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Prozessautomatisierung Optischer Abstandssensor überwacht Eisproduktion

| Autor / Redakteur: Andreas Biniasch / Udo Schnell

Im Nestlé-Schöller-Werk Uelzen sorgen zahlreiche Sensoren für einen reibungslosen Produktionsprozess. An einer Schlüsselposition sitzt eine Reihe von Abstandssensoren, die aufgrund ihrer hohen Reichweite sicher vor Verschmutzung angebracht werden können.

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Der Lasersensor Efector PMD kann Abstände millimetergenau erfassen – bei einer maximalen Reichweite von 10 m.
Der Lasersensor Efector PMD kann Abstände millimetergenau erfassen – bei einer maximalen Reichweite von 10 m.
( Archiv: Vogel Business Media )

Schokolade, Vanille, Erdbeere: Aus drei Rohren wird die cremige Eismasse nebeneinander auf die untere Waffel aufgetragen. Dann die obere Waffel drauf und ab geht´s in den „Kühlturm“. Dort wird das Eis abgekühlt. Das ist wichtig, damit es während des nachfolgenden Verpackens nicht schmilzt, ehe es dann schließlich in die endgültige Kühlkette geht.

Vom Kühlturm aus gelangt das Eis über einen Hängeförderer zur Verpackungseinheit. Dabei fassen parallele Greifer jeweils eine Eiswaffel. Je nach Sorte senken die Greifer das Eis noch kurz in ein Schokoladenbad, damit es einen knackigen Überzug erhält.

Am Ende der Förderstrecke wird das von unten kommende Eis angehoben und in eine waagerechte Position gebracht. Vakuumgreifer fassen die Happen von oben und heben sie zur zirka 80 cm entfernten Verpackungsstraße.

Genau an dieser Stelle ist eine intelligente Lösung gefragt: Fehlerhafte Produkte werden über einem Auffangbehälter abgeworfen. Die Steuerung muss dies erkennen und den Vorschub des Verpackungsbandes in der Linie des Saugers ohne Waffeleis anhalten. So wird vermieden, dass eine leere Folienverpackung in den weiteren Prozess gelangt. Denn Ziel ist eine „Null-Fehler-Produktion“ ohne Verschwendung von Ressourcen (Folienverpackung).

Gewöhnliche Sensoren durch Krümel beeinträchtigt

Früher setzte man gewöhnliche optische Sensoren ein, um das Vorhandensein eines Eises unter dem Vakuumgreifer zu detektieren. Bauartbedingt war es jedoch nur möglich, die Sensoren unterhalb des Greifarms zu montieren. Die Folge: Es legten sich Waffelkrümel auf der Sensorfläche ab, was die Funktionsweise beeinträchtigte. Eine andere, zuverlässige Lösung musste her.

Nestlé Schöller entschied sich, den Efector PMD der Ifm Electronic einzusetzen. Dabei handelt es sich um einen optischen Abstandssensor. Im Bereich von 0,15 bis 10 m kann er Abstände millimetergenau erfassen. Das Besondere: Der Sensor ist mit Abmessungen von 42 mm × 45 mm × 52 mm extrem kompakt (Bilder 1 und 2). Nur so war es möglich, die Sensoren dicht nebeneinander zu montieren.

Hohe Reichweite des Sensors erlaubt größeren Montageabstand

Aufgrund der hohen Reichweite gegenüber den früher eingesetzten Lichttastern konnte die Montage nun an einer Stelle erfolgen, wo der Sensor das Eis von vorne detektiert. Vorteil: Es können sich keine Krümel auf der Sensoroptik ablagern. Auch dunkle Oberflächen, etwa ein Schokoladenüberzug, werden sicher gegen-über dem nur wenige Zentimeter dahinter liegenden hellen Edelstahl-Hintergrund detektiert.

Der Lasersensor Efector PMD dient zur millimetergenauen Abstandsmessung bei hohen Reichweiten. Er arbeitet nach dem Prinzip des Lichtlaufzeitverfahrens. Konventionelle Sensoren, die ebenfalls das Lichtlaufzeitverfahren verwenden, benutzen als Empfangseinheit eine Photodiode. Eine zusätzliche Elektronik dient zur Signalerfassung und -verarbeitung. Nachteil: Dieses Sensordesign ist aufwendig, baut groß und ist daher oftmals nicht für industrielle Positionsabfragen einsetzbar.

Innovatives Sensordesign mit Photomischdetektor

Im Vergleich dazu ist das Empfangselement des PMD-Sensors ein „System-on-Chip“-Design: Sowohl das Sensorelement als auch die Elektronik zur Signalauswertung sind in einem einzigen Siliziumchip, dem so genannten Photomischdetektor (PMD), integriert. Vorteil: Dieses innovative Design ermöglicht eine hohe Performance in einem kompakten, industrietauglichen Gehäuse – und das zu einem Bruchteil des Preises herkömmlicher Systeme.

Der Messbereich beträgt bis zu 10 m. Die gemessene Entfernung wird sowohl auf dem 4-stelligen Display angezeigt als auch per skalierbarem Analogausgang (4 bis 20 mA) ausgegeben. Der Anwender kann zwei Schaltausgänge parametrieren, die bei Erreichen einer bestimmten Distanz schalten. Bis zu 50 Messungen pro Sekunde sind möglich (einstellbar). Der Lichtfleckdurchmesser beträgt 6 mm bei 10 m Abstand. Damit eignet sich der Sensor auch für Applikationen, bei denen es auf exakte Hintergrundausblendung ankommt.

Bei Nestlé Schöller zeigt man sich äußerst zufrieden, weil die Erkennung reibungslos läuft, seit der Sensor im Einsatz ist. Die Maschinen werden etwa wöchentlich auf andere Eissorten umgestellt. Dabei profitieren die Techniker von der flexiblen und einfachen Parametrierung der Sensoren. Besonders beim Anfahren der Produktion kommt es darauf an, schnell in den Produktionsrhythmus zu gelangen. Da bleibt keine Zeit, auf leere Verpackungen zu achten. So haben sich die Investitionskosten für den Efector PMD in der Eisproduktion schnell gerechnet.

Dipl.-Ing. Andreas Biniasch ist Redakteur Presse- und Öffentlichkeitsarbeit bei der Ifm Electronic GmbH, 45127 Essen

PMD: Photo-Misch-Detektor

Der Photo-Misch-Detektor (PMD) vereinfacht Abstandsmessungen oder das dreidimensionale Sehen. Diese Messungen waren bislang nur mit aufwändigen Systemen möglich. Grund dafür ist das Funktionsprinzip: die Laufzeitmessung. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit sind Lichtlaufzeitmessungen in der Praxis sehr anspruchsvoll. Nach dem Lichtempfang durch eine Photodiode entstehen unvermeidliche Fehler im elektronischen Verstärker auf Grund der eigenen Zeitdrift oder der störenden Hintergrundbeleuchtung, etwa durch die Sonne. Das gebräuchliche Referenzverfahren erwies sich als zu ungenau. Die Referenzmessung besteht darin, dass auf einem zweiten bekannten Lichtweg eine parallele Laufzeitmessung durchgeführt wird, die als Vergleich dient. Über die Differenz der Referenz- und Zielmessung werden die gemeinsamen Fehler eliminiert. Dieses Verfahren wird heutzutage fast überall eingesetzt. Der Aufwand und die Drift sind aber dennoch hoch, so dass neue Wege gesucht werden mussten.

Als großer Fortschritt erwies sich der Weg, Messkanal und Referenzkanal zu vereinen, indem die Messphotodiode und die Referenzphotodiode an den gleichen Verstärkereingang gelegt und abwechselnd betrieben wurden. Dadurch entfielen die unvermeidlichen Laufzeitunterschiede zweier getrennter Verstärker. Beide Empfangsdioden wurden abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Das brachte eine enorme Driftverbesserung um den Faktor 10.

Der entscheidende Schritt nach vorn wurde 1996 am Zentrum für Sensorsysteme des Landes Nordrhein-Westfalen getan. Dort wurde eine Photodiode mit zwei Ausgängen entwickelt, die im Gegentakt aktiviert oder ausgelesen werden. Das Prinzip: Werden die Photoladungen im gleichen Rhythmus der optischen Modulation nach links und rechts geschaukelt und ausgelesen, so steht das gesuchte Ergebnis sofort als Differenzladung zur Verfügung – ohne den großen, teuren und fehlerbehafteten Elektronikaufwand. Der Trick besteht darin, dass der Takt des Auslesens von links und rechts mit dem Takt der Lichtmodulation übereinstimmt – bis auf die unbekannte Laufzeitverschiebung, die Unsymmetrien verursacht. Damit kann sogleich auch das unerwünschte Sonnenlicht unterdrückt werden, weil es keine Unsymmetrien erzeugt. Das neue Bauelement PMD kann preiswert in CMOS-Technik realisiert werden.

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