Éliminer les fausses alarmes de bourrage de convoyeur pour augmenter la productivité de l'automatisation industrielle

Les convoyeurs haute vitesse sont largement utilisés dans l'automatisation d'usine pour accélérer la production et améliorer le rendement. Mais parfois, les choses peuvent mal tourner. Un problème fréquent est le bourrage ; un objet reste bloqué, puis d'autres s'accumulent rapidement derrière. Cette situation est non seulement préjudiciable pour le débit et le système de convoyeur, mais elle peut également être dangereuse pour les travailleurs qui se trouvent à proximité.

L'utilisation d'un détecteur laser est une solution pour éliminer ces bourrages. En projetant un faisceau sur le convoyeur et en détectant la réflexion, le capteur peut vérifier la présence d'objets bloqués et arrêter le système avant que des dommages ne surviennent. Bien que simples à installer et à utiliser, les détecteurs laser ne sont pas infaillibles. Par exemple, si plusieurs articles se déplacent mais qu'il n'y a pas d'espace entre eux, le système peut conclure à un bourrage et arrêter inutilement le convoyeur.

De nouveaux capteurs laser permettent de réduire le nombre de fausses alarmes grâce à des technologies optiques et à des algorithmes logiciels plus sophistiqués.

Cet article décrit brièvement les deux types de capteurs de lumière utilisés pour la détection des bourrages : les LED et les lasers. Il s'intéresse ensuite au laser à temps de vol (ToF) et aux facteurs clés qui déterminent les performances du capteur. L'article présente également un capteur laser ToF de Banner Engineering et illustre comment le configurer pour une application de détection de bourrage sur un convoyeur.

Qu'est-ce qu'un capteur laser ?

Un capteur laser utilise un faisceau de lumière cohérente pour détecter un objet et aider à déterminer sa distance. En l'absence d'objet, la lumière est réfléchie depuis une surface de référence fixe. Cependant, si un objet traverse le faisceau, la lumière est réfléchie avec une intensité différente et à une distance plus courte, déclenchant ainsi le capteur. Un capteur LED peut également détecter la présence d'objets en utilisant la lumière et est généralement moins cher, mais l'écart de coût s'est réduit ces dernières années et le capteur laser est techniquement supérieur à plusieurs égards.

Par exemple, par rapport aux capteurs LED, le type laser offre une portée de détection nettement supérieure et une précision de détection plus élevée. De plus, le faisceau laser étroitement contrôlé produit un petit point sur une longue portée avec une bonne réflexion, même sur des surfaces peu réfléchissantes. De tels attributs permettent aux capteurs laser de détecter, par exemple, des objets minuscules, même des fils fins. Un autre avantage est qu'un capteur laser peut détecter des objets à travers des trous ou des ouvertures étroites (Figure 1).

Figure 1 : Les capteurs laser offrent une bonne réflexion, même pour les produits présentant des surfaces peu réfléchissantes. (Source de l'image : Banner Engineering)

Les capteurs laser utilisent deux techniques pour déterminer la distance à l'objet détecté : la triangulation ou le temps de vol du faisceau. La technique de triangulation utilise l'angle de la lumière réfléchie pour déterminer sa distance par rapport au capteur. Les capteurs ToF, comme leur nom l'indique, mesurent le temps nécessaire au faisceau pour atteindre l'objet et revenir. Ils utilisent ensuite la vitesse connue de la lumière (« c ») pour calculer la distance à l'objet à l'aide d'une formule simple : distance à l'objet en mètres (m) = ToF en secondes (s)/2 x c en mètres par seconde (m/s) (Figure 2).

Figure 2 : La technique ToF mesure le temps nécessaire à une impulsion lumineuse pour atteindre l'objet et revenir, puis applique une formule simple pour calculer la distance jusqu'à l'objet. (Source de l'image : Banner Engineering)

Les capteurs laser utilisant la triangulation sont moins coûteux et plus précis sur de courtes distances jusqu'à 100 mm. Les types ToF sont meilleurs pour la détection longue distance jusqu'à 24 m. Les applications de détection de bourrage de convoyeur nécessitent que le capteur laser fonctionne sur plusieurs mètres. C'est pourquoi pour la suite de cet article, seul ce dernier type de capteur sera considéré.

Critères de sélection des capteurs laser

Bien que les capteurs laser soient techniquement supérieurs aux dispositifs LED, une sélection minutieuse est requise pour garantir que le meilleur capteur est sélectionné pour une application particulière.

Les paramètres clés à prendre en compte incluent les suivants :

• Répétabilité (ou reproductibilité) : il s'agit de la fiabilité avec laquelle le capteur peut répéter la même mesure dans les mêmes conditions. Par exemple, une répétabilité de 0,5 mm signifie que plusieurs mesures de la même cible seront toutes comprises dans une plage de ±0,5 mm.
• Sensibilité minimale à un objet (MOS) : il s'agit de la distance minimale à laquelle une cible doit se trouver par rapport à l'arrière-plan pour être détectée de manière fiable par un capteur. Une sensibilité minimale à un objet de 0,5 mm signifie que le capteur peut détecter un objet situé à au moins 0,5 mm de l'arrière-plan (Figure 3).
• Résolution : il s'agit d'une mesure de la plus petite variation de distance qu'un capteur peut détecter. Une résolution de 0,5 mm signifie que le capteur peut détecter des variations jusqu'à 0,5 mm. Cette spécification est identique à la répétabilité idéale, mais elle est exprimée sous forme de nombre absolu au lieu d'une tolérance.
• Précision : il s'agit de la différence entre les valeurs réelles et mesurées. Elle peut être utilisée pour évaluer la précision de mesure d'une distance inconnue sans cible de référence. Elle est utile pour comparer les mesures de plusieurs capteurs.
• Linéarité : il s'agit d'un paramètre alternatif à la précision lorsque l'on considère les changements relatifs des mesures par rapport à une cible de référence connue. Cela revient à étalonner les points 4 milliampères (mA) et 20 mA pour un capteur analogique, où toutes les mesures de distance sont ensuite relatives aux conditions apprises.

Figure 3 : La sensibilité MOS est la distance minimale à laquelle une cible doit se trouver par rapport à l'arrière-plan pour être détectée de manière fiable par un capteur. (Source de l'image : Banner Engineering)

La sélection d'un capteur laser commence par l'adaptation de ses capacités aux caractéristiques dimensionnelles de l'application, par exemple, si les objets à détecter se trouvent à quelques centimètres ou à plusieurs mètres. Mais il existe d'autres critères de sélection en fonction de la couleur et de la réflectivité des objets à détecter.

Optimisation du capteur laser pour les cibles difficiles

Les défis courants auxquels sont confrontés les capteurs laser incluent les objets dotés de surfaces hautement réfléchissantes et ceux dotés de surfaces sombres ou mates. Dans le premier cas, l'ingénieur doit choisir un capteur laser avec compensation automatique du gain de sorte que le dispositif diminue son gain pour réduire l'intensité du laser, et donc la puissance de la lumière réfléchie. La compensation du gain contribue à maintenir la précision. Lors de la détection d'objets sombres ou peu réfléchissants, le signal de retour peut être très faible et difficile à détecter. Une solution consiste à spécifier un capteur laser qui augmente automatiquement son gain pour amplifier le signal réfléchi afin de détecter de manière fiable des cibles que d'autres capteurs pourraient avoir du mal à observer.

Pour de nombreuses applications, un faisceau étroit est idéal. Par exemple, un petit point fonctionne mieux dans les situations où la cible comprend plusieurs couleurs. Un point focalisé peut être ciblé sur une seule couleur sur un produit multicolore pour une réflexion cohérente et fiable (Figure 4, en haut). Un petit point de faisceau est également utile pour cibler un point particulier d'une surface profilée. Une telle focalisation garantit là encore un fonctionnement robuste (Figure 4, en bas).

Figure 4 : Un point très focalisé fonctionne de manière fiable sur des surfaces multicolores et profilées. (Source de l'image : Banner Engineering)

Mais la sélection d'un capteur laser avec un point focalisé n'est pas la solution pour toutes les applications. Dans certains cas, un point plus grand et plus diffus constitue une meilleure option. Par exemple, un point plus large éclairant une surface inégale permet de faire la moyenne de la lumière réfléchie pour une plus grande stabilité de mesure (Figure 5).

Figure 5 : Un point plus diffus fonctionne mieux sur les surfaces inégales car il tend à faire la moyenne des réflexions provenant des zones hautes et basses. (Source de l'image : Banner Engineering)

Élimination des bourrages du convoyeur

Les convoyeurs d'usine haute vitesse peuvent être sujets à des bourrages, en particulier dans les courbes, où les marchandises peuvent s'entasser rapidement à la sortie d'une courbe. Une courbe est également propice à de faux bourrages, car le flux des paquets en vrac offre souvent peu d'espace pour que les capteurs conventionnels détectent un bourrage (Figure 6).

Figure 6 : Les courbes des convoyeurs sont propices à de fausses alarmes de bourrage, car le flux en vrac des paquets offre peu d'espace pour que les capteurs conventionnels détectent une absence de mouvement. (Source de l'image : Banner Engineering)

Les solutions courantes pour traiter les faux bourrages causent souvent plus de problèmes qu'elles n'en résolvent. Les méthodes typiques incluent l'ajout de temporisateurs pour donner aux faux bourrages le temps de « se dissiper ». Bien que de tels temporisateurs puissent fonctionner, en cas de bourrage plus grave, la réponse est retardée et cela peut entraîner une usure excessive de l'équipement à mesure que davantage de colis s'accumulent et exercent une contrainte les composants du convoyeur. De plus, les forces impliquées dans un bourrage peuvent endommager les marchandises bloquées sur le convoyeur. Enfin, les bourrages graves sont souvent traités par des travailleurs qui tentent de dégager la ligne pendant la période de temporisation à l'aide de barres de bourrage. Cela présente un risque car les travailleurs accèdent à des zones dangereuses alors que de gros moteurs électriques fonctionnent encore.

Les faux bourrages sont courants : Banner Engineering cite un client qui a découvert que 82 % des bourrages de convoyeurs « détectés » à l'aide de méthodes de détection conventionnelles étaient de fausses alarmes. Les fausses alarmes causent non seulement des dommages et mettent le personnel en danger, mais elles coûtent également de l'argent. Ces coûts incluent :

• Perte de productivité
• Processus en aval en attente de travail
• Temps perdu par le personnel de maintenance à diagnostiquer de faux problèmes
• Usure des systèmes de convoyeur due à des arrêts et démarrages constants

La solution à ce défi technique est un capteur laser qui minimise les détections de faux bourrages, tout en réagissant rapidement aux blocages réels. Une option est le Q5XKLAF10000-Q8 de la ligne de capteurs ToF Q5X de Banner Engineering (Figure 7). Ce capteur fonctionne sur une portée de 50 mm à 10 m, a une répétabilité de ±0,5 à 10 mm, une sensibilité MOS de 1 à 70 mm, une résolution de 1 à 30 mm, une linéarité de ±5 à 150 mm et une précision de ±3 à 150 mm. Ce capteur laser dispose également d'une compensation automatique du gain et d'un temps de réponse sélectionnable par l'utilisateur de 3, 5, 15, 25 ou 50 millisecondes (ms).

Les autres caractéristiques clés du Q5XKLAF10000-Q8 qui le rendent particulièrement adapté aux applications de convoyeurs incluent les suivantes :

• Un algorithme de détection de bourrage intégré qui ne s'appuie pas sur les espaces pour détecter le flux de paquets
• Capacité à détecter différents types d'emballages, tels que boîtes, bouteilles et sachets en plastique
• Un connecteur M12 aux normes de l'industrie
• Une variété de supports de montage

Figure 7 : Le capteur laser Q5XKLAF10000-Q8 est un détecteur de bourrage de convoyeur compact qui inclut un algorithme de détection de bourrage intégré ne dépendant pas des espaces pour détecter le flux de l'objet cible. (Source de l'image : Banner Engineering)

Configuration d'un capteur optique laser

Pour l'application de courbe de convoyeur décrite ci-dessus, le capteur laser Q5X doit être monté immédiatement après la courbe pour détecter le bourrage le plus tôt possible. Le dispositif est doté de deux indicateurs de sortie, d'un afficheur et de trois boutons. Il doit être monté sur un support pour garantir une fiabilité de détection et des performances MOS optimales. Une suggestion d'orientation est présentée à la Figure 8. Le capteur laser est ensuite câblé, comme illustré à la Figure 9.

Figure 8 : Le capteur laser Q5XKLAF10000-Q8 fonctionne mieux lorsqu'il est positionné à 90° par rapport au flux de l'objet cible. (Source de l'image : Banner Engineering)

Figure 9 : La connexion électrique et de signalisation pour le capteur laser s'effectue via un connecteur M12 standard. Ce schéma montre la configuration pour un système analogique de 0 volt (V) à 10 V. (Source de l'image : Banner Engineering)

Une fois orienté et mis sous tension, le capteur laser doit être présenté à sa surface de référence. Il s'agit de la partie du convoyeur ou d'un autre dispositif qui réfléchit la lumière lorsqu'aucun objet ne traverse le faisceau du capteur. Le choix de la surface de référence optimale est essentiel pour les performances globales du capteur laser. Cette surface doit présenter une finition mate ou diffuse, être exempte d'huile, d'eau ou de poussière, avoir un emplacement permanent et être exempte de vibrations. La surface doit également être comprise entre 200 mm et la plage de détection maximum. Les objets à détecter doivent passer le plus près possible du capteur et le plus loin possible de la surface de référence.

Le capteur laser Q5X est programmé à l'aide des boutons et de l'afficheur. La programmation s'effectue en accédant aux menus et en entrant les valeurs des paramètres fonctionnels. Par exemple, un paramètre clé est le « mode double ». Ce mode enregistre la distance et la quantité de lumière reçue de la surface de référence. Le capteur enregistre alors un objet passant entre le capteur et la surface de référence lorsque la distance perçue ou la quantité de lumière renvoyée change.

Un autre paramètre important qui nécessite une programmation est la « rétroréflexion de bourrage ». Il s'agit d'une extension du mode double qui optimise la détection de bourrage lorsqu'un arrière-plan est présent. Une valeur de plage de bourrage indépendante est définie, qui détermine le mouvement minimum de l'objet requis pour être qualifié de « non bloqué », ce qui, en combinaison avec un seuil d'intensité déterminé automatiquement, permet d'établir qu'un objet est en mouvement. Il existe un mode d'apprentissage similaire pour optimiser la détection de bourrage en l'absence d'arrière-plan.

Conclusion

Il est important que les convoyeurs de l'usine automatisée fonctionnent correctement pour maintenir la productivité et garantir la sécurité des travailleurs. Mais même sur les meilleures lignes de production, des bourrages surviennent. Cependant, les approches conventionnelles utilisées pour détecter ces bourrages déclenchent souvent de fausses alarmes. Comme illustré, les capteurs laser de dernière génération d'entreprises telles que Banner Engineering offrent des fonctionnalités avancées qui minimisent les fausses détections, et ils sont relativement faciles à installer et à programmer pour des performances optimales.