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
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!
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.
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. |
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.
NIE MA INTEGRACJI BEZ... STANDARYZACJI
Urządzenia linii pakującej muszą być zsynchronizowane - na przykład alarm o nieplanowanym przestoju maszyny butelkującej powinien od razu wyłączyć pompę surowca oraz zatrzymać przenośnik z opakowaniami, do których przekładane są napełnione pojemniki. Aby tak było, poszczególne stanowiska muszą się sprawnie komunikować między sobą i z systemami nadrzędnymi.
Na przestrzeni lat w technologii maszyn pakujących nastąpił jednak znaczny postęp nakierowany na poprawę ich wydajności i jakości produktów, uproszczenie obsługi oraz łatwość ich przestrajania. Z urządzeń mechanicznych ewoluowały one w kierunku elektromechanicznych kontrolowanych przez przekaźniki, a później sterowniki PLC. Obecnie są to złożone urządzenia mechatroniczne, których częścią są: serwonapędy sterujące wieloma osiami ruchu elementów wykonawczych, wbudowane systemy wizyjne, zabezpieczenia, panele operatorskie i interfejsy komunikacyjne. Funkcjonalność tych podzespołów scala program sterujący maszyną.
Brak standardu dla tego ostatniego utrudnia integrację wyposażenia linii pakującej. Skłoniło to OMAC (Organization for Machine Automation and Control) do opracowania standardu PackML (Packaging Machinery Language), który obowiązuje od 2008 roku jako ISA-TR88.00.02. Opisano w nim algorytm pracy maszyn automatycznych zalecany w przemyśle opakowaniowym. Zakres jego zastosowania nie jest ograniczony tylko do tej branży.
PACKML POMAGA TWORZYĆ I INTEGROWAĆ MASZYNY
W PackML tryby (modes) pracy maszyny (na przykład automatyczny, półautomatyczny, ręczny, konfiguracji) zdefiniowano jako uporządkowane zbiory: stanów (states) charakteryzujących daną czynność, przejść między nimi odbywających się w ustalonej kolejności (patrz: ramka) oraz komend. Stany, których przewidziano 17 (nie trzeba korzystać ze wszystkich, można również określić własne), podzielono na trzy rodzaje: aktywne (acting), oczekiwania (wait) oraz dualne (dual).
Do ostatniej grupy, która łączy w sobie cechy dwóch pierwszych, zaliczane jest tylko działanie (execute). Inne standardowe stany to m.in.: zatrzymanie (stopped, idle), przerwanie zadania (aborting) albo jego wstrzymanie spowodowane blokadą procesu nadrzędnego, podrzędnego (suspended) lub decyzją operatora (held).
Zależnie od maszyny w danym stanie wykonywane są różne zadania. Robot pick and place na przykład w trybie automatycznym w stanie działania podnosi produkty z taśmociągu i przekłada je na paletę. W trybie konfiguracji jest wtedy programowany. Tryby, stany i sekwencje usystematyzowane w normie ISA-TR88.00.02 są uniwersalne, tzn. można za ich pomocą opisać pracę różnych urządzeń, nie tylko maszyn pakujących.
W PackML zdefiniowano również format przepływu danych z i do maszyny w postaci tzw. PackTags. Podzielono je na trzy kategorie. Są to PackTags zawierające: komendy sterujące (na przykład przełączające tryb lub stan pracy), informacje o statusie urządzenia (m.in. prędkości, trybie, stanie) oraz dane administracyjne (przykładowo o alarmach). Te ostatnie są przeznaczone dla systemów nadrzędnych. Nie ma obowiązku korzystania ze wszystkich tagów, wręcz przeciwnie - te nadmiarowe dodatkowo komplikują program.
Uzupełnieniem standardu PackML ułatwiającym jego wdrożenie jest koncepcja modułowości programowej (według S88:Make2Pack). Polega ona na organizacji kodu w bloki odwzorowujące strukturę sprzętową maszyny. Poziomy organizacyjne zalecane w ISA88 to: przedsiębiorstwo (enterprise), zakład (site), linia produkcyjna (production line, process cell), maszyna (unit machine), czyli zbiór funkcjonalnych modułów sprzętowych (equipment module, EM), na które składa się jeden lub kilka modułów sterowania (control module, CM) odpowiadających za pojedyncze zadanie. Ponieważ bloków kodu można używać wielokrotnie, pisanie programu oraz jego analiza stają się łatwiejsze.
JAK TO UGRYŹĆ?
W "PackML Implementation Guide" opublikowanym na stronie internetowej www.omac.org zalecane są dwa podejścia w zakresie implementacji wytycznych standardu PackML w nowo tworzonym lub już wdrożonym kodzie. Z pierwszego należy skorzystać, kiedy w gotowym kodzie trudno jest zastosować model stanów opracowany przez OMAC.
Nie warto wówczas na siłę go wdrażać, ponieważ pogorszy to jakość oraz czytelność jego kodu. To ostatnie skomplikuje jego dalszy rozwój, trudniej będzie również wykryć błędy. W zamian lepiej dane wejściowe i wyjściowe sterowników PLC przekonwertować do formatu PackTags. Zapewni to przynajmniej wspólny interfejs komunikacyjny z innymi komponentami linii pakowania.
Drugie podejście zakłada kompleksową implementację zaleceń normy ISA-TR88.00.02 włącznie z tymi dotyczącymi modułowości kodu. Można to zrealizować na dwa sposoby: pisząc nowy program, na przykład dla dopiero projektowanej maszyny lub przepisując stary w formacie PackML. To drugie wymaga szczegółowej wiedzy na temat istniejącego kodu i trwa dłużej, niż przekonwertowanie go tylko do formatu PackTags.
Zarówno tworząc nowy, jak i modyfikując istniejący program, warto rozpocząć od rozłożenia maszyny na części, tzn. wskazania, jakie moduły EM i CM się na nią składają. Potem trzeba określić tryby oraz stany pracy i dla każdego z nich ustalić, które jednostki organizacyjne urządzenia mają odpowiadać za poszczególne zadania oraz wybrać PackTags. Przed rozpoczęciem kodowania należy także zdefiniować warunki aktywujące stan zatrzymania i przerwania pracy.
Następnie diagram stanów PackML trzeba odwzorować w środowisku programowym, na przykład za pomocą sekwencyjnych schematów funkcyjnych (Sequential Function Chart, SFC), które są zestandaryzowane w normie IEC 61131-3. Usystematyzowano w niej języki programowania sterowników PLC. SFC służą do graficznego przedstawiania algorytmu sterowania za pomocą oddzielnych kroków oraz przejść między nimi.
Z tymi ostatnimi powiązane są warunki - jeżeli dany jest spełniony, następuje przełączenie z kroku bieżącego na następny. Każdy etap składa się z kolei z zestawu instrukcji zwanych akcjami. Kroki, warunki oraz akcje można zaimplementować w wybranym języku programowania. Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony diagram stanów PackML zapisany w języku SFC.
Przykładowe produktySystem wizyjny SBOC-Q/SBOI-Q. System wizyjny iRVision. System RFID Simatic RF300. Czytnik RFID I mpinj Speedway Revolution. |
openSAFETY UZUPEŁNIENIEM PACKML
Kilka lat temu firma Nestlé wyszła z inicjatywą stworzenia pilotażowej linii pakowania złożonej z maszyn od różnych producentów (Siemens, Rockwell Automation, Schneider Electric oraz B&R). Ich łatwą i szybką integrację oraz sprawną obsługę miały zapewnić otwarte technologie, w tym właśnie PackML. W zakresie wymiany informacji związanych z bezpieczeństwem postawiono natomiast na protokół openSAFETY.
Jego główną zaletą jest niezależność od platformy komunikacyjnej, zarówno pod względem protokołu, jak i medium transmisyjnego - zapewniona jest kompatybilność z sieciami polowymi, Ethernetem przemysłowym i z innymi technologiami komunikacyjnymi (rys. 2). Uzyskano to, wdrażając ideę czarnego kanału (black channel principle).
Zakłada ona, że mechanizmy obsługi zadań związanych z bezpieczeństwem są implementowane wyłącznie w warstwie aplikacji, całkowicie niezależnie od warstwy transportowej. Wybrane cechy protokołu openSAFETY przedstawiamy w ramce, więcej informacji znaleźć można na stronie internetowej www.open-safety.org.
Monika Jaworowska