Farbsensor CFO im Einsatz

Befüllung und Erkennung von Waschmittelflaschen

Abfüllapplikationen zählen zu den sensorisch anspruchsvollen Anwendungen. Die Produktion läuft meist rund um die Uhr, im Dreischichtbetrieb. Eine Unterbrechung erfolgt nur zu Reinigungs- oder Wartungszwecken. Entsprechend viele Flaschen gehen in den täglichen Abfüllvorgang. In der Waschmittelabfüllung muss eine Abfüllmaschine zum Beispiel dafür sorgen, dass verschiedenfarbige Waschmittel mit leicht unterschiedlicher Färbung in 1,5-Liter-Flaschen aus Kunststoff zu füllen sind. Auf diesen Maschinen befinden sich rotierende Trommelbehälter mit mehreren hundert Litern Fassungsvermögen, aus denen das Waschmittel über die Füllventile in die Flaschen läuft. Ein Flaschenabfüller hat typischerweise über 100 Füllventile, worüber ca. 300 Flaschen in der Minute befüllt werden, damit ergibt sich ein täglicher Durchlauf von ca. 432.000 Flaschen.

Hinzu kommen produktionsbedingte Unterschiede der halbtransparenten Kunststoffflaschen hinsichtlich Farbigkeit, Materialstärke, Oberflächenbeschaffenheit und Form. Auch die flüssigen Waschmittel sind aus Marketinggründen farblich verschieden (helleres Rosa, dunkleres Rosa, helles nichttransparentes Rot, dunkles transparentes Rot, usw.).

In einer solchen Waschmittelabfüllanlage muss sichergestellt werden, dass innerhalb der Charge keine signifikanten Änderungen der Flüssigkeit bezüglich Konsistenz, Transparenz und Farbe auftreten. Wenn sich beispielsweise die Farbe oder Transparenz einer Waschmittelflüssigkeit während der Produktion systematisch verändert, sollte dies unverzüglich im Abfüllprozess erkannt werden, im Idealfall noch bevor sie außerhalb der Toleranzen ist dem Anlagenfahrer sollte in diesem Fall ein Signal ausgegeben werden, damit eine Anpassung des Produktionsprozesses stattfinden kann. Außerdem ist zu kontrollieren, ob die Zuordnung des Waschmittels zur richtigen Kunststoffflasche erfolgt ist. Eine abschließende Aufgabe stellt die Kontrolle, der Füllmenge dar. Anstehende Chargenwechsel sollten hier einfach, ohne die Farbsensoren vor Ort einstellen zu müssen, vorgenommen werden können.

Die sich ergebenden Anforderungen sind neben der hohen Geschwindigkeit:

• Erkennung feinster Farbunterschiede
• hohe Wiederholbarkeit der Erkennungsaufgabe
• Entscheidung nach der menschlichen Farbempfindung
• Beständigkeit gegen die feuchte, aggressive Umgebung sowie
• das Schalten mehrerer Ventile direkt von einem Farbsensor.

Der CFO200-Farbsensor ist mit einer Abtastrate von 30 kHz, einer Farbgenauigkeit Delta E von 0,3, den acht Schalt-Ausgängen und dem IP 65 Schutzgrad wie geschaffen für diese Aufgabenstellung. Mit dem CFO Farbsensor ist es möglich, die mit dem Chargenwechsel verbundenen Anpassungen der optischen Sensoren direkt am Rechner in der Prozessüberwachungszentrale, aber auch auf dem Tablet oder Smartphone, prozessnah, durch den Anlagenfahrer durchzuführen. Das spart auf der einen Seite viel Zeit und sorgt auf der anderen Seite für Prozesssicherheit, da die Vorgabe der Farbsensoreinstellungen zu Qualitätssicherungsaufgaben direkt in das Prozessleitsystem integriert werden kann.

Aufgaben

• Überwachung der optischen Produktqualität
• Protokollierung von optischen Indikatoren der Produktqualität
• Zuordnung des Produkts zum Produktträger
• Sortierung des Endprodukts
• Mengenkontrolle

Umsetzung

Zwei CFO Farbsensoren werden für jeden Abfüller vorgesehen. Einer der beiden Farbsensoren wird mittels eines Lichtleiters und einer Optik auf eine farblich signifikante Stelle des Produktetiketts einer in Befüllung befindlichen Flasche ausgerichtet. Der zweite Sensor zielt dagegen auf die transparente Flaschenoberfläche, um den optischen Eindruck der befüllten Waschmittelflüssigkeit zu prüfen.

Dem ersten Sensor wurden bei der Konfiguration die verschiedenen Farben der unterschiedlichen Produktetiketten eingelernt. Mittels seiner acht Schaltausgänge signalisiert er eindeutig das Etikett der aktuell in der Befüllung befindlichen Flasche.

Der zweite Farbsensor lernte zuvor die verschiedenen Farbeindrücke der Waschmittelflüssigkeiten durch das Flaschenmaterial hindurch ein. Dieser Farbeindruck ist der für den Kunden beim Kauf entscheidende. Die verschiedenen Flüssigkeitsfärbungen werden eindeutig durch die acht Schaltausgänge des zweiten Sensors signalisiert.

Die in-line-Prozessüberwachung vergleicht beständig die Detektionsergebnisse der beiden Sensoren miteinander und prüft somit, ob die zu befüllenden Flaschen zu der aktuellen Waschmittelflüssigkeit passen. Fehlzustände werden dem Bediener signalisiert.

Die begleitende Prozessüberwachung zeichnet periodisch die aktuell erfassten Farbeindrücke der Waschmittelflüssigkeiten auf und kann somit zur Qualitätskontrolle und zur Optimierung von Prozessparametern anhand der angestrebten optischen Toleranz führen (z.B. beim Chargenwechsel). Die Abfrage der Sensordaten erfolgt mittels der HTTP-API des Sensors. Über diese Schnittstellen können auch zusätzliche begleitende Informationen (beispielsweise die Anzahl der geprüften Abfüllvorgänge) abgefragt werden, um Plausibilitätskontrollen durchzuführen.

Bei Verwendung der zusätzlich vorhandenen RS232-Schnittstelle des CFO Farbsensors wäre in der Nähe jedes Sensors ein lokales Vorverarbeitungssystem erforderlich gewesen, um die Sensordaten der zentralen Prozessdatenbank zuzuführen. Die netzwerkfähige Bereitstellung der Sensordaten durch die CFO Sensoren macht diesen Mehraufwand überflüssig, da die Sammlung der Sensordaten zentral unter Verwendung bereits vorhandener IT-Ressourcen erfolgen kann.

Erkennung von Haftstreifen auf Einwegwindeln

Marion Donovan ist die Erfinderin der Einwegwindel, worauf sie 1951 ein Patent erhielt. 1946 nähte sie auf ihrer Nähmaschine erste Windelhosen aus verschiedenen Duschvorhängen, die über einer Stoffwindel getragen wurden. Drei Jahre später brachte sie die erste Windel namens Boater auf den Markt. Allerdings waren weder sie noch andere erste Nachahmer damit wirtschaftlich erfolgreich. Das änderte sich als Procter & Gamble 1961 die erste Einwegwindel unter dem Namen Pampers auf den Markt brachte. Die 5 Jahre zuvor von Victor Mills, dem Leiter der Forschungsabteilung des Konzerns, entwickelte Windel ist seit dem zu einem echten Hightech-Produkt geworden. Wie beliebt die Einwegwindel ist, zeigt der Bedarf für ca. 2,5 Mio. Kleinkinder in Deutschland welchen ca. 3-5 Mal am Tag die Windeln gewechselt werden. Daraus resultiert ein täglicher (!) Bedarf von bis zu ca. 10 Millionen Stück allein hierzulande. Das ergibt einen Jahresbedarf von über 3,6 Mrd. Windeln nur in Deutschland!

Um den großen Bedarf zu decken, wird bei den Windelproduzenten auf mehreren Produktionsstraßen gearbeitet. Auf dem 50 Meter langen Prozess einer Windel-Produktionsmaschine werden mehrere 100 Windeln in der Minute produziert.

Eine moderne Einwegwindel besitzt neben Saugkern, Innenvlies, Außenhaut, Bein- und Bauchbündchen sowie einer Auslaufsperre ein weiteres wichtiges Merkmal: Klettverschlüsse. Diese seit 1995 eingesetzten Verschlüsse bestehen aus einem Haftstreifen mit Minischlaufen und Hakenbändern mit flexiblen Miniwiderhäkchen.

Unterschiedliche Größen und unterschiedliche Chargen von Windeln werden durch unterschiedliche Haftstreifen codiert. Das geschieht durch unterschiedliche Motive mit verschiedenen Grundfarben. Im vollen Produktionsprozess ist unter anderem 100-prozentig zu kontrollieren, ob die richtigen Haftstreifen in der Charge verwendet wurden und in der Endkontrolle, vor der Verpackung, ob die Windeln der richtigen Größe in die Verpackung gelangen.

Die auf den Windeln aufgeklebten Haftstreifen sind bunt gemustert, was in der Aufgabenstellung neben der hohen Geschwindigkeit eine hohe optische Präzision erfordert. Es ist erforderlich das Basismaterial sauber zu erkennen und daraufhin die zu untersuchende Kante des Haftstreifens zu ermitteln und diesen zu bewerten.

Der CFO100-Farbsensor mit einer Abtastrate von 10 kHz und einer Farbgenauigkeit Delta E von 0,5 kann die Farbe des Haftstreifens sauber erkennen. Es wird der Farbeindruck des jeweiligen Haftstreifens gemittelt und dann einem Gesamtfarbeindruck zugeordnet und gleichzeitig die richtige Positionierung des Haftstreifens in voller Produktionsgeschwindigkeit überprüft. Wegen seiner hohen Taktfrequenz und Genauigkeit ist der CFO-Farbsensor für diese Aufgabe prädestiniert.

Aufgaben

• Bewertung der Anwesenheit
• Prüfung auf korrekte Zuordnung
• Sortierung des Endproduktes

Umsetzung

Der CFO100-Farbsensor wird in-line in die Verarbeitungskette kurz vor der Verpackung integriert. Über einen Lichtleiter und eine Optik mit passendem Messfleckdurchmesser beleuchtet der Farbsensor präzise die erwartete Position des Haftstreifens. Anhand der zuvor eingelernten Farbwerte wird sicher der aktuell beleuchtete Windeltyp erkannt und durch die Schaltausgänge signalisiert.

Mittels der in den Farbsensor integrierten HTTP-API können Änderungen der Produktlinien (zusätzliche Windeltypen, veränderte Farben, Anpassungen der Haltezeiten) zentral und automatisiert auf alle Sensoren verteilt werden.