A futószalag elakadásával kapcsolatos téves riasztások kiküszöbölése az automatizált gyárak termelékenységének növelése érdekében

A gyorsan mozgó futószalagokat széles körben használják az automatizált gyárakban a termelés felgyorsítására és a hatékonyság növelésére. De időnként a dolgok elromolhatnak. Gyakori probléma az elakadás. Egy tárgy elakad, majd a többi gyorsan feltorlódik mögötte. Ez nem csak az áteresztőképesség szempontjából és a futószalagrendszerre nézve káros, de a közelben dolgozókra nézve is veszélyes lehet.

Az elakadások kiküszöbölésére az egyik megoldás a lézeres érzékelő. A futószalagon átvetített sugárnyaláb és a visszaverődés érzékelése révén az érzékelő észlelni tudja az elakadt tárgyakat, és leállíthatja a rendszert, mielőtt kár keletkezne. Bár a lézeres érzékelők telepítése és használata egyszerű, mégsem bolondbiztosak. Ha például több tárgy mozog együtt, de nincs köztük rés, a rendszer arra következtethet, hogy elakadás történt, és szükségtelenül leállítja a futószalagot.

A legújabban bemutatott lézeres érzékelők a fejlettebb optikai technika és szoftveralgoritmusok használatával csökkentik a téves riasztások számát.

Ez a cikk röviden ismerteti az elakadásérzékeléshez használt kétféle fényérzékelőt: a világítódiódást (azaz LED-est) és a lézerest. Ezután a visszaverődési időt (ToF, time-of-flight) mérő lézerre összpontosít, és megvizsgálja azokat a kulcsfontosságú tényezőket, amelyek meghatározzák az érzékelő teljesítményét. A későbbiekben bemutatja a Banner Engineering egy valós lézeres visszaverődésiidő-mérős érzékelőjét is, és leírja, hogyan kell beállítani egy ilyen érzékelőt egy futószalag elakadását érzékelő készülék esetében.

Mi az a lézeres érzékelő?

A lézeres érzékelő folyamatos fénysugarat használ a tárgyak észlelésére és a távolságuk meghatározására. Tárgy hiányában a fény egy rögzített referenciafelületről verődik vissza. Ha azonban egy tárgy keresztezi a fénysugarat, a fény más erősséggel és rövidebb távolságból verődik vissza, és így működésbe hozza az érzékelőt. A világítódiódás érzékelő is képes fény segítségével érzékelni a tárgyak jelenlétét, és általában olcsóbb, de a költségkülönbség az elmúlt években csökkent, és a lézeres érzékelő műszakilag több szempontból is jobb.

Például a világítódiódás érzékelőkhöz képest a lézeres érzékelők lényegesen nagyobb érzékelési tartományt és nagyobb érzékelési pontosságot kínálnak. A szigorúan szabályozott lézersugár ráadásul kis pontot hoz létre nagy távolságban, jó visszaverődéssel, még a rosszul tükröződő felületekről is. Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik, hogy a lézeres érzékelők apró tárgyakat, akár vékony szálakat is érzékeljenek. További előnye, hogy a lézeres érzékelő képes a tárgyakat lyukakon vagy szűk nyílásokon keresztül is érzékelni (1. ábra).

1. ábra: A lézeres érzékelők még a rosszul tükröződő felületű tárgyakról is jó visszaverődést nyújtanak (kép: Banner Engineering)

A lézeres érzékelők kétféle technikát használnak az érzékelt objektum távolságának meghatározására: ezek a háromszögelés és a sugár visszaverődési idejének mérése. A háromszögelési technika a visszavert fény szögét használja az érzékelőtől való távolság meghatározására. A visszaverődésiidő-mérő érzékelők, ahogy a nevük is mutatja, azt az időt mérik, amennyi alatt a lézersugár eljut a tárgyig és vissza. Ezután a rendszer az ismert fénysebesség (c) segítségével kiszámítja a tárgytól való távolságot az egyszerű képlet segítségével: s = t/2 × c, azaz a távolság a tárgytól méterben (m) = visszaverődési idő másodpercben (s)/2 × fénysebesség méter/másodpercben (m/s) (2. ábra).

2. ábra: A visszaverődésiidő-mérő technika megméri, hogy mennyi idő alatt jut el a fényimpulzus az objektumig és vissza, majd egy egyszerű képlet segítségével kiszámítja az objektum távolságát (kép: Banner Engineering)

A háromszögelést használó lézeres érzékelők olcsóbbak és kis, legfeljebb 100 mm-es távolságok esetén pontosabbak is. A visszaverődési időt mérő típusok jobbak a nagy távolságok mérésére, akár 24 m-ig. A futószalagok elakadását érzékelő eszközökhöz a lézeres érzékelőnek több méteres távolságban kell működnie, ezért a cikk további részében csak az utóbbi típussal foglalkozunk.

A lézeres érzékelők kiválasztási szempontjai

Bár a lézeres érzékelők műszakilag jobbak a világítódiódás eszközöknél, gondos kiválasztás szükséges ahhoz, hogy az adott feladatra a legjobb érzékelőt válasszuk.

A figyelembe veendő legfontosabb paraméterek a következők:

• Megismételhetőség (vagy reprodukálhatóság): Ez a jellemző azt mutatja, hogy az érzékelő mennyire megbízhatóan képes ugyanazt a mérést megismételni azonos körülmények között. Például a 0,5 mm-es megismételhetőség azt jelenti, hogy ugyanazon célpont több mérésének eredménye ±0,5 mm-en belül lesz.
• Legkisebb objektumelkülönítés (MOS, minimum object separation): Az a legkisebb távolság, amennyire a célobjektumnak lennie kell a hátterétől ahhoz, hogy az érzékelő megbízhatóan észlelje. A 0,5 mm-es legkisebb objektumelkülönítés azt jelenti, hogy a célobjektumnak legalább 0,5 mm-re kell lennie a háttértől (3. ábra).
• Felbontás: Az legkisebb távolságbeli változás, amit érzékelő még képes érzékelni. A 0,5 mm-es felbontás azt jelenti, hogy az érzékelő 0,5 mm-es változások érzékelésére képes. Ez a paraméter ugyanaz, mint a legjobb esetre vonatkozó megismételhetőség, de tűrés helyett abszolút értékként van kifejezve.
• Pontosság: A tényleges és a mért értékek közötti különbség. Egy etaloncél nélküli ismeretlen távolság mérési pontosságának értékelésére szolgál. Ez az érték akkor hasznos, ha több érzékelőtől származó méréseket hasonlítunk össze.
• Linearitás: Ez a pontosság helyett használható paraméter olyankor, amikor egy ismert etaloncélhoz képest vizsgáljuk a mérések relatív változásait. Ez hasonló az analóg érzékelők 4 mA-es és 20 mA-es pontjának kalibrálásához, ahol minden távolságmérés a betanítási körülményekhez viszonyítva történik.

3. ábra: A legkisebb objektumelkülönítés (MOS) az a legkisebb távolság, amennyire a célobjektumnak lennie kell háttértől ahhoz, hogy az érzékelő megbízhatóan észlelje (kép: Banner Engineering)

A lézeres érzékelő kiválasztása azzal kezdődik, hogy a képességeit a feladat mérési paramétereihez kell igazítani. Nem mindegy például, hogy az érzékelendő objektumok centiméterekre vagy több méterre vannak-e egymástól. Vannak azonban további kiválasztási szempontok is, amelyek az észlelendő objektumok színétől és fényvisszaverő képességétől függnek.

A lézeres érzékelő optimalizálása kihívást jelentő célpontokhoz

A lézeres érzékelők számára általános kihívást jelentenek az erősen fényvisszaverő felületű, illetve a sötét vagy matt felületű tárgyak. Az előbbivel való megbirkózáshoz a mérnöknek olyan lézeres érzékelőt kell választania, amely automatikus erősítéshelyesbítéssel van ellátva, hogy a készülék csökkentse az erősítést, azaz csökkentse a lézer fényerejét és ezáltal a visszavert fény nagyságát. Az erősítéshelyesbítés segíti a pontosság fenntartását. Sötét vagy kis fényvisszaverésű tárgyak keresésekor a visszavert jel nagyon gyenge és nehezen észlelhető lehet. A megoldás: olyan lézeres érzékelőt kell választani, amely automatikusan növeli az erősítést, hogy a visszavert jelet felerősítve megbízhatóan észlelje azokat a célpontokat, amelyeket más érzékelők nehezen tudnának észrevenni.

Számos feladathoz az erősen fókuszált fényfolt az ideális. A kis méretű fényfolt használható a legjobban például azokban az esetekben, amikor a célpont sokszínű. A fókuszált fényfolttal az egységes és megbízható tükröződés érdekében meg lehet célozni egyetlen színt a sokszínű célobjektumon (4. ábra, fent). A kis fényfolt a barázdált felületek egy adott pontjára fókuszáláshoz is hasznos. Az ilyen fókuszálás megint csak pontos mérési eredményt ad (4. ábra, alul).

4. ábra: Az erősen fókuszált fényfolt sokszínű és barázdált felületek esetén is megbízható eredményt ad (kép: Banner Engineering)

A fókuszált fényfoltú lézeres érzékelő azonban nem minden feladat esetében jelent ideális megoldást. Vannak esetek, amikor egy nagyobb, szórtabb fényfolt a jobb választás. Például egy érdes felületet megvilágító nagy fényfolt lehetővé teszi a visszavert fény átlagolását a nagyobb mérési stabilitás érdekében (5. ábra).

5. ábra: Érdes felületeken jobban használható egy szórtabb fényfolt, mert ekkor átlagolni lehet a magasabb és alacsonyabb területekről érkező visszaverődéseket (kép: Banner Engineering)

A futószalag elakadásainak elhárítása

A gyorsan mozgó gyári futószalagok hajlamosak lehetnek az elakadásra, különösen a kanyarokban, ahol a csomagok gyorsan felhalmozódhatnak a kanyar kijáratánál. A kanyarokban a rendszer hajlamos a téves elakadásjelzésre is, mert a csomagok tömeges áramlása miatt gyakran kicsi a térköz a hagyományos érzékelők számára az elakadás észleléséhez (6. ábra).

6. ábra: A futószalagok kanyarjaiban a rendszer hajlamos a téves elakadásjelzésre, mert a csomagok tömeges áramlása miatt gyakran kicsi köztük a térköz a hagyományos érzékelők számára a mozgás hiányának érzékelésére (kép: Banner Engineering)

A téves elakadásjelzések kivédésének elterjedt megoldásai gyakran több gondot okoznak, mint amennyit elhárítanak. A jellegzetes módszerek közé tartozik a késleltető időzítők használata, hogy időt adjunk a téves elakadásjelzések „törlődésére”. Bár az ilyen késleltetések akár működhetnek is, egy komolyabb tényleges elakadás esetén késik a reakció, ami a berendezés nagyobb mértékű károsodását okozhatja, mert sok csomag halmozódhat fel, és megterhelheti a futószalag alkatrészeit. Ráadásul az elakadással járó erők károsíthatják a futószalagon megrekedt árut is. Végül pedig a komolyabb elakadások elhárítása gyakran olyan munkásokra van bízva, akik a késleltetési idő alatt úgynevezett elakadáselhárító rudakkal próbálják megtisztítani az útvonalat. Ez kockázatot jelent, mert a munkások veszélyes területekre lépnek be, miközben a nagy villanymotorok még mindig járnak.

A téves elakadásjelzések gyakoriak: a Banner Engineering idézi egy ügyfelét, akinél a hagyományos érzékelési módszerekkel „észlelt” futószalag-elakadások 82%-a téves riasztás volt. A téves riasztások nemcsak kárt okoznak és veszélyeztetik a dolgozókat, de pénzbe is kerülnek. Ezek a költségek a következők:

• a termelékenység csökkenése
• a futószalag utáni részeken feladathiány alakul ki
• a karbantartó személyzet által téves hibák diagnosztizálásával elvesztegetett idő
• a futószalagrendszerek elhasználódása a folyamatos leállítás és indítás miatt

Erre a műszaki kihívásra a megoldás egy olyan lézeres érzékelő, amely minimálisra csökkenti a téves elakadásészleléseket, ugyanakkor gyorsan reagál a tényleges elakadásokra. Az egyik lehetőség erre a Banner Engineering visszaverődési időt mérő érzékelőinek Q5X termékcsaládjába tartozó Q5XKLAF10000-Q8 jelű érzékelő (7. ábra). Ez az érzékelő 50 mm és 10 m közötti tartományban működik, a megismételhetősége ±0,5–10 mm, a legkisebb objektumelkülönítése 1–70 mm, a felbontása 1–30 mm, a linearitása ±5–150 mm, a pontossága pedig ±3–150 mm. Ez a lézeres érzékelő automatikus erősítéshelyesbítéssel is el van látva, és a reakcióideje a felhasználó által választhatóan 3, 5, 15, 25 vagy 50 ms.

A Q5XKLAF10000-Q8 további fő jellemzői, amelyek különösen alkalmassá teszik a futószalagokhoz való használatra, a következők:

• beépített elakadásérzékelő algoritmus, amely nem a térközöket használja a csomagáramlás érzékelésére
• különböző csomagtípusok, többek közt dobozok, palackok és műanyag tasakok felismerésének képessége
• ágazati szabványú M12-es csatlakozó
• többféle tartókonzol

7. ábra: A Q5XKLAF10000-Q8 lézeres érzékelő egy kis méretű futószalag-elakadásérzékelő olyan beépített elakadásérzékelő algoritmussal ellátva, amely nem a térközöket használja a célobjektumok áramlásának érzékelésére (kép: Banner Engineering)

Az optikai lézeres érzékelő beállítása

A fent vázolt futószalagkanyar-probléma megoldására a Q5X lézeres érzékelőt a legkorábbi elakadásérzékelés érdekében közvetlenül a kanyar után kell felszerelni. A készülék két kimeneti visszajelzőt, egy kijelzőt és három gombot tartalmaz. A legjobb érzékelési megbízhatóság és a minél jobb legkisebb objektumelkülönítés érdekében tartókonzolra kell szerelni. A készülék javasolt tájolása a 8. ábrán látható. A lézeres érzékelőt ezután a 9. ábrán látható módon kell bekötni.

8. ábra: A Q5XKLAF10000-Q8 lézeres érzékelő akkor működik a legjobban, ha 90°-ban van elhelyezve a célobjektumok áramlási irányához képest (kép: Banner Engineering)

9. ábra: A lézeres érzékelő villamos bekötése és jelcsatlakozása egy szabványos M12-es csatlakozó segítségével történik. Ezen az ábrán egy 0–10 V-os analóg rendszer beállítása látható (kép: Banner Engineering)

A lézeres érzékelőnek a tájolás és a bekapcsolás után „be kell mutatni” a referenciafelületet. Ez a futószalag vagy más berendezés azon része, amely visszaveri a fényt, amikor az érzékelősugár előtt nem halad át semmilyen objektum. Az optimális referenciafelület kiválasztása kulcsfontosságú a lézeres érzékelő általános teljesítménye szempontjából. Ennek a felületnek mattnak vagy a fényt szétszóró felületkezelésűnek, olaj-, víz-, por- és rezgésmentesnek és állandó helyzetűnek kell lennie. A felületnek emellett a készüléktől számítva 200 mm és a legnagyobb érzékelési tartomány között kell lennie. Az érzékelendő objektumoknak a lehető legközelebb kell elhaladniuk az érzékelő előtt, és a lehető legtávolabb a referenciafelülettől.

A Q5X lézeres érzékelőt a gombok és a kijelző segítségével lehet programozni. A programozás a menük megnyitásával és a funkcionális paraméterek értékeinek megadásával történik. Az egyik legfontosabb paraméter például a „kettős üzemmód”. Ez az üzemmód rögzíti a referenciafelület távolságát és az onnan kapott fény mennyiségét. Az érzékelő ezután akkor érzékeli a közte és a referenciafelület között áthaladó tárgyat, amikor az érzékelt távolság vagy a visszavert fény mennyisége megváltozik.

Egy másik fontos paraméter, amely programozást igényel, „az elakadás fényvisszaverése”. Ez a kettős üzemmód kiterjesztése, amely valamilyen háttér jelenléte esetén optimalizálja az elakadásérzékelést. Be kell állítani egy független elakadásitartomány-értéket, amely megszabja a „nincs elakadás” minősítéshez szükséges legkisebb tárgymozgási sebességet, ez pedig egy automatikusan meghatározott fényerősség-küszöbértékkel kombinálva azt adja ki, hogy az objektum mozog. Van ezenfelül egy betanítási üzemmód is az elakadásérzékelés optimalizálására abban az esetben, amikor nincs háttér.

Összegzés

A termelékenység fenntartása és a dolgozók biztonságának garantálása érdekében fontos, hogy az automatizált gyárakban használt futószalagok mozgásban maradjanak. De még a legjobb gyártósorokon is előfordulnak elakadások. Az ilyen elakadások észlelésére használt hagyományos módszerek azonban gyakran téves riasztásokat váltanak ki. Mint látható, egyes cégek, például a Banner Engineering legújabb generációs lézeres érzékelői fejlett funkciókkal rendelkeznek, amelyek minimálisra csökkentik a téves elakadásészlelést, és viszonylag könnyen telepíthetők és programozhatók az optimális teljesítmény elérésére.