Eliminați alarmele false de blocare a transportoarelor pentru a stimula productivitatea automatizării fabricilor

Transportoarele cu mișcare rapidă sunt utilizate pe scară largă în automatizarea fabricilor pentru a accelera producția și a spori eficiența. Dar, ocazional, lucrurile pot merge prost. O problemă frecventă este blocajul; un articol se blochează, iar altele se adună rapid în spate. Acest lucru nu numai că nu este benefic pentru randament și dăunează sistemului transportorului, dar poate fi periculos și pentru lucrătorii din apropiere.

Un detector cu laser este o soluție pentru eliminarea acestor blocaje. Prin transmiterea unui fascicul de lumină pe banda transportoare și detectarea reflexiei, senzorul poate verifica dacă există articole blocate și poate opri sistemul înainte de a se produce daune. Deși sunt simplu de instalat și de utilizat, detectoarele cu laser nu sunt infailibile. De exemplu, dacă sunt transportate mai multe articole, dar nu există niciun spațiu între ele, sistemul ar putea concluziona că există un blocaj și ar putea opri în mod inutil transportorul.

Recentele lansări de produse cu senzori laser reduc numărul de alarme false prin utilizarea unei tehnologii optice și a unor algoritmi software mai avansați.

Acest articol descrie pe scurt cele două tipuri de senzori de lumină utilizate pentru detectarea blocajelor: leduri și lasere. Apoi se concentrează asupra laserului cu timp de zbor (ToF) și ia în considerare factorii cheie care determină performanța senzorului. De asemenea, articolul prezintă un senzor laser ToF din lumea reală de la Banner Engineering și ilustrează modul de configurare a acestuia pentru o aplicație de detectare a blocajelor de pe un transportor.

Ce este un senzor laser?

Un senzor laser utilizează un fascicul de lumină coerent pentru a detecta un obiect și a ajuta la determinarea distanței până la acesta. În absența unui obiect, lumina este reflectată de o suprafață de referință fixă. Cu toate acestea, dacă un obiect trece prin fascicul, lumina se reflectă cu o intensitate diferită și de la o distanță mai mică, declanșând astfel senzorul. Un senzor cu led poate, de asemenea, să detecteze prezența obiectelor cu ajutorul luminii și tinde să fie mai ieftin, dar diferența de cost s-a redus în ultimii ani, iar senzorul cu laser este superior din punct de vedere tehnic în mai multe privințe.

De exemplu, în comparație cu senzorii cu led, tipul cu laser oferă o rază de detecție semnificativ mai mare și o precizie de detecție mai mare. În plus, fasciculul laser controlat cu precizie produce un punct mic pe o rază lungă de acțiune, cu o bună reflexie, chiar și pe suprafețe slab reflectante. Aceste atribute permit senzorilor cu laser să detecteze, de exemplu, obiecte minuscule, chiar și fire subțiri. Un alt avantaj este faptul că un senzor laser poate detecta obiecte prin găuri sau deschideri înguste (Figura 1).

Figura 1: Senzorii cu laser oferă o bună reflexie chiar și pe produse cu suprafețe slab reflectante. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Senzorii laser utilizează două tehnici pentru a determina distanța până la obiectul detectat: triangulația sau ToF (timpul de zbor) fascicul. Tehnica de triangulație utilizează unghiul luminii reflectate pentru a determina distanța față de senzor. Senzorii ToF, după cum sugerează și numele, măsoară timpul necesar pentru ca fasciculul să se deplaseze până la obiect și înapoi. Apoi, folosesc viteza cunoscută a luminii („c”) pentru a calcula distanța până la obiect, pe baza unei formule simple: distanța până la obiect în metri (m) = ToF în secunde (s)/2 x c în metri pe secundă (m/s) (Figura 2).

Figura 2: Tehnica ToF măsoară timpul necesar pentru ca un impuls de lumină să ajungă la obiect și să se întoarcă, apoi aplică o formulă simplă pentru a calcula distanța până la obiect. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Senzorii laser care utilizează triangulația sunt mai puțin costisitori și mai preciși pe distanțe scurte de până la 100 mm. Tipurile ToF sunt mai bune pentru detectarea la distanțe de până la 24 m. Aplicațiile de detectare a blocajelor benzilor transportoare necesită ca senzorul laser să funcționeze pe o distanță de câțiva metri, astfel că, în restul acestui articol, va fi luat în considerare doar tipul din urmă.

Criterii de selecție pentru senzorii laser

În timp ce, din punct de vedere tehnic, senzorii cu laser sunt superiori dispozitivelor cu leduri, aceștia trebuie selectați cu atenție pentru a garanta că se va utiliza cel mai bun senzor pentru o anumită aplicație.

Parametrii cheie care trebuie luați în considerare includ:

• Repetabilitatea (sau reproductibilitatea): Aceasta se referă la fiabilitatea cu care senzorul poate repeta aceeași măsurătoare în aceleași condiții. De exemplu, o repetabilitate de 0,5 mm înseamnă că toate măsurătorile multiple ale aceleiași ținte se vor încadra în limitele de ±0,5 mm.
• Separarea minimă a obiectelor (MOS): Aceasta se referă la distanța minimă care trebuie asigurată între țintă și fundal, pentru ca aceasta să poată fi detectată în mod eficient de către senzor. O valoare MOS de 0,5 mm înseamnă că senzorul poate detecta un obiect care se află la o distanță de cel puțin 0,5 mm față de fundal (Figura 3).
• Rezoluție: Aceasta este o măsură a celei mai mici modificări a distanței pe care o poate detecta un senzor. O rezoluție de 0,5 mm înseamnă că senzorul poate detecta modificări de până la 0,5 mm. Această specificație este aceeași ca și cea mai bună repetabilitate, dar este exprimată ca număr absolut în loc de toleranță.
• Acuratețe: Aceasta este diferența dintre valorile reale și cele măsurate. Se utilizează pentru a evalua precizia de măsurare a unei distanțe necunoscute fără o țintă de referință. Această măsurătoare este utilă atunci când se compară măsurători de la mai mulți senzori.
• Liniaritate: Acesta este un parametru alternativ la acuratețe atunci când se analizează modificările relative ale măsurătorilor față de o țintă de referință cunoscută. Este similar cu calibrarea punctelor de 4 și 20 de miliamperi (mA) pentru un senzor analogic, unde toate măsurătorile de distanță sunt apoi raportate la condițiile învățate.

Figura 3: MOS reprezintă distanța minimă care trebuie asigurată între o țintă și fundal pentru ca aceasta să poată fi detectată în mod eficient de către senzor. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Selectarea unui senzor laser începe cu potrivirea capacității acestuia cu caracteristicile dimensionale ale aplicației. De exemplu, contează dacă obiectele care trebuie detectate se află la câțiva centimetri sau la câțiva metri distanță. Dar există și alte criterii de selecție în funcție de culoarea și reflexia obiectelor care trebuie detectate.

Optimizarea senzorului laser pentru ținte dificile

Provocările obișnuite pentru senzorii laser includ obiecte cu suprafețe foarte reflectorizante și cele cu suprafețe întunecate sau mate. Pentru a face față primei situații, inginerul ar trebui să aleagă un senzor laser cu compensarea automată a câștigului, astfel ca dispozitivul să își reducă câștigul pentru a reduce intensitatea laserului și, prin urmare, magnitudinea luminii reflectate. Compensarea câștigului ajută la menținerea acurateței. Atunci când se caută obiecte întunecate sau slab reflectorizante, semnalul de întoarcere poate fi foarte slab și dificil de detectat. O soluție este specificarea unui senzor laser care își mărește automat câștigul pentru a amplifica semnalul reflectat și pentru a detecta în mod fiabil ținte pe care alți senzori le-ar observa cu dificultate.

Pentru multe aplicații, un punct de fascicul foarte bine focalizat este ideal. De exemplu, un punct mic funcționează cel mai bine în situațiile în care ținta are mai multe culori. Un punct focalizat poate fi direcționat către o singură culoare de pe un produs multicolor, pentru o reflexie consecventă și sigură (Figura 4, sus). Un punct de fascicul mic este, de asemenea, util pentru focalizarea pe un anumit punct al unei suprafețe profilate. O astfel de focalizare asigură din nou o funcționare robustă (Figura 4, jos).

Figura 4: Un punct bine focalizat funcționează eficient pe suprafețe multicolore și profilate. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Dar selectarea unui senzor laser cu un punct concentrat nu este soluția pentru toate aplicațiile. Există momente în care un punct mai mare și mai difuz este o opțiune mai bună. De exemplu, un punct mare care luminează o suprafață rugoasă permite calcularea mediei luminii reflectate pentru o mai mare stabilitate a măsurătorilor (Figura 5).

Figura 5: Un punct mai difuzat funcționează mai bine pe suprafețele rugoase, deoarece tinde să facă o medie a reflexiilor din zonele înalte și joase. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Eliminarea blocajelor de pe benzile transportoare

Benzile transportoare cu mișcare rapidă din fabrici pot fi predispuse la blocaje, în special în curbe, unde mărfurile se pot aduna rapid la ieșirea din curbă. O curbă este, de asemenea, predispusă la blocaje false, deoarece fluxul masiv de obiecte oferă adesea puține spații libere pentru ca senzorii convenționali să detecteze un blocaj (Figura 6).

Figura 6: Curbele benzilor transportoare sunt predispuse la alarme false de blocaj, deoarece fluxul masiv de obiecte oferă puține spații pentru ca senzorii convenționali să detecteze lipsa de mișcare. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Soluțiile obișnuite pentru blocajele false cauzează adesea mai multe probleme decât rezolvă. Metodele tipice includ adăugarea de temporizatoare pentru a da timp blocajelor false să se „elibereze”. Cu toate că astfel de întârzieri pot funcționa, în cazul unui blocaj mai grav, răspunsul este întârziat și poate cauza o uzură excesivă a echipamentului, deoarece se adună mai multe obiecte și solicită componentele transportorului. În plus, forțele implicate într-un blocaj pot deteriora bunurile blocate pe transportor. În cele din urmă, blocajele serioase sunt deseori rezolvate de către lucrătorii care încearcă să elibereze linia în timpul perioadei de întârziere cu așa-numitele prăjini pentru blocaje. Acest lucru reprezintă un risc, deoarece lucrătorii intră în zone periculoase în timp ce motoarele electrice mari sunt încă în funcțiune.

Blocajele false sunt frecvente: Banner Engineering citează un client care a descoperit că 82% din blocajele de pe transportor „detectate” cu ajutorul metodelor convenționale de detectare erau alarme false. Alarmele false nu numai că provoacă daune și pun în pericol personalul, dar costă și bani. Aceste costuri includ:

• Pierderea productivității
• Procesele din aval sunt nu au activitate
• Timp pierdut de personalul de întreținere pentru diagnosticarea unor probleme false
• Uzura sistemelor transportoarelor prin oprirea și pornirea constantă a acestora

Soluția la această provocare inginerească este un senzor laser care reduce la minimum detectarea blocajelor false, dar care reacționează rapid la blocajele reale. O opțiune este Q5XKLAF10000-Q8 din gama Q5X de senzori ToF de la Banner Engineering (Figura 7). Acest senzor funcționează pe o rază de la 50 mm până la 10 m, are o repetabilitate de la ±0,5 până la 10 mm, un MOS de la 1 până la 70 mm, o rezoluție de la 1 până la 30 mm, o liniaritate de la ±5 până la 150 mm și o acuratețe de la ±3 până la 150 mm. De asemenea, acest senzor laser are compensarea automată a câștigului și un timp de răspuns de 3, 5, 15, 25 sau 50 de milisecunde (ms), care poate fi selectat de către utilizator.

Alte caracteristici cheie ale modelului Q5XKLAF10000-Q8 care îl fac deosebit de potrivit pentru aplicațiile benzilor transportoare includ:

• Un algoritm încorporat de detectare a blocajelor care nu se bazează pe goluri pentru a detecta fluxul de obiecte
• Capacitatea de a detecta diferite tipuri de obiecte, inclusiv cutii, flacoane și saci de polietilenă
• Un conector M12 standard industrial
• O varietate de suporturi de montare

Figura 7: Senzorul laser Q5XKLAF10000-Q8 este un detector compact de blocaje pe banda transportoare, care include un algoritm încorporat de detectare a blocajului care nu se bazează pe spații libere pentru a detecta fluxul de obiecte țintă. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Configurarea unui senzor optic cu laser

Pentru aplicația privind curbele transportorului descrisă mai sus, senzorul laser Q5X trebuie montat imediat după curbă pentru a detecta cât mai repede blocajul. Dispozitivul are doi indicatori de ieșire, un afișaj și trei butoane. Acesta trebuie montat pe un suport pentru a asigura cea mai bună fiabilitate de detecție și performanță MOS. În figura 8 este prezentată o sugestie de orientare. Senzorul laser este apoi cablat, după cum se arată în figura 9.

Figura 8: Senzorul laser Q5XKLAF10000-Q8 funcționează cel mai bine atunci când este montat la 90 de grade față de fluxul de obiecte țintă. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Figura 9: Conexiunea electrică și de semnal pentru senzorul laser se realizează printr-un conector M12 standard. Această diagramă prezintă configurația unui sistem analogic de la 0 la 10 volți. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

După ce a fost orientat și alimentat, senzorul laser trebuie introdus pe suprafața sa de referință. Aceasta este partea benzii transportoarei sau a altui dispozitiv de fixare care reflectă lumina atunci când niciun obiect nu trece prin fasciculul senzorului. Selectarea suprafeței de referință optime este esențială pentru performanța generală a senzorului laser. Această suprafață trebuie să aibă un finisaj mat sau difuz, să nu prezinte urme de ulei, apă sau praf, să aibă o locație permanentă și să nu fie supusă la vibrații. De asemenea, suprafața trebuie să fie cuprinsă între 200 mm și raza maximă de detecție. Obiectele care urmează să fie detectate trebuie să treacă cât mai aproape de senzor și cât mai departe posibil de suprafața de referință.

Senzorul laser Q5X se programează cu ajutorul butoanelor și al afișajului. Programarea se realizează prin accesarea meniurilor și introducerea valorilor pentru parametrii funcționali. De exemplu, un parametru cheie este „modul dual”; acest mod înregistrează distanța și cantitatea de lumină primită de la suprafața de referință. Senzorul înregistrează apoi un obiect care trece între senzor și suprafața de referință atunci când distanța percepută sau cantitatea de lumină returnată se modifică.

Un alt parametru important care necesită programare este „retro-reflexia blocajului”. Aceasta este o extensie a modului dual care optimizează detectarea blocajului atunci când este prezent un fundal. Se stabilește o valoare independentă a intervalului de blocaj, care definește mișcarea minimă a obiectului necesară pentru a fi calificat drept „neblocat”, care, în combinație cu un prag de intensitate determinat automat, determină că un obiect este în mișcare. Există un mod similar de „învățare” pentru a optimiza detectarea blocajului atunci când nu este prezent niciun fundal.

Concluzie

Menținerea în funcțiune a transportoarelor automatizate din fabrici este importantă pentru a menține productivitatea și a garanta siguranța lucrătorilor. Dar chiar și pe cele mai bune linii de producție se mai întâmplă blocaje. Cu toate acestea, abordările convenționale utilizate pentru a detecta aceste blocaje declanșează adesea alarme false. După cum s-a arătat, ultima generație de senzori laser de la companii precum Banner Engineering are caracteristici avansate care reduc la minimum detecțiile false și sunt relativ ușor de instalat și de programat pentru performanță optimă.