Industrie 4.0: Neue Herausforderungen für Automatisierung in Logistik und Produktion: Sensoren in der Förder- und Lagertechnik

Die voranschreitende Automatisierung der Logistik steht vor neuen Herausforderungen. Sowohl in der Kommissionierung als auch in der Produktion und der Weiterverarbeitung treten vermehrt stark unterschiedliche Güter direkt nacheinander auf. Deshalb müssen Maschinen heute schnell und einfach von Großserien mit gleichartigen Objekten auf Einzelprodukte umgestellt werden können. Am besten auftragsbezogen und nicht chargenbezogen. Diese Anforderungen, ein Resultat von Industrie 4.0, führen zu entsprechend leistungsfähigen Steuerungen und neuen Sensorkonzeptionen. Ein entscheidender Punkt dabei ist die zuverlässige Objekterkennung, etwa um daraus weitere Schritte für Bearbeitung und Sortierung abzuleiten. Bei der Sensorauswahl zur Objekterkennung spielen neben der eigentlichen Objektfarbe und -form auch die Umgebung und der Hintergrund eine entscheidende Rolle. Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben sich im Laufe der Jahre mehrere Funktionsprinzipien etabliert – jedes davon mit ganz spezifischen Eigenschaften.
Detektion mit Lichtband
Eine sehr zuverlässige Objekterkennung wird mit Reflexions-Lichtschranken erreicht – üblicherweise mit einem punktförmigen Lichtfleck gegen einen Reflektor. Allerdings stößt diese Variante an ihre Grenzen, wenn Objekte mit durchbrochener Oberfläche oder umschrumpfte Pakete oder Paletten durch depolarisierende Effekte sicher erkannt werden sollen. Um solche anspruchsvollen Aufgaben zu lösen, nutzt man bis dato Lichtgitter. Diese liefern die geforderte Bandbreite (Feldhöhe) und eine hohe Auflösung, haben aber auch einen entsprechend höheren PraxiswissenPreis. Um diese Aufgabe kostengünstiger zu lösen, hat etwa Leuze Electronic für seinen „Variablen Objekt Sensor“ (VarOS) eine patentierte Fresnell-Linse entwickelt, die den Lichtstrahl einer einzelnen Sendediode auf ein homogenes und breites Lichtband auffächert. Das Signal des reflektierten Lichts wird über die gleiche Linse auf die Empfangsdiode fokussiert. Auch die Abmessungen des Sensors entsprechen denen von Standardsensoren, die im Materialfluss zum Einsatz kommen und eine ähnlich große Optik aufweisen.
Die Lichtbandkanten sind dabei über die gesamte Reichweite von fünf Metern gleichförmig. Mit dem Funktionsprinzip des aufgefächerten Reflexions-Lichtbands schafft man einen Sprung bei der Einsatzbreite eines herkömmlichen Sensors. Das bis zu 60 Millimeter breite Lichtband erkennt unterschiedliche Objekte zwischen Sensor und Reflektor überall im Strahlbereich und ohne Totbereich. In der Praxis kommen variable Objekte recht häufig vor – das betrifft überhängende Antsbauteile, Höhenunterschiede von Ladungsträgern sowie kleine Beschädigungen, Rundungen oder Abstufungen. Zudem war es bisher schwierig, einen passenden Sensor für die Erkennungen von Gitterboxen zu finden, der keine Probleme mit der Gitterstruktur hat. Außerdem sollen manchmal ganz kleine Objekte wie Folienfetzen oder Verpackungsschnitzel ignoriert werden. Es spielt für den neuen Sensor auch keine Rolle, ob das Objekt halbtransparent, schwarz oder klein im Durchmesser ist, weit weg oder direkt vor dem Sensor steht oder ob es als unterbrochenes Gitter oder umstretchte Palette ausgeführt ist. Daraus ergeben sich vielfältige Einsatzfälle sowohl zur Positionserkennung, zur Überstandkontrolle, zur Aktivierung anderer Komponenten, zur Freiraumprüfung und sogar zur Aktivierung von Muting-Funktionen in der Arbeitssicherheit.
Die Einrichtung des Sensors wird erleichtert durch die gute Sichtbarkeit des Lichtbands, die leuchtstarken Status-LEDs und die einfache Anpassung der Empfindlichkeit. Durch Betätigen des Lern-Knopfs wird nach zwei Sekunden die erste Empfindlichkeitsstufe aktiviert für die Detektion von Elementen, die größer sind als zwölf Millimeter – beide LEDs blinken synchron. Nach sieben Sekunden Druckdauer erhält man die zweite Empfindlichkeitsstufe zur Detektion für Elemente, die größer als sieben Millimeter sind. Die LEDs blinken in diesem Fall abwechselnd. Für die weitere Feineinstellung steht eine Funktion mit schrittweiser Anpassung der Empfindlichkeit zur Verfügung. So bleibt eine Funktionsreserve auch bei schleichender Verschmutzung erhalten.
Die automatische Empfindlichkeitsnachregelung ALC reduziert dabei Reinigungszyklen. Standard-Befestigungszubehörteile erleichtern den Einsatz, weil sie ohnehin fast überall in der Intralogistik üblich sind und die Kompatibilität zu anderen Baureihen sicherstellen. Sowohl PNP- und NPN-Ausgangssignale als auch Standardanschlüsse mit M12-Stecker oder mit Kabelschwanz sind bei schaltenden Sensoren üblich und somit natürlich auch beim VarOS verfügbar. Nachdem das Objekt erkannt wurde, kommt im Materialfluss in vielen Fällen die Identifikation als Anforderung zum Tragen. Bei der Identifikation sind optische Codes weit verbreitet – entweder als 1D- oder 2D-Code ausgeprägt und mit entsprechenden Scannern lesbar. Technisch ist dies etabliert, wobei derzeit folgende Sachverhalte besonders zählen: die Einbindung in die Steuerung und die Parametrierung und Diagnosemöglichkeit. Deshalb punkten heute vor allem Scanner mit integrierter Feldbusschnittstelle, deren Parameter direkt der Steuerung zur Verfügung stehen. Ein weiterer großer Pluspunkt der so eingebundenen Geräte ist die Diagnosefähigkeit. Alle durch die Steuerung und den Feldbus zur Verfügung stehenden Dienste und Services können bis ins Gerät hinein genutzt werden – etwa um bei Störungen den Ursachen auf die Spur zu kommen. Speziell für die Ethernet-basierenden Netzwerke ist der integrierte Zwei-Port-Switch von Vorteil, da mit ihm eine Linientopologie möglich wird.
Vormontierte Sets
In Sicherheits-Lichtschranken-Sets sind Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtvorhänge und neuerdings auch Sicherheits-Lichtvorhänge in robusten Gerätesäulen so vormontiert, dass diese Sensoren ganz einfach in Höhe und Ausrichtung der Anwendung angepasst werden können. Damit werden das Suchen und Kombinieren von Einzelkomponenten sowie komplexe Aufbau- und Inbetriebnahmeprozesse überflüssig.
Die Gerätesäule beinhaltet einen kompletten Befestigungssatz für die Bodenmontage. Spezielle Federelemente im Fuß der Säulen ermöglichen die selbstständige Rückstellung nach mechanischen Stößen. Die Schutzfeldhöhen sind abhängig vom jeweiligen Set. Sie eignen sich für Standardanwendungen, aber auch für anspruchsvolle Applikationen mit Blanking oder Muting. In letzterem Fall kommen Sets mit vorjustierten Muting-Sensoren zum Einsatz. Diese Sets bestehen aus aufeinander abgestimmten Bausteinen (Muting-Sensor-Sets), die die Errichtung von Muting-Applikationen vereinfachen.
Tobias Schweikl