fastställd intensitetströskel avgör om ett föremål är i rörelse. Det finns ett liknande "inlärningsläge" för optimering av stockningsdetektering när det inte finns någon bakgrund.

Sammanfattning

Att hålla igång transportband för fabriksautomation är viktigt för att upprätthålla produktiviteten och garantera arbetarnas säkerhet. Men även på de bästa produktionsbanden kan det uppstå stockningar. De konventionella metoder som används för att upptäcka sådana stockningar utlöser dock ofta falska larm. Den senaste generationens lasersensorer från företag som Banner Engineering har avancerade funktioner som minimerar felaktig detektering och är relativt enkla att installera och programmera för optimal effektivitet.