Jste zde

Jak pracuje automatická separace produktů z dopravníku ?

Antonín Vojáček, 29. Listopad 2016 - 20:43

V automatických výrobních linkách, kde se využívá dopravy výrobků a produktů po pohybujících se dopravních pásech, je nutné zajistit i automatickou separaci a třídění produktu dle jejich vlastností (hmotnost, velikost, přítomnost některých látek apod.). K tomuto účelu je nutné využít různých separačních zařízení, které musí být co nejpřesněji ovládány řídící elektronikou.

V současném průmyslovém světě plné pásové výroby a automatických linek je nutné zajistit výběr či separaci určitých produktů, které vykazují určitý žádoucí či nežádoucí znak. Často je to nutné provést z "nekonečné šňůry" blízko za sebou rychle se pohybujících produktů, aby bylo dosaženo co nejvyšší produkce v počtech kusů za minutu (ks/min). Typickým praktickým příkladem z potravinářského průmyslu či jiných podobných odvětví je vyřazení produktu, u něhož byla detektorem kovů zjištěna nežádoucí kontaminace kovem či průběžnou kontrolní váhou zjištěna nežádoucí nadváha či podváha. Takový produkt musí být vyřazen (často vystrčen z pásu) velmi rychlým pneumatickým shrnovačem. Jak však zajistit, aby si byl došlo k identifikaci, resp. vyřazení, toho správného v záplavě ostatních? Často se využívá paměťové posuvné fronty (registru) typu FIFO, taktovaného dle rychlosti dopravního pásu.

Řízení vzdáleně umístěného separátoru

Celou funkci řízení vzdáleného separačního zařízení lze přiblížit například na zařízení detektoru kovů, který průběžně hlídá přítomnost kovu v produktu nejen v potravinách (např. v balení mouky) během jeho kontinuálním pohybu po dopravníku pohybu. V případě zjištění kovové částice v balení musí být aktivován separátor, který konkrétní balení bezpečně odstraní z pásu, například vystrčí ho pneumatickým hrabicovým shrnovačem. Na první pohled to vypadá jako triviální záležitost, prostě v případě vydetekování kovu, detektor sepne svůj spínaný výstup, který uvede v činnost ventil separátoru a ten balení vyřadí.

Často používaným typem separačního zařízení bývá pneumatický hrabicový separátor.

V praxi to však obvykle tak jednoduché není, protože obvykle separátor nemůže být umístěn v takové blízkosti detektoru kovů, aby se na pase mezi ním a separátorem vyskytoval vždy jen jeden produkt. V praxi se téměř vždy v tomto úseku vyskytuje více balení, někdy i několik desítek a z nich libovolný počet může být kontaminován kovem a libovolný počet je v pořádku. Řídící elektronika separace si tedy musí virtuálně pamatovat, u kterého produktu bylo zjištěn kov a musí sledovat jeho pohyb, aby aktivovala mechanickou funkci separátoru právě v době (ve správný okamžik), kdy se balení vyskytuje (právě projíždí) před separátorem a tím zároveň zanechat na páse všechny ostatní balení, které jsou v pořádku.

Pro rozbor vlivů na separaci lze systém zjednodušit na virtuální situaci, že je zajištěno, že vždy v prostoru mezi detektorem a separátorem se pohybuje jen jeden produkt. Pak stačí celé řízení separace realizovat optozávorou a jednoduchým časovačem. V případě zjištění kovu detektorem, který to zasignalizuje separační elektronice, stačí pouze optozávorou zjistit přesnou "startovní pozici" balení a od sepnutím optozávory začít počítat časovačem prodlevu (zpoždění), po jejíž uplynutí dojde k mechanickému vybavení separátoru a "vyšoupnutí" produktu. Pokud je velikost prodlevy, která je závislá na rychlosti pohybu dopravního pásu a vzdálenosti separátoru od optozávory, vypočítána správně, separátor mechanicky spustí zrovna v momentě, kdy se předním balení vyskytuje. Rychlost pásu může být do systému zadána konstantou v případě konstantní rychlostí dopravníku, nebo v případě proměnné rychlosti je nutné použít snímač rychlosti (např. železného oběžného kola s otvory a indukčním senzorem). Prakticky jde o jednoduchou úlohu.

Pokud však v úseku mezi detektorem a separátorem se přepravuje více balení (například 10) často v předem nedefinovaném a nezaručitelném počtu a tedy i rozestupech, je situace již obtížnější. Například v počtu 10 balení může být žádný, 1, 2 nebo klidně i 10 kovem kontaminovaných produktů. Pokud by se měl použít výše uvedený systém s časovače, muselo by být připraveno 10 nezávislých časovačů, pokud by nastal ten nejhorší případ. Takový počet však není již běžný a tak to realizovaný řídící systém není snadno a hlavně univerzálně realizovatelný pro různé rozměry produktů, resp. počtu balení.

Příklad reálné situace z potravinářství - detektor kovů s optozávorou a vzdáleně umístěný separátor kovem kontaminovaných produktů.

Řešením je tzv. posuvný registr, který prakticky v elektronické podobě simuluje situaci na dopravním pásu. Začátek registru je dán na dopravníku optozávorou a konec registru samotným umístěním separátoru. Mezi začátek a koncem registru se postupně posouvají hodnoty log. 1 a log. 0 (označující balení s kovem a bez něho) stejnou rychlostí jako produkty na páse. Pak prostě v době, kdy stav log. 1 dorazí na konec posuvného registru, dorazí produkt i před separátor a ten jej tedy může vyřadit. Jeho aktivaci tak prakticky výkonná samotná log. 1, která se přesune z registru na výstup řídí elektroniky separátoru, který okamžitě aktivuje pneumatický ventil a ten provede vysunutí hrabice shrnovače. Na začátku stav log. 1 vygeneruje současným "nahozením" výstupu detektoru kovů a optozávory. Pokud tedy bude výstup detektoru i optozávory log. 1, vygeneruje se stav log. 1 i na začátku posuvného registru a počne se posouvat. Pro potřeby představy celé funkce to lze blokově znázornit zapojením monostabilního klopného obvodu (MKO) a posuvném registru.

Blokové znázornění funkce řízení separátoru pomocí monostabilního klopného obvodu (MKO) generující impuls při aktivním výstupu optozávory i detektoru a posuvného registru. V praxi je vše samozřejmě realizované softwarově například v PLC.

Návrh a časování posuvného registru

Předchozí výsledek se tedy zdá být také jednoduchý, stačí jen v paměti řídící elektroniky či PLC realizovat posuvný registr, ale podstatné je jakou zvolit jeho velikost a jak ho časovat. Jde o to, že kontinuální pohyb pásu je nutné simulovat konečným počtem bitů a postupný posun logických stavů v registru vhodně taktovat, tak aby součin počtu bitů registru a délky taktu dal výslednou hodnotu zpoždění optozávora-separátor co možná nejbližší reálnému času potřebnému k posunutí produktu od optozávory přes separátor.

Dále je nutné z důvodu získání vhodné pozice zařízení v místě vyřazovače, volit počet bitů větší než maximální počet balení, které se mohou za sebe naskládat v úseku optozávora-separátor, protože nikdy se dopředu neví, jak se synchronizuje protnutí paprsku optozávory a taktu. Čím přesněji chceme zajistit umístěné separovaného produktu vzhledem k separačnímu místu (zkrátit oblast určenou k vyřazování), tím větší násobek počtu bitů je nutné volit.

Požadavky na posuvný registr:

počet bitů N >= vzdálenost optozávora-separátor [m] / (0.25 x délka balení ve směru přepravy [m])
hodinový takt pro posun [s] = vzdálenost optozávora-separátor [m] / (rychlost pásu [m/s] x počet bitů)

V uvedených vzorcích je použito 4x větší počet bitů než je maximální počet balení za sebou na páse, což je dobrý kompromis mezi počtem bitů registru a "nejistotou". Samozřejmě v případě výše uvedené konkrétní situace s detektorem kovů by bylo možné pro výpočet použít místo délky balení šířku dutiny detektoru kovů, protože při vyhlášení přítomnosti kovu, je nutné vždy vyřadit celý obsah v té době přítomný v dutině detektoru.

Závěr

Cílem tohoto článku bylo ukázat jeden z principů vhodný pro potřeby automatické separace a rozřazování produktu na dopravnících využívaných v automatických zařízeních ve výrobních linkách například potravinářského, chemického, či farmaceutického průmyslu. Zde nastíněný princip se dost využívá a lze ho dnes snadno naprogramovat do každého MCU či realizovat v malém PLC.

U současných zařízení typu detektoru kovů, X-ray detektory, kontrolní váhy či zařízení pro třídění produktů podle etiket a pod., je již obvykle tento typ řízení separátoru již integrované uvnitř zařízení a již se jen přes jeho zadávací menu zadávaní údaje typu rychlost dopravního pásu, vzdálenost a typ separátoru. Stejný princip se pak používá i ve zdánlivě jiných případech, například pokud chceme u pásové váhy registrovat (načítat) navážené množství v jiném místě dopravníku než v jakém je váha fyzicky instalována.