Przemysł opakowaniowy. Część 2 - Kontrola jakości i integracja linii pakowania

Systemy wizyjne są wykorzystywane w sterowaniu robotami pakującymi. W obrębie automatycznych linii technologicznych (nie tylko pakowania) są ponadto używane w kontroli jakości. Monitorują różne właściwości produktów - na przykład kolor, kształt i rozmiary, a w procesie pakowania również m.in. dokładność zamknięcia opakowania, na przykład nakrętki na butelce lub zgrzewu folii, kompletność wypełnienia blistrów, poprawność treści nadruku na etykiecie oraz jej umieszczenia na pudełku.

Zalety systemów wizyjnych to przede wszystkim: szybkość i dokładność inspekcji oraz brak bezpośredniego kontaktu z produktem. Nieinwazyjność tej metody jest ważna zwłaszcza w branży spożywczej. Niestety czasem zdarza się, że system wizyjny przepuszcza uszkodzone produkty, natomiast te zapakowane poprawnie uznaje za wybrakowane. Są to symptomy awarii, której przyczyny mogą mieć charakter mechaniczny, elektryczny albo optyczny. Źródłem problemów bywa nawet sam obiekt inspekcji. Dalej podpowiadamy, jak wykryć oraz zaradzić usterkom systemów wizyjnych.

"UTRZYMANIE RUCHU" SYSTEMÓW WIZYJNYCH

Rys. 1. Uproszczony diagram stanów PackML zapisany w języku SFC

Sprawność systemu wizyjnego znajduje odzwierciedlenie w jakości rejestrowanych obrazów. Zastanowić powinno na przykład ich niespodziewane ściemnienie lub rozjaśnienie, cienie, jasne punkty lub przesunięcie poza kadr. Ważną wskazówką jest również to, w jakim tempie nieprawidłowości się nasilały, tzn. czy system wizyjny przestał poprawnie działać nagle, czy pogorszenie następowało stopniowo.

Przyczyną tego ostatniego jest najczęściej osłabienie natężenia światła docierającego do czujnika kamery, na przykład na skutek zabrudzenia soczewek lub starzenia się jego źródła. Jeżeli awaria jest nagła, zwykle jej powodem jest przemieszczenie się elementów układu optycznego albo oświetlacza pod wpływem wibracji lub uderzenia w taki sposób, że nie są już nakierowane na obiekt inspekcji. Można temu zapobiec, solidnie mocując komponenty systemu wizyjnego potencjalnie narażone na takie oddziaływania.

Źródłem nagłej awarii bywa również część elektryczna. Najłatwiej wykryć brak zasilania lub przerwanie jakiegoś połączenia, na przykład między komputerem a kamerą. To ostatnie zwykle jest wyraźnie sygnalizowane odpowiednim komunikatem albo przez zapalenie się lub zgaszenie lampki kontrolnej.

Trudniej zidentyfikować problem w sieci komunikacyjnej. Czasem pozornie wydaje się, że wszystko jest w porządku - zasilanie jest obecne, oprogramowanie działa, a mimo to całość swojej funkcji nie spełnia. Jedną z przyczyn takiego stanu bywa zbyt duże natężenie ruchu sieciowego blokujące lub opóźniające przepływ informacji z i do kamery.

Obiekt inspekcji jest przyczyną błędnego działania systemu wizyjnego najczęściej wtedy, kiedy nagle zmienią się jego właściwości, na przykład rodzaj materiału, z jakiego go wykonano. Układ optyczny, oświetlenie lub oprogramowanie są wtedy zwykle nieprzystosowane do rejestracji oraz analizy jego obrazów, na przykład z powodu jego innego koloru lub innej struktury powierzchni (przykładowo odblaskowej).

Jeżeli żadna z powyższych sytuacji nie miała miejsca, trzeba sprawdzić ustawienia oprogramowania wizyjnego. W przeciwnym wypadku lepiej się z tym nie spieszyć, ponieważ pochopna ich modyfikacja nie tylko pogorszy sytuację, ale również może utrudnić wykrycie przyczyn awarii. Warto też pamiętać, że celem systemu wizyjnego nie jest uzyskanie zdjęcia obiektu inspekcji idealnego pod względem technicznym.

Wręcz przeciwnie, czasami na przykład celowe zmniejszenie ostrości obrazu pozwala "ukryć" drobne szczegóły odróżniające jego kolejne egzemplarze, które chociaż nie są oznaką gorszej jakości, zostaną tak interpretowane. W tym celu m.in. specjalnie rozogniskowuje się obiektyw lub ustawia odpowiednie filtry w oprogramowaniu.

Oprócz jakości w obrębie linii pakowania kontrolować należy również ilość: produktów, opakowań i towarów zapakowanych. Informacje o tym są wykorzystywane w sterowaniu nią i produkcją oraz w systemach zarządzania stanem magazynów. Aby obiekty te policzyć, trzeba je rozróżnić, a potem monitorować ich drogę przez różne etapy obróbki.

PRZECZYTAJ, ZANIM OZNAKUJESZ TAGIEM RFID!

Rys. 2. Główną zaletą openSAFETY jest niezależność od platformy komunikacyjnej (protokołu i medium transmisyjnego)

Do identyfikacji oraz śledzenia przepływu produktów w branży opakowaniowej (i nie tylko) coraz częściej zamiast kodów kreskowych używa się znaczników RFID (Radio Frequency Identification). Są one zbudowane z układu scalonego, w pamięci którego zapisane są informacje o produkcie oznakowanym w ten sposób oraz anteny do komunikacji z czytnikiem. Znaczniki RFID dzieli się na aktywne oraz pasywne.

Te drugie energię zasilającą czerpią z sygnału z czytnika, natomiast tagi aktywne wyposażone są w baterię. Znaczniki RFID klasyfikuje się również ze względu na częstotliwość pracy, m.in. HF (13,56 MHz), UHF (433 MHz, 860-960 MHz) i w paśmie mikrofalowym. Tagi UHF można odczytywać z większej odległości, dlatego to najczęściej nimi znakowane są pojemniki zbiorcze oraz palety. W zakresie oznaczania pojedynczych produktów rywalizują one głównie ze znacznikami HF.

Ponieważ tagi RFID działają w paśmie radiowym, na możliwość ich odczytu wpływ mają różne czynniki, m.in. stała dielektryczna materiału opakowania, produktu lub powietrza. Zależy od niej częstotliwość pola elektromagnetycznego. Tworzywa sztuczne zmniejszają ją nawet o od 40% do 50%, szkło jeszcze bardziej, a woda nawet aż dziewięciokrotnie (proporcjonalnie do jej zawartości).

W rezultacie znacznik dostrojony do pasma 915 MHz będzie działał na znacznie niższej częstotliwości, w szkle i w wodzie odpowiednio 800 MHz i nawet 100 MHz. Inne problemy to: tłumienie pola elektromagnetycznego (na przykład przez wodę) lub zmiana impedancji anteny (przykładowo przez metal) powodująca niedopasowanie między nią a układem scalonym znacznika.

Chociaż nie jest przesądzone, że znaczniki RFID nie będą działać w pobliżu wody, metali, szkła lub tworzyw sztucznych, mogą być one źródłem problemów, zwłaszcza w przypadku tagów UHF. Na przykład odległość odczytu tagów odseparowanych od czytnika szkłem jest nawet o połowę krótsza niż bez takiej osłony. Różne dodatki chemiczne zmieniające właściwości szkła i tworzyw sztucznych mogą dodatkowo wzmacniać ten efekt. Uważać trzeba też m.in. na produkty o dużej zawartości żelaza, zawierające elektrolity oraz opakowane w folie aluminiowe.

W przypadku blistrów zakłóceń odczytu znaczników RFID unika się, umieszczając je na odpowiednio grubym tekturowym opakowaniu. Folie metalowe są jednak czasem używane celowo. Ponieważ odbijają fale radiowe, robi się z nich podkładki pod znaczniki, które wzmacniają sygnał wysyłany do czytnika. Koniecznie trzeba je jednak oddzielić od tagów izolatorem o grubości co najmniej kilku milimetrów.

Ważny jest również sposób zamocowania znaczników RFID na opakowaniu. Na przykład przy naklejaniu na zakrzywiony pojemnik (butelkę, fiolkę) uszkodzeniu lub rozstrojeniu może ulec antena tagu. Ponadto jego odczyt może być utrudniony, kiedy takie opakowanie będzie się obracać przesuwane na przenośniku. W przypadku fiolek rozwiązaniem tego problemu może być wbudowanie znaczników w zatyczki wykonane z tworzywa sztucznego.

Rys. 3. Diagram stanów PackML W PackML tryby (modes) pracy maszyny zdefiniowano jako uporządkowane zbiory: stanów (states) w pełni charakteryzujących daną czynność. Przejścia między tymi ostatnimi zachodzić mogą: na skutek działania operatora, w reakcji na zmianę statusu sterowanych obiektów albo po zakończeniu zadania. Wyróżniono trzy rodzaje stanów: aktywne (zaznaczone na rysunku na zielono), oczekiwania (pomarańczowe) oraz dualne (niebieskie). Drugi oraz trzeci są stanami stabilnymi, tzn. mogą trwać przez dłuższy czas. Ten ostatni w przypadku stanów "zielonych" jest ograniczony, a przejście z nich do kolejnego etapu odbywa się bez udziału operatora (SC - State Complete na rysunku). Działanie w pętli ze stanem wstrzymania Suspended oznacza oczekiwanie na przykład na dostawę surowca, natomiast w pętli ze stanem Held - zatrzymanie w wyniku decyzji operatora. Po wykonaniu zadania maszyna przechodzi ze stanu Execute do Complete i może rozpocząć kolejny cykl pracy. Wyjście z tego ostatniego jest możliwe przez Abort w razie błędu lub przez Stop wybrany przez operatora.