מנע אזעקות שווא של מסועים כדי להעלות‏ פרודוקטיביות אוטומציה של מפעל

מסועים הנעים במהירות נמצאים בשימוש נרחב באוטומציה של מפעלים כדי להאיץ ייצור ולהגדיל יעילות. אבל לפעמים דברים יכולים להשתבש. בעיה שכיחה היא פקק-פריטים (Jam); פריט אחד נתקע, ואחר כך האחרים נערמים במהירות מאחוריו. זה רע לא רק עבור התפוקה ונזק למערכת המסוע‏, אלא יכול גם להיות מסוכן לעובדים בסביבה.

גלאי לייזר ‏הוא פתרון אחד כדי למנוע פקקים (jams) אלה. על ידי שליחת קרן לרוחב המסוע וגילוי ההחזרה, החיישן יכול לבדוק אם יש פריטים תקועים ולעצור את המערכת לפני שנגרם נזק. גלאי לייזר, בעוד פשוטים להתקנה ושימוש, אינם חסינים מטעויות. לדוגמה, אם מספר פריטים נעים, אך אין מרווח ביניהם, המערכת יכולה להגיע למסקנה שיש פקק-פריטים (jam) ולעצור את המסוע ללא צורך.

השקות אחרונות של מוצרי חיישן לייזר מפחיתות את מספר אזעקות השווא על ידי מינוף טכנולוגיות אופטיות מתקדמות יותר ואלגוריתמים של תוכנה.

מאמר זה מתאר בקצרה את שני סוגי חיישן האור המשמשים עבור גילוי פקק-פריטים: LED‏ ולייזר. אחר כך הוא מתמקד בזמן-הטיסה (time-of-flight‏ (ToF)) של לייזר ושוקל את גורמי המפתח הקובעים את ביצועי החיישן. המאמר גם‏ מציג חיישן לייזר עם ToF של העולם-האמיתי מבית Banner Engineering ומדגים כיצד יש להציבו עבור יישום גילוי פקק-פריטים על מסוע.

מה זה חיישן לייזר?

חיישן לייזר משתמש בקרן אור‏ קוהרנטי כדי לגלות‏ אובייקט ולסייע בקביעת מרחקו. בהעדר אובייקט, אור מוחזר ממשטח ייחוס קבוע. עם זאת, אם‏ אובייקט חוצה את הקרן, אור מוחזר בעוצמה שונה וממרחק קצר יותר ובכך מעורר את החיישן. חיישן LED‏ יכול גם כן לגלות נוכחות של‏ אובייקטים תוך שימוש באור, ונוטה להיות פחות יקר, אך מרווח העלות נסגר בשנים האחרונות, וחיישן הלייזר עדיף מבחינה טכנית בכמה דרכים.

לדוגמה, בהשוואה לחיישני LED‏, סוג הלייזר מציע‏ טווח חישה גדול משמעותית ודיוק גילוי גבוה יותר. יתר על כן, קרן הלייזר המבוקר באופן הדוק מייצרת נקודה קטנה לאורך‏ טווח גדול עם החזרה טובה, אפילו ממשטחי החזרה גרועים. מאפיינים כאלה מאפשרים לחיישני לייזר, לדוגמה, לגלות אובייקטים זעירים, אפילו עד כדי סיבים דקים. יתרון נוסף הוא שחיישן לייזר יכול לגלות אובייקטים דרך חורים או פתחים צרים (איור 1‏).

איור 1‏: חיישני לייזר מציעים החזרה טובה אפילו ממוצרים עם משטחי החזרה גרועים. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

חיישני לייזר משתמשים בשתי טכניקות כדי לקבוע את המרחק אל האובייקט הנגלה: טריאנגולציה או קרן ToF. טכניקת הטריאנגולציה משתמשת בזווית של האור המוחזר כדי לקבוע את מרחקו מהחיישן. חיישני ToF, כפי שמעיד השם, מודדים את הזמן הלוקח לקרן לנוע אל האובייקט וחזרה. אחר כך הם משתמשים במהירות האור (“c”) הידועה כדי לחשב את המרחק אל האובייקט תוך שימוש בנוסחה הפשוטה: מרחק אל האובייקט במטרים (m)‏ = 2/ToF בשניות (s‏) x‏ c במטרים לשנייה (s‏/m‏) (איור 2‏).

איור 2: טכניקת ToF למדידת הזמן שלוקח לפולס אור לנוע אל האובייקט וחזרה, ואחר כך מפעילה נוסחה פשוטה כדי לחשב את המרחק אל האובייקט. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

חיישני לייזר המשתמשים בטריאנגולציה הם פחות יקרים ומדויקים יותר למרחקים קצרים עד 100 מ"מ. סוגי ה-ToF הם טובים יותר עבור גילוי למרחק גדול, עד 24‏ מטר. יישומי גילוי פקק-פריטים על מסוע דורשים שחיישן הלייזר יעבוד בטווח של מספר מטרים, כך שעבור יתרת מאמר זה רק הסוג האחרון יילקח בחשבון.

קריטריון הבחירה של חיישני לייזר

בעוד חיישני לייזר הם עדיפים טכנית על התקני LED, נדרשת בחירה קפדנית כדי להבטיח שנבחר החיישן הטוב ביותר עבור יישום מסוים.

פרמטרים עיקריים שיש לקחת בחשבון כוללים:

• עקביות מדידה חוזרת (או הדירות): זה מתייחס לשאלה באיזו אמינות החיישן יכול לחזור על אותה מדידה באותם תנאים. לדוגמה, עקביות מדידה חוזרת של‏ 0.5 מ"מ משמעותה שמדידות חוזרות של אותה מטרה יהיו כולן בטווח של 0.5‏± מ"מ.
• הפרדה מינימלית של אובייקט (MOS‏): זה מתייחס למרחק המינימלי‏ שמטרה חייבת להיות מופרדת מהרקע שלה כדי להתגלות באמינות על ידי החיישן. MOS‏ של‏ 0.5 מ"מ משמעותה שהחיישן יכול לגלות אובייקט שהוא לפחות 0.5 מ"מ רחוק מהרקע (איור 3‏).
• רזולוציה: זו‏ מידה של השינוי הקטן ביותר במרחק שחיישן יכול לגלות. רזולוציה של‏ 0.5 מ"מ משמעותה שהחיישן יכול לגלות שינויי מרחק עד כדי 0.5 מ"מ. מפרט זה הוא זהה לעקביות מדידה חוזרת במקרה הטוב ביותר, אך מבוטא במספר מוחלט במקום טולרנס.
• דיוק: זה ההפרש בין הערך האקטואלי לערך הנמדד. הוא משמש‏ להעריך דיוק-חוזר של מדידה ‏של מרחק לא ידוע ללא מטרת ייחוס. מדידה זו היא‏ שימושית כשמשווים מדידות מחיישנים מרובים.
• לינאריות: זה פרמטר‏ חלופי לדיוק כשמתבוננים בשינויים יחסיים במדידות ממטרת ייחוס ידועה. היא דומה לכיול נקודות ה-4 ו-‏20‏ מילי-אמפר (mA‏‏) עבור‏ חיישן אנלוגי, היכן שכל מדידות המרחק הן אחר כך ביחס לתנאים הנלמדים.

איור 3: MOS הוא המרחק המינימלי שמטרה חייבת להיות מופרדת מהרקע שלה כדי שתתגלה באמינות על ידי החיישן. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

בחירת חיישן‏ לייזר מתחילה עם התאמת היכולת שלו למאפיינים הממדיים של היישום. לדוגמה, האם האובייקטים שיש לגלות נמצאים במרחק של סנטימטרים או מספר מטרים. אך ישנם קריטריונים של בחירה נוספים תלוי בצבע ומידת ההחזרה של האובייקט שיש לגלות.

מיטוב חיישן הלייזר עבור מטרות מאתגרות

אתגרים נפוצים עבור חיישני לייזר כוללים אובייקטים עם משטחים מחזירי-אור במיוחד ואלה עם משטחים כהים או מט. כדי להתמודד עם הסוג הראשון, על המהנדס לבחור חיישן‏ לייזר עם קיזוז הגבר אוטומטי כך שההתקן יקטין את ההגבר שלו לעוצמת לייזר נמוכה יותר, ובהתאם עוצמת האור המוחזר. קיזוז הגבר מסייע לשמור על דיוק. כשמסתכלים על אובייקטים כהים או מחזירי-אור גרועים, האות החוזר יכול להיות חלש מאוד וקשה לגילוי. פתרון אחד הוא להגדיר‏ חיישן לייזר שמגדיל אוטומטית את ההגבר שלו כדי להגביר את האות המוחזר ולגלות באמינות מטרות שחיישנים אחרים עלולים להתקשות להבחין בהן.

עבור יישומים רבים, קרן‏ ממוקדת באופן הדוק היא‏ אידיאלית. לדוגמה, ‏נקודה קטנה עובדת באופן הטוב ביותר במצבים בהם המטרה מכילה מספר צבעים. נקודה ממוקדת יכולה להיות מכוונת רק לצבע אחד על מוצר מרובה צבעים לקבלת החזרה ‏עקבית ואמינה (איור 4‏, למעלה). נקודת קרן קטנה היא גם יעילה עבור מיקוד בנקודה מסוימת של משטח‏ בעל תבנית מוגבהת (profiled surface). מיקוד כזה שוב מבטיח עבודה בטוחה (איור 4‏, למטה).

איור 4:‏ נקודה ממוקדת באופן הדוק עובדת באמינות על משטחים מרובי-צבע ובעלי תבנית מוגבהת. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

אך בחירת חיישן לייזר עם נקודה ממוקדת היא לא התשובה לכל היישומים. ישנם מקרים בהם נקודה גדולה יותר, יותר מפוזרת, היא אפשרות טובה יותר. לדוגמה, הארת נקודה‏ גדולה יותר על משטח מחוספס מאפשרת מיצוע של האור המוחזר עבור יציבות מדידה גדולה יותר‏ (איור 5‏).

איור 5: נקודה מפוזרת יותר עובדת טוב יותר על משטחים מחוספסים כי היא נוטה לבצע מיצוע החזרות מאזורים גבוהים ונמוכים. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

פינוי פקקי-פריטים של מסוע

מסועי מפעל הנעים מהר עלולים להיות מועדים לפקקי-פריטים (Jamming), במיוחד בסיבובים, בהם סחורות יכולות להצטבר במהירות ביציאה מהסיבוב. סיבוב גם מועד לפקקי שווא כשהזרימה הגדולה של החבילות מציעה לעתים קרובות מעט רווחים וחיישנים קונבנציונליים מזהים פקק (איור 6‏).

איור 6: סיבובי מסוע מועדים לאזעקות שווא כשהזרימה הגדולה של החבילות מציעה מעט רווחים וחיישנים קונבנציונליים מזהים חוסר תנועה. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

דרכים נפוצות לעקיפת הבעיה של פקקי שווא גורמות לרוב לבעיות רבות יותר משהן פותרות. שיטות אופייניות כוללות הוספת קוצבי-זמן שיהוי כדי לתת זמן לפקקי שווא להתאפס. בעוד השהיות כאלו יכולות לעבוד, במקרה של פקק-פריטים רציני יותר, התגובה מתעכבת ועלולה לגרום ליתר בלאי של הציוד כיוון שיותר חבילות נערמות ומפעילות מאמץ על רכיבי המסוע. יתר על כן, הכוחות המעורבים בפקק-פריטים יכולים לגרום נזק לסחורות התקועות על המסוע. לבסוף, פקקים רציניים מטופלים לעתים קרובות על ידי עובדים שמנסים לפנות את הקו במהלך השיהוי עם מה שנקרא מוטות פינוי פקק. זה מהווה סיכון כיוון שעובדים ניגשים אל אזורים מסוכנים בעוד מנועים חשמליים גדולים עדיין עובדים.

פקקי שווא הם נפוצים: Banner Engineering מצטט‏ת לקוח שגילה ש-82%‏ מפקקי המסוע ש"נתגלו" תוך שימוש בשיטות חישה קונבנציונליות היו אזעקות שווא. אזעקות שווא לא רק גורמות נזק ומסכנות צוות, אלא גם עולות כסף. עלויות אלו כוללות:

• אובדן פרודוקטיביות
• תהליכים במורד הזרם מתעכבים
• אובדן זמן המושקע על ידי צוות תחזוקה באבחון בעיות שווא
• בלאי של מערכות מסוע על ידי עצירה והתנעה מתמדת

הפתרון של אתגר הנדסי זה הוא חיישן‏ לייזר המקטין למינימום זיהוי פקק שווא, ועם זאת מגיב במהירות לחסימות אמיתיות. אפשרות אחת היא ה-Q5XKLAF10000-Q8 מקו המוצרים של חיישני ToF ‏Q5X של Banner Engineering (איור 7‏). חיישן זה עובד בטווח של‏ 50 מ"מ עד ‏10 מטר, הוא בעל עקביות מדידה חוזרת של‏ 0.5‏± עד ‏10 מ"מ, MOS‏ של‏ 1 עד 0‏7 מ"מ, רזולוציה של‏ 1 עד 30‏ מ"מ, לינאריות של‏ 5‏± עד 0‏15‏ מ"מ ודיוק של‏ ‏3‏± עד 0‏15‏ מ"מ. חיישן לייזר זה הוא גם בעל קיזוז הגבר אוטומטי‏ וזמן תגובה ניתן לבחירת משתמש של 3‏, ‏5‏, ‏15‏, 25‏ או 50 מילי-שניות (ms‏).

מאפייני מפתח אחרים של ה-Q5XKLAF10000-Q8 העושים אותו מתאים במיוחד עבור יישומי מסוע כוללים:

• אלגוריתם גילוי פקק-פריטים‏ מובנה שאינו מסתמך על מרווחים כדי לחוש‏ זרימת מארזים
• היכולת לזהות סוגי מארז שונים, כולל קופסאות, בקבוקים ושקיות polybag
• מחבר M12 בתקן תעשיה
• מגוון תושבות הרכבה

איור 7: חיישן הלייזר Q5XKLAF10000-Q8 הוא גלאי פקק-פריטים מסוע קומפקטי הכולל אלגוריתם גילוי פקק-פריטים‏ מובנה שאינו מסתמך על מרווחים כדי לחוש‏ זרימת אובייקט מטרה. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

הצבת‏ חיישן לייזר אופטי

עבור יישום סיבוב במסוע המתואר לעיל, יש להרכיב את חיישן הלייזר Q5X מיד אחרי הסיבוב עבור הגילוי המוקדם ביותר של פקק-פריטים. ההתקן כולל שני מחווני יציאה, תצוגה ושלושה לחצנים. יש להתקינו על תושבת כדי להבטיח את אמינות הגילוי וביצועי ה-MOS הטובים ביותר. אוריינטציה מוצעת מוצגת באיור 8. חיישן הלייזר מחווט אחר כך, כמתואר באיור 9.

איור 8‏: חיישן לייזר Q5XKLAF10000-Q8 עובד באופן הטוב ביותר כשמורכב ב-‏90 מעלות לזרימת אובייקט המטרה. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

איור 9‏: חיבור חשמלי ואותות של חיישן הלייזר הוא דרך מחבר M12 תקני. שרטוט זה מראה את ההתקנה של מערכת אנלוגית 0 עד ‏10 וולט‏. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

לאחר הצבה באוריינטציה והפעלה, יש להציג את חיישן הלייזר למשטח הייחוס שלו. זהו חלק המסוע או מתקן אחר המחזיר אור כשאין אובייקט‏ העובר דרך קרן החיישן. הבחירה של משטח הייחוס האופטימלי היא מפתח לביצועים הכוללים של חיישן הלייזר. משטח זה חייב להתאפיין בגימור משטח מט או‏ מפזר אור, להיות נקי משמן, מים או אבק, להיות בעל מיקום קבוע ונטול רעידות. המשטח צריך להיות גם בין 200 מ"מ לטווח החישה המרבי. פריטים שיש לגלותם צריכים לעבור קרוב ככל האפשר לחיישן ורחוק ככל האפשר ממשטח הייחוס.

חיישן הלייזר Q5X מתוכנת על ידי שימוש בלחצנים ותצוגה. תכנות מושג על ידי גישה לתפריטים והזנת ערכים עבור פרמטרים פונקציונליים. לדוגמה, פרמטר‏ חשוב הוא “אופן עבודה כפול”; אופן עבודה זה רושם את המרחק וכמות האור המתקבלים ממשטח הייחוס. החיישן רושם אחר כך אובייקט העובר בין החיישן ומשטח הייחוס כשהמרחק הנקלט או כמות האור המוחזר משתנים.

פרמטר חשוב נוסף הדורש תכנות הוא‏ “פקק-פריטים רטרו-רפלקטיבי”. זוהי הרחבה של אופן עבודה כפול הממטבת גילוי פקק-פריטים כשנוכח רקע. נקבע ערך תחום פקק-פריטים עצמאי המגדיר את התנועה המינימלית של האובייקט הדרושה כדי להתאים ל"לא פקוק", שבשילוב עם סף עוצמת אור הנקבע אוטומטית, מחליט שהאובייקט נע. יש מצב "למידה" דומה עבור מיטוב גילוי פקק-פריטים כשלא נוכח רקע.‏

סיכום

שמירה על עבודה שוטפת של מסועי אוטומציה של מפעל היא‏ חשובה כדי לשמור על פרודוקטיביות ולהבטיח בטיחות עובדים. אך אפילו בקווי היצור הטובים ביותר, קורים פקקי-פריטים. עם זאת, גישות קונבנציונליות המשמשות לזיהוי פקקי-פריטים אלה מעוררות לעתים קרובות אזעקות שווא. כמתואר, לדור האחרון של חיישני‏ לייזר מחברות כמו Banner Engineering יש מאפיינים מתקדמים המצמצמים למינימום אזעקות שווא, והם קלים יחסית להתקנה ולתכנות עבור ביצועים אופטימליים.