retrofit van een volautomatische palletwikkelaar floris...

Floris Boeve

Retrofit van een volautomatische palletwikkelaar

Academiejaar 2013-2014Faculteit Ingenieurswetenschappen en ArchitectuurVoorzitter: prof. Kurt StockmanVakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp

Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniekMasterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van

Promotoren: Dieter Vandenhoeke, Fabien Delbeke

Voorwoord

Graag zou ik van dit voorwoord gebruik willen maken om de mensen te bedanken die de realisatie van dezemasterproef mogelijk hebben gemaakt.

Als eerste zou ik mijn ouders willen bedanken die mij de kans gegeven hebben de studies Elektrotechniekafstudeerrichting Automatisering vier jaar lang te volgen. Zonder hun steun zou ik deze opleiding enmasterproef nooit tot een goed einde gebracht hebben.

Daarnaast wil ik ook mijn externe promotor Fabien Delbeke bedanken waarop ik altijd beroep kon doen met almijn vragen en problemen. Verder zou ik Bert Tytgat en Peter Vermeulen willen bedanken waarbij ik terechtkon voor alle technische aspecten omtrent deze masterproef.

Vervolgens wil ik Balta Group bedanken die mij de kans gegeven heeft om aan deze masterproef te beginnen.Dankzij hun heb ik kennis gemaakt met hoe het er aan toe gaat in de bedrijfswereld.

In het bijzonder richt ik ook een woord van dank aan mijn interne promotor Dieter Vandenhoeke voor z'nuitstekende begeleiding en advies. Niet te vergeten zijn natuurlijk ook alle docenten die mij de afgelopen jarende nodige kennis en inzichten hebben verschaft

Ten slotte wil ik een woord van dank richten tot al mijn medestudenten voor de vele onvergetelijke enplezante momenten tijdens de afgelopen vier jaar.

VI

Abstract

The subject of this thesis is the retrofit of a fully automatic stretch wrapper at the company Balta. The groupBalta is europe’s leading carpet manufacturer and are seen as a trend setter in rugs, broadloom carpet andcarpet tiles. This project is located in their own yarn extrusion division. The finished bobbins are stacked onpallets before they are packaged by the stretch wrapper.

The setup of this thesis consists of a Tendomatic arm stretch wrapper combined with a roller conveyorweighing system. Both are controlled with a individual PLC and HMI. The communication between the twosystems occurs by digital I/O handshake signals.

The main reason for the origin of this master thesis is the PLC program of the wrapping cycle. The constructionof this program consists of four sequential structures that are performed together during the wrapping cycle.Together they determine the state of the machine (outputs). The transition conditions of one sequencedepends often on the status of the other sequences. Also the program is full of redundant code, namelessvariables or variables with an incorrect name. All this makes the program extremely complex and almostimpossible to modify. One of the many consequences is that the current film consumption is too high and notadaptable.

Therefore, it was decided to bring all the logic in one PLC, which can be operated by one HMI.This also includes the temperature control of the filmsealing and the weighingbridge measurement who arenow implemented in separated controllers.

To design an organized program the choice of programming language is very important. For this projectSequential function chart is used. SFC is a graphical programming language defined by IEC 61131-3 that allow toefficiently build operation sequences in a structured way. Because of this, the logical division can be madebetween the conveyor cycle and the wrapping cycle.

A second aspect of this thesis is to find a low maintenance alternative to the tachogenerator which measuresthe film demand. An incremental magnetic ring encoder appeared to be the optimal solution because of its lackof mechanical moving parts and ease of installation.

VII

Lijst van afkortingen

CCORDIC COordinate Rotation DIgital Computer

HHMI Human Machine Interface

II/O Input/output

Kkmo kleine of middelgrote onderneming

PPLC Programmable Logic Controller

SSFC Sequential Function Chart

Inhoudsopgave

VOORWOORD.....................................................................................................................................V

ABSTRACT ......................................................................................................................................... VI

LIJST VAN AFKORTINGEN ...........................................................................................................VII

1 INLEIDING ....................................................................................................................................1

1.1. Bedrijfsvoorstelling ................................................................................................................................... 1

1.2. Situering van de Masterproef.................................................................................................................... 2

1.3. Probleemstelling ....................................................................................................................................... 3

2 DOELSTELLING ...........................................................................................................................4

3 PALLETWIKKELAARS...............................................................................................................5

3.1. Wikkelmachines met elastische folie ......................................................................................................... 63.1.1. Onderverdeling in automatisatiegraad ..................................................................................................... 63.1.2. Verschillende automatische wikkeltypes .................................................................................................. 7

3.2. Folieverdeler ............................................................................................................................................. 9

3.3. Voorrekken van folie ............................................................................................................................... 103.3.1. Voordelen................................................................................................................................................ 103.3.2. Realistie ................................................................................................................................................... 11

3.4. Belang van foliespanning......................................................................................................................... 123.4.1. Principe foliespanning ............................................................................................................................. 133.4.2. Moelijkheden .......................................................................................................................................... 133.4.3. Hoe wordt dit gerealiseerd?.................................................................................................................... 14

4 WIKKELCYCLUS....................................................................................................................... 16

5 DE PLC-STURING..................................................................................................................... 18

6 DE HMI........................................................................................................................................ 19

7 DE WEEGBRUG......................................................................................................................... 21

IX

7.1. Opstelling ................................................................................................................................................ 21

7.2. Uitlezing van het gewicht ........................................................................................................................ 22

8 TEMPERATUURREGELING VAN DE FOLIELAS............................................................... 23

9 VERANDERINGEN FOLIEAANVOER................................................................................... 25

9.1. Keuze alternatief ..................................................................................................................................... 27

9.2. Achterliggend werkingsprincipe .............................................................................................................. 28

9.3. Belangrijke selectiecriteria ...................................................................................................................... 299.3.1. Interpolatiefactor .................................................................................................................................... 299.3.2. Minimal edge separation ........................................................................................................................ 299.3.3. Maximale rotatiesnelheid ....................................................................................................................... 30

9.4. Afleiden van de snelheid uit een encodersignaal ..................................................................................... 30

9.5. Verminderen van het aantal foliebreuken ............................................................................................... 30

10 SAFETY.................................................................................................................................... 31

10.1. Basisopstelling....................................................................................................................................... 31

10.2. Muting................................................................................................................................................... 31

11 BESLUIT.................................................................................................................................. 33

12 LITERATUURLIJST .............................................................................................................. 34

13 BIJLAGEN................................................................................................................................ 35

13.1. Bijlage 1: Berekening van de variatie in vraag naar folie........................................................................ 35

X

Lijst van figuren

Figuur 1.1: Overzicht van de dochterondernemingen binnen Balta Group ............................................................. 1Figuur 1.2: Opbouw van een pallet met bobijnen ................................................................................................... 2Figuur 1.3: Een pallet terwijl hij een inpakcyclus doorloopt ................................................................................... 2Figuur 1.4: De S7-200 PLC die de palletwikkelaar aanstuurt .................................................................................. 3Figuur 2.1: Mechanische koppeling die de tacho aandrijft ..................................................................................... 4Figuur 3.1: Een lading tegels overtrekken met een hoes......................................................................................... 5Figuur 3.2: Een krimpkolom van Bocedisrl .............................................................................................................. 5Figuur 3.3: Een lading vastgelegd met stalen banden ............................................................................................ 5Figuur 3.4: Voorbeeld van een lasunit..................................................................................................................... 6Figuur 3.5: Een draaitafel-wikkelaar gekoppeld aan een rollenbaan ..................................................................... 7Figuur 3.6: Een Tendomatic A roterende armwikkelaar van Certis ......................................................................... 7Figuur 3.7: De mobiele wikkelaar zoekt zijn baan rond de pallet............................................................................ 8Figuur 3.8: Saturn S8 ringwikkelaar met dubbele filmdispenser ............................................................................. 8Figuur 3.9: Een orbitaalwikkelaar van Lantech....................................................................................................... 8Figuur 3.10: Folielift van de Orcad Classic............................................................................................................... 9Figuur 3.11: Roping die een opeenstapeling van kartonnen dozen bijeenhoud...................................................... 9Figuur 3.12: Het 'Split and Rope' systeem van de fabrikant Flex ............................................................................ 9Figuur 3.13: Een spanning - rek diagram van een typische stretch film [3] .......................................................... 10Figuur 3.14: Het creëren van voorrek.................................................................................................................... 11Figuur 3.15: Het verschil tussen een goede post-stretch instelling (rechts) en een slechte (links) ........................ 12Figuur 3.16: De invloed van meerdere wikkelingen over elkaar geen................................................................... 12Figuur 3.17: Benodigde filmtoevoer voor constante filmspanning ....................................................................... 13Figuur 3.18: Directe filmaanvoer........................................................................................................................... 14Figuur 3.19: Indirecte meting van de foliespanning door een cam-systeem......................................................... 14Figuur 3.20: Indirecte meting van de foliespanning door een tacho..................................................................... 15Figuur 4.1: De lasunit ............................................................................................................................................ 16Figuur 4.2: Cilinder voor het samenbundelen van folie ......................................................................................... 16Figuur 4.3: Bovenaanzicht van de volledige opstelling van de palletwikkelaar .................................................... 17Figuur 5.1 Voorbeeld van een SFC-structuur in PC Worx....................................................................................... 18Figuur 6.1 Overzicht werking Webvisit.................................................................................................................. 19Figuur 6.2 Screenshot overzicht instellingen wikkelparameters ........................................................................... 20Figuur 6.3 Instellingen wikkelparameters voor opwaardse cyclus ........................................................................ 20Figuur 7.1: Basisprincipe van een “load cell” ........................................................................................................ 21Figuur 7.2: Vier parallel geschakelde weegcellen met 6-draadse aansluiting ...................................................... 22Figuur 7.3: Het Thévenin-equivalent van 4 parallel geschakelde weegcellen ....................................................... 22Figuur 7.4: De IT 1000 weegmodule...................................................................................................................... 23Figuur 7.5: De IB IL SGI ingangskaart .................................................................................................................... 23Figuur 8.1: Schematisch overzicht huidige situatie temperatuurregeling............................................................. 23Figuur 8.2: Thermokoppel type J (kopper & Constantaan).................................................................................... 24Figuur 8.3: Correcte aansluitmethode voor verlengingen van thermokoppels ..................................................... 24Figuur 8.4: Optocoupler ........................................................................................................................................ 24Figuur 8.5: IB IL TEMP 2 UTH................................................................................................................................. 24Figuur 9.1: Overzicht genereren van post-stretch ................................................................................................. 25Figuur 9.2: Bovenaanzicht foliedoorhang filmlift .................................................................................................. 25

XI

Figuur 9.3: Tachosignaal(links) & snelheidsaansturing pre-stretchmotor (rechts) ............................................... 26Figuur 9.4: Incrementele magnetische ring encoder............................................................................................. 27Figuur 9.5: Intern schema kopsensor .................................................................................................................... 28Figuur 9.6: Edge separation & resolution.............................................................................................................. 29Figuur 10.1 Flexisoft-controller met gateway en drie I/O modules....................................................................... 31Figuur 10.2 L-muting ............................................................................................................................................. 32Figuur 10.3 Standaard Cross-muting opstelling voor ingaand verkeer ................................................................. 32Figuur 10.4 Cross-muting opstelling met achtergrondsupressie........................................................................... 32

1

1 Inleiding

1.1. Bedrijfsvoorstelling

Balta is in 1964 als kleinschalige kmo opgericht in het West-Vlaamse Sint-Baafs-Vijve door de familie Balcaen.Doorheen de jaren is het familiebedrijf uitgegroeid tot de Balta Group, één van de belangrijkste producenten inEuropa op het vlak van vloerbekleding. De bedrijvengroep bestaat uit zes dochterondernemingen (Figuur 1.1)met elk hun eigen producten.

De groep Balta heeft dan ook een zeer breed productengamma: van geweven karpetten (Balta Rugs) totkamerbreed tapijt (Balta Broadloom, ITC en Arc Edition), naaldvilttapijt, tapijttegels voor de residentiële markt,tapijttegels voor de contractmarkt (Modulyss®) en nonwovens (textielvlies) gefabriceerd in Captiqs®.Van de totale productie is 95% bedoeld voor export en dit naar meer dan 100 landen wereldwijd.

De Balta Group telt tien productievestigingen verdeeld over België en Turkije, en één distributiecentrum voorNoord-Amerika in Dalton, GA, VS. In deze filialen zijn 3417 mensen tewerkgesteld, waarvan de overgrotemeerderheid in West-Vlaanderen. Balta is dan ook de grootste industriële werkgever van de streek.

In 2004 werd Balta grotendeels overgenomen door Doughty Hanson & Co, een private Britse investeringsgroepdie tot op de dag van vandaag nog steeds de hoofdaandeelhouder van de textielgroep is.De tapijtenfabrikant realiseerde in 2012 een omzet van 623 miljoen euro.

Figuur 1.1: Overzicht van de dochterondernemingen binnen Balta Group

2

1.2. Situering van de Masterproef

Figuur 1.2: Opbouw van een pallet met bobijnen

Eenmaal de pallets compleet zijn, worden ze ingepakt en gewogen. Dit gebeurt op een volautomatischepalletwikkelaar (Figuur 1.3) gecombineerd met een rollenbaan waar een weegcel in vervat zit. Het doel vandeze masterproef is een retrofit van deze opstelling.

Figuur 1.3: Een pallet terwijl hij een inpakcyclus doorloopt

Deze masterpoef vindt plaats in de extrusie-afdeling van Balta Sint-Baafs-Vijve. Hier worden synthetischegarens geproduceerd om later te verwerken tot tapijten. Dit is een continu productieproces dat start vanuitpolypropeen-korrels (granulaten) en kleurkorrels (masterbatch). Deze grondstoffen komen samen in eenextruder terecht waar ze onder hoge druk en temperatuur smelten. Een pomp perst de vloeibare massadoorheen een spinplaat zodat filamenten (dunne draden) ontstaan. Een verdere nabehandeling van defilamenten is noodzakelijk om de gewenste elasticiteit en treksterkte te verkrijgen. Tenslotte wikkelen ze hetgaren rond een huls en stapelen de bobijnen in niveaus op Europallets (Figuur 1.2). Om deze vervoerbaar temaken voor heftrucks komt elke laag vast te liggen met een koord.

3

1.3. Probleemstelling

In 2006 werd in de extrusie-afdeling van Balta een ORCAD CLASSIC palletwikkelaar van het merk Thimonaangekocht bij Certis Benelux. Deze verpakkingsmachine, bestuurd door een S7-200 PLC van Siemens, isvoorzien van een HMI (Human Machine Interface) van het merk Proface voor het ingeven van parameters voorhet wikkelproces en het loggen van eventuele foutsituaties die optreden.

Figuur 1.4: De S7-200 PLC die de palletwikkelaar aanstuurt

Het door de fabrikant aangeleverde PLC programma is echter niet optimaal: Het PLC programma stamt af van de code van een ander type palletwikkelaar die aangepast werd.

Hierdoor staat het vol met ongebruikte code die geen functie meer vervult en commentaarregels dievoor verwarring zorgen.

Een deel van de variabelen heeft geen of een onduidelijke naam, wat de leesbaarheid van de codevermindert.

Het programma bevat vier stappenstructuren die tegelijk doorlopen worden om de wikkelcyclus vanéén pallet te voltooien. Bovendien gebeurt het aansturen van de actoren (uitgangen van de PLC) nietin deze stappen zelf maar in aparte functieblokken. Dit maakt het doorgronden van de code complexen zeer onoverzichtelijk.

De fabrikant heeft eveneens de mogelijkheid voorzien om de palletwikkelaar te combineren met eender welktransportsysteem van de klant. Bij Balta bestaat dit uit een driedelige rollenbaan waarvan de middelste eenweegcel bevat. Deze is volledig geprogrammeerd in een ILC 150 PLC van Phoenix Contact. Bij het begin van derollenbaan staat een tweede HMI waar de heftruckbestuurder de pallet scant en het aantal bobijnen die depallet bevat moet ingeven. Hierdoor kan het opgemeten gewicht aan de juiste pallet gekoppeld worden. DeHMI loopt echter geregeld vast, waarna enkel een reset nog redding brengt.

De communicatie tussen de twee PLC controllers gebeurt op basis van klassieke I/O. Een correcte werking vanhet geheel wordt gegarandeerd door autorisaties te geven (digitale uitgangen) en vrijgaven te ontvangen(digitale ingangen). Een nadeel hiervan is dat, als om een bepaalde reden een inpakcyclus niet volledig wordtafgewerkt, het zeer moeilijk is om beide systemen weer in operationele mode te krijgen.

4

2 Doelstelling

Het doel van deze masterproef is de sturing van de machine volledig te herzien. De combinatie van de huidigetwee PLC’s moet hierbij vervangen worden door één Phoenix Contact PLC die de volledige sturing voor zichneemt. Een logisch gevolg hiervan is dat ook een nieuw elektrisch ontwerp noodzakelijk is. Het is dan ook debedoeling dat de oude elektrische kast volledig verdwijnt om vanaf nul te starten met de opbouw van eennieuwe kast.

Verder zijn aan deze ombouw enkele voorwaarden gekoppeld: Er dient één centrale HMI voorzien te worden bij de opstelling die toelaat om de machine zowel te

parametreren als de status ervan op te volgen. In de opstelling is een analoge tacho aanwezig om de foliespanning constant te houden. Deze meet de

snelheid van een rolbaar waar de folie over loopt. De mechanische koppeling tussen beide is eenelastische riemverbinding (Figuur 2.1). Voor zowel de mechanische koppeling als de tacho moet eenalternatief gezocht worden. Bij de snelheidsmeting ligt de focus op het zoeken naar eenonderhoudsarme oplossing.

Figuur 2.1: Mechanische koppeling die de tacho aandrijft

Op het einde van de cyclus zorgt een vermogenweerstand ervoor dat het uiteinde van de folievastsmelt aan de pallet. De temperatuurregeling van de folielas gebeurt in de huidige opstelling d.m.v.een afzonderlijke controller. Deze logica moet bij het nieuw concept geïntegreerd worden in de PLC.

Bovenstaande aanpassingen zouden moeten leiden tot een geheel dat minder complex is en gelijktijdig ook eenhogere performantie biedt.

De Orcad Classic draait 24 uur op 24 en is een onmisbaar gegeven op de productievloer van Balta. Problementijdens de opstartfase van het nieuwe systeem dienen dan ook zoveel mogelijk vermeden te worden . Het zaldus van groot belang zijn het PLC programma vooraf grondig te testen en met alle mogelijke scenario’srekening te houden.

5

3 Palletwikkelaars

In de industrie zijn pallets tegenwoordig niet meer weg te denken als het gaat over het vervoer van goederen.Het European Federation of Wooden Pallet and Packaging Manufacturers (FEFBEP) schat dat in Europa alleen al3 biljoen pallets circuleren [1]. Om te voorkomen dat ladingen beschadigd geraken tijdens het transportworden deze gezekerd.

In de industrie bestaan er drie methoden om de ladingszekerheid van een pallet te garanderen: Krimpfolie Rekfolie Banding

Krimp- en rekfolie zijn gebaseerd op dezelfde achterliggende techniek. Bij beide wordt er verpakt in folie. Ditkan door een plastieken hoes over de pallet te trekken (Figuur 3.1) of te omwikkelen met folie waarna de palletzich vastzet door het elastisch herstel van de folie. Het verschil zit in de manier waarop dit gebeurt. Rekfoliewordt tijdens het inpakken elastisch uitgerokken en krimpt terug naar initiële toestand wanneer het rond depallet zit. Bij krimpfolie daarintegen moet het ‘geheugen’ van de film geactiveerd worden door verhitting in eenoven of krimpkolom (Figuur 3.2)

Figuur 3.1: Een lading tegels overtrekken met een hoes Figuur 3.2: Een krimpkolom van Bocedisrl

Bij banding, ook gekend als strapping, wordt de lading omsnoerd door een flexibele band met als doel de ladingbijeen te houden en vast te leggen op de pallet. Deze band kan uit verschillende materialen bestaan zoals staal,plastiek (nylon, polyester, …) of koord.

Figuur 3.3: Een lading vastgelegd met stalen banden

6

Vanaf hier zal enkel nog gesproken worden over het inpakken door elastische folie te wikkelen rond een pallet.Dit is de methode die de Orcad Classic uit deze masterproef gebruikt om pallets met bobijnen bijeen tehouden.

3.1. Wikkelmachines met elastische folie

3.1.1. Onderverdeling in automatisatiegraad

Er wordt onderscheid gemaakt tussen drie soorten wikkelmachines op basis van hun automatisatiegraad.

Manuele wikkelmachines waarbij alle handelingen handmatig gebeuren. Manuele machines zorgen ervoor datde operatoren zich niet meer verwonden aan de huls van de rol folie. Toch zijn er nog enkele nadelenaanwezig: het is een zeer arbeidintensieve en logge manier van werken en ergonomisch slecht voor de persoondie het doet.

Bij semi-automatische machines wordt de folie automatisch verdeeld rond de lading door één of meerderfolieverdelers. De enige manuele handeling die moeten gebeuren is het vastleggen van de folie bij het beginvan de inpakcyclus. Op het einde van de cyclus moet de operator de folie weer lossnijden en het uiteinde vande film aandrukken tegen de lading.

Een variant hierop is de volautomatische wikkelmachine waarbij geen menselijke tussenkomt meer nodig is.Dit type is van toepassing op deze masterproef. Een lasmodule (Figuur 3.4) zorgt ervoor dat na afloop van deverpakkingstaak het uiteinde van de film losgesneden en vastgesmolten wordt aan de pallet. Het anderuiteinde van de folie zit hierbij vastgeklemd zodat direct kan gestart worden met het inpakken van de volgendegoederen. Meestal gebeurt de aanlevering van volgeladen pallets d.m.v. een transportbandsysteem.

Figuur 3.4: Voorbeeld van een lasunit

In de praktijk bezitten sommige volautomatische wikkelaars nog extra opties zoals het aanbrengen vanbeschermingen op de hoeken en het bedekken van de bovenkant van de lading met een beschermcover tegenvochtigheid en stof.

7

3.1.2. Verschil lende automatische wikkeltypes

Het gamma van palletwikkelaars is door de jaren heen enorm gegroeid. Hieronder volgt een omschrijving vande meest voorkomende types. De opstelling uit de masterproef behoord tot het tweede type dat hieronderbesproken wordt.

Bij de draaitafel-wikkelaar (Figuur 3.5) draaien de goederen rond terwijl de filmlift op en neer beweegt volgenseen ingesteld wikkelpatroon. Dit type is niet geschikt voor lichte ladingen aangezien de middelpuntvliedendekracht ervoor zou zorgen dat de pallet omkantelt. Sommige fabrikanten van draaitafel-wikkelaars voorzien hiereen oplossing voor, meestal uitgevoerd in de vorm van een plaat die bovenop de pallet gedrukt wordt en kanmeedraaien. Extreem zware ladingen zijn eveneens niet evident aangezien deze op korte tijd een aanzienlijkerotatiesnelheid moet bereiken.

Figuur 3.5: Een draaitafel-wikkelaar gekoppeld aan een rollenbaan

Op Figuur 3.6 is een wikkelaar te zien waarbij de lading stil blijft staan en de folie verdeeld wordt door een armdie de filmverdeler ronddraait. Dit wordt een wikkelaar met roterende arm genoemd. In tegenstelling tot eendraaitafel-wikkelaar kan dit type beter omgaan met onstabiele, breekbare en extreem zware goederen. Dewikkelaar in de masterproefopstelling behoord tot deze soort.

Figuur 3.6: Een Tendomatic A roterende armwikkelaar van Certis

8

Hiervan bestaat ook een mobiele variant (Figuur 3.7). De robot-wikkelaar zoekt zijn weg omheen het object dathij aan het inpakken is. Het voordeel hiervan is dat arbeiders geen transpallet of heftruk nodig hebben om depallet juist te positioneren. Het volstaat om de robot manueel te besturen tot hij naast de in te pakkengoederen staat en op de start knop te drukken. De veiligheid van de arbeiders die in de fabriekshal rondlopenwordt gegarandeerd door een rubberen band onderaan de wikkelaar die zodra hij een botsing detecteert allebewegingen stopt.

Figuur 3.7: De mobiele wikkelaar zoekt zijn baan rond de pallet

Het volgende type van wikkelaars bestaat in twee varianten waarin het bewegingsvlak van de filmwagenverschilt. Namelijk horizontaal (Figuur 3.8) en verticaal (Figuur 3.9). De respectievelijke namen zijnringwikkelaar en orbitaalwikkelaar. Deze kunnen een veel grotere capaciteit (pallets per uur) aan dan devorige besproken types en zijn tevens onderhoudsvriendelijker.

Figuur 3.8: Saturn S8 ringwikkelaar met dubbelefilmdispenser

Figuur 3.9: Een orbitaalwikkelaar van Lantech

8






8






9

3.2. Folieverdeler

In Figuur 3.10 is de folieverdeler van de Orcad Classic te zien. Op deze folielift zit een bevestigingssysteem voorde rol wikkelfolie die gebruikt wordt om de pallets in te pakken. Wanneer de cyclus van de folie wordt gevolgd,passeert deze eerst langs twee instelbare pinnen. Deze kunnen tegen de folierand worden gezet waardoor defolierand oprolt. Hierdoor verhoogd de weerstand tegen inscheuren, waardoor het aantal foliebreukengereduceerd kan worden. Daarna passeert de folie langs een ingenieus folievoorrek-systeem. Tenslotte verlaatde film de lift en wordt ze op de pallet aangebracht.

Figuur 3.10: Folielift van de Orcad Classic

Langs de rechterkant op Figuur 3.10 is ook een schuine roller te zien die pneumatisch verticaal kan bewegen.Deze kan de folie, bij het verlaten van de lift, samendrukken tot een koord, ook wel roping genaamd. Dit is eengoedkope manier voor het inpakken van zware ladingen. Door de folie te bundelen kan ze met een groterekracht aangebracht worden, wat de stabiliteit van de pallet ten goede komt [2]. Hierdoor wordt een hoop folieuitgespaard tegenover een pallet die gewoon omwikkeld wordt (er zijn meer lagen nodig om dezelfde stabiliteitte verkrijgen). Ter volledigheid dient ook nog vermeld te worden dat er ook systemen op de markt zijn die: Twee of drie rollers bevatten waartussen de folie geplet wordt, waardoor de bundel folie kleiner

wordt en nog steviger is. Meerdere rope’s tegelijk kunnen maken door de folie te splitsen zoals te zien op Figuur 3.12.

Figuur 3.11: Roping die een opeenstapeling vankartonnen dozen bijeenhoud

Figuur 3.12: Het 'Split and Rope' systeem van defabrikant Flex

10

Verder bevat de filmwagen langs de andere kant ook een fotocel die de bovenkant van een pallet kandetecteren, waardoor een variabele pallethoogtes geen probleem vormen.

3.3. Voorrekken van folie

3.3.1. Voordelen

Het voordeel van het voorreken van rekfolie kan duidelijk gemaakt worden d.m.v. zijn spanning-rek curve.Een typische curve voor rekfolie staat getekend in Figuur 3.13. Op de x-as is het rekpercentage van de folieaangeduid en op de y-as de spanning die op de folie nodig is om deze rek te verkrijgen. Indien de kracht op defolie stelselmatig opgedreven wordt zal de folie in het eerste gebied (tot in punt A) lineair uitrekken(verhouding spanning op rek blijft constant). Eenmaal over dit punt is dit niet meer zo. Punt B is de grenstussen elastische en plastische vervorming (blijvende) en als nog verder wordt gegaan zal de folie breken (puntC). Het gebied tussen de punten B en C wordt het verhardingsgebied genoemd omdat de folie stijver wordt.Het doel van pre-stretchen is de film uit te rekken tot in dit gebied. Ondanks dat de meeste folie pas breekt op500% wordt in de praktijk de folie meestal niet meer dan 300% (1m folie wordt 4 m) gebruikt als pre-stretchfactor.

Figuur 3.13: Een spanning-rek diagram van een typische stretch film [3]

De voordelen van dit gebied zullen duidelijk gemaakt worden a.d.h.v. een voorbeeld.Stel dat de folie wordt voorgerekt op 300%, dan is de folie dus plastisch vervormd. Wordt de folie weerlosgelaten dan zal de folie een klein beetje terugveren (Oranje lijn). Dit zal gebeuren volgens de spannings-rekverhouding in het lineair gebied. Om de folie nu nog eens plastisch te vervormen is geen 11MPa nodig maar20MPa, wat bijna het tweevoud is. Het is dus moeilijker geworden om de folie blijvend te vervormen. Hierdoorkan in de verpakkingswereld geld uitgespaard worden op folie want er is minder film nodig om dezelfdeladingszekering te verkrijgen.

11

Een eenvoudige praktische test kan dit ook aantonen. Neem een wikkeling vast van een pallet ingepakt metniet-voorgerekte folie. Trek hieraan met een kracht en laat de folie weer los. De folie zal hierdoor plastischvervormt zijn en de wikkeling zal los rond de pallet hangen. Herhaal dit voor een pallet met voorrek. Hierbij zalhet veel meer kracht kosten om de folie even ver van de pallet weg te trekken. Bovendien zal bij het loslaten defolie terugveren zodat de goederen op de pallet weer vast zitten.

Aan pre-stretch zijn ook twee nadelen verbonden [4]: De folie is dunner geworden, waardoor deze makkelijker scheurt bij een spanning die een andere

richting heeft dan de aangebrachte voorrek-spanning . Zo’n kracht treedt bijvoorbeeld op bij hetomwikkelen van goederen met scherpe randen.

Hoe groter het voorrek-percentage, hoe minder elastisch herstel de folie vertoont. Dit is nochtans hetbasisconcept van inpakken met rekfolie. Uit de praktijk blijkt dat er echter nog voldoende elastisch‘geheugen’ overblijft.

3.3.2. Realistie

Het voorreken gebeurt in de filmdispenser, waar de folie over twee rollen heen gestuurd wordt met eenspeciale coating voor extra grip op de film. Door de secundaire pre-stretch rol met een hogere snelheid aan testuren dan de primaire, rekt de folie ertussen uit (Figuur 3.14). Het percentage waarmee de film uitrekt hangtaf van de verhouding tussen de snelheden en de diameters van deze rollen.

Figuur 3.14: Het creëren van voorrek

Er kan onderscheid gemaakt worden tussen drie soorten voorrekaansturingen. Pre-stretch: het voorrek-percentage ligt vast door de overbrengingsverhouding van de twee rollen.

De rollen komen in beweging door de foliespanning tussen de lading en de filmwagen (Figuur 3.14) Power pre-stretch:

De foliedispenser uit deze masterproef (Figuur 3.10) behoort tot dit type. Het enige verschil met devoorgaande aansturing is dat nu niet meer de folie maar een motor de rollen doet bewegen (meestalop de primaire rol).

Regelbare power pre-stretch :Het voorrek-percentage kan op elk moment gewijzigd worden op een HMI omdat beide pre-stretchrollen aangestuurd worden door een afzonderlijke motor.

12

3.4. Belang van foliespanning

In de industrie bestaat de opvatting dat een hogere pre-stretch de goederen op een pallet beter samenhoudt.Dit is echter onwaar [5]. Het samenhouden van een lading wordt enkel bepaald door de foliespanning. Dit is despanning die aanwezig is tussen de pallet en de foliewagen (Figuur 3.14). Anders gezegd, het is de kracht dienodig is om uitgerekte folie tussen pallet en foliewagen terug te laten keren naar zijn originele staat. Hetpercentage dat de folie wordt uitgerekt is gekend onder de naam post-stretch en is rechtstreeks gerelateerdaan de filmkracht. Het is deze stretch die de lading zal samenhouden wanneer de folie zich elastisch herstelt(kan tot 16 uren duren na het verpakken van de pallet).

De gebruiker is geneigd de foliespanning zo hoog mogelijk in te stellen, zodat zo weinig mogelijk wikkelingennodig zijn. De foliespanning moet niettemin om bepaalde redenen toch gelimiteerd worden [6]: Aangezien de folie altijd haakt achter een hoek van de pallet, kan de filmspanning de hoeken indeuken

(zichtbaar op Figuur 3.15). Dit is zeker het geval wanneer indeukbare goederen zoals lege PET-flesseningepakt worden.

Afhankelijk van het gewicht bestaat de kans dat de filmspanning goederen van hun pallet aftrekt.

Figuur 3.15: Het verschil tussen een goede post-stretch instelling (rechts) en een slechte (links)

Is toch een grotere ladingszekering nodig, dan dienen gewoon meerdere lagen over elkaar gelegd te worden.In Figuur 3.16 is het gevolg hiervan te zien (op de y-as is de meting uitgezet van krachtsensor bevestigd op eenpallet terwijl hij ingepakt wordt).

Figuur 3.16: De invloed van meerdere wikkelingen over elkaar geen

12









12









13

3.4.1. Principe foliespanning

Foliespanning kan geregeld worden door de folietoevoer te beperken. Bij pre-stretch foliewagens gebeurt ditdoor de motorsnelheid te regelen van de voorrek. Gewone folieliften hebben een weerstandsrol waarlangs defolie moet passeren. Hier bestaan twee varianten in: een mechanisch of een elektromagnetisch geremde rol.

Opmerking: Post-stretch zou de werking van voorrek deels kunnen overnemen. Dit wordt echter niet gedaanomdat post-stretch stukken moeilijker te controleren is. M.a.w. er wordt niet gepoogd de voorgerekte folie nogeens opnieuw plastisch te vervormen. De narek wordt zodanig ingesteld dat in het elastisch gebied geblevenwordt.

3.4.2. Moelijkheden

Bij het aanbrengen van folie is de hoofdbedoeling een constante foliespanning. Het inpakken van een nietcirkelvormige omtrek is echter problematisch. Om dit aan te tonen werd een Matlab script geschreven dat ditprobleem toelicht. In Figuur 3.17 zijn de resultaten van het script zichtbaar (zie bijlage 1). Hierin werd berekendmet welke snelheid de film toegevoerd moet worden zodat geen narek ontstaat (post-stretch 0%). Omdat hetdenkbaar is dat scherpe hoeken een andere invloed hebben dan afgeronde werden beide berekend. Voor derotatiesnelheid van de armwikkelaar is 12tr/min genomen en voor de afronding van de pallethoeken een straalvan 15cm (vergelijkbaar met de pallets die in Balta ingepakt worden).

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315° 360°Hoekpositie roterende arm (°)

Rechte hoeken Afgeronde hoeken

Folietoevoer (m/s)

Figuur 3.17: Benodigde filmtoevoer voor constante filmspanning

In de resultaten zijn duidelijke vier dips te zien die telkens voorkomen wanneer het punt verandert waarachterde folie blijft haken aan de pallet. Zowel bij rechte als afgeronde hoeken zijn de maximumwaarden van defolietoevoersnelheid bijna het dubbele van de minimumsnelheid. Om de foliespanning constant te houden zaler dus een sensor nodig zijn die deze variatie opmeet, waardoor de controller de filmtoevoer kan regelen.

14

3.4.3. Hoe wordt dit gerealiseerd?

De terugkoppeling van de foliespanning naar de controller die de aanlevering van pre-stretch film aanstuurt,kan zowel direct als indirect gerealiseerd worden.

Voor de directe methode gebeurt dit d.m.v. rekstrookjes. Deze zijn bevestigd op beide uiteinden van één vande rollen die de folie aandoet na de pre-stretch (Figuur 3.18). De controller berekent met deze twee metingenwelke kracht de folie uitoefent op die roller (dit is dezelfde kracht die de pallet zal samenhouden) en zal opbasis daarvan de filmaanvoer sturen.

Figuur 3.18: Directe filmaanvoer

Voor een indirecte meting moet een “dancer bar” aanwezig zijn in de filmwagen. Dit is een rol waarlangs defolie passeert die kan roteren rond een centerpunt. Deze rotatie wordt beperkt door een veer, waardoor voorieder filmspanning de “dancer bar” een andere positie in neemt. Door deze positie op te meten kan dus deaanwezige filmspanning achterhaald worden (Figuur 3.19). Deze wordt dan in de controller vergeleken met degewenste filmspanning en op basis daarvan kan passend gereageerd worden.

Figuur 3.19: Indirecte meting van de foliespanning door een cam-systeem

In de folielift van de Orcad Classic zit een variant van dit type. Op de rol waar de folie de filmdispenser verlaatmeet een tacho de snelheid van de folie (Figuur 3.20). Door deze te vergelijken met de foliesnelheid op hetpunt dat ze de pre-stretch verlaat, kan bepaald worden hoeveel post-stretch (narek) er op de film zit. Integenstelling tot de vorige methodes is er in de PLC geen richtwaarde voor de filmspanning aanwezig maar welvoor de narek waardoor opnieuw de filmtoevoer geregeld kan worden. Post-stretch en filmspanning zijneigenlijk juist hetzelfde op een constante na (folieafhankelijk). M.a.w. als de folieleverancier verandert, moetde wenswaarde in de HMI aangepast worden om pallets met dezelfde foliekracht als vroeger te blijveninwikkelen.

15

Ook bij deze methode is een “dancer bar” noodzakelijk (blauwe pijl in Figuur 3.20). Deze vangt namelijk deveranderingen in filmvraag door de omtrek van de pallet op.

Voorbeeld werkingAls de filmlift een hoek van een pallet passeert dan zal de filmvraag vergroten en dus ook de filmspanning.Door deze verandering in spanning zal de “dancer bar” roteren waardoor de folie sneller passeert lang detacho. Zo weet de controller dat hij meer folie moet aanleveren. Het gevolg is dat de foliespanning verminderten de “dancer bar” zijn initiële positie weer in neemt. Zo wordt een constante foliespanning gegenereerd.

Figuur 3.20: Indirecte meting van de foliespanning door een tacho

16

4 Wikkelcyclus

In dit hoofdstuk worden vereenvoudigd de stappen van een volledige wikkelcyclus overlopen a.d.h.v. Figuur 4.3waarop de volledige opstelling van de palletwikkelaar staat afgebeeld.

De wikkelcyclus start met een heftruckbestuurder die een afgewerkte pallet op de bovenste rollenbaan plaatst.De operator dient op een HMI-panel het aantal bobijnen die zich op de pallet bevinden in te geven en debarcode van de pallet te scannen. Wanneer dit gedaan is, wordt de in-te-pakken pallet getransporteerd naar demiddelste rollenbaan, die eveneens een weegbrug is. Om de efficiëntie te bevorderen krijgt de operator demogelijkheid om meteen nadat de eerste transportband vrij is, de volgende pallet in te geven.

Wanneer de pallet bijna op zijn eindpositie is, vertraagt de rollenbaan in snelheid. Twee optische sensorencontroleren of de pallet zijn wikkelpositie heeft bereikt, waarna de transportband tot stilstand wordt gebracht.Een correcte positionering is van noodzakelijk belang aangezien anders de mogelijkheid bestaat dat dewikkelarm tijdens de wikkelcyclus de pallet raakt waardoor deze zou kunnen kantelen.

De volgende stap is het wegen van de met bobijnen gevulde pallet. Hiervoor wordt een ventiel aangestuurddie zorgt voor de luchtafvoer uit de vier luchtbalgen die op de hoeken gepositioneerd zijn van de middelsterollenbaan. De rollenbaan zakt terwijl de pallet op dezelfde hoogte blijft staan door een steunplatform die zichtussen de rollen bevindt. Onder de hoeken van dit platform zijn vier weegcellen aangebracht. Het moment datvier inductieve sensoren bevestigen dat de rollenbaan volledig beneden is en de pallet dus volledig op hetplatform steunt, wordt de meetwaarde van het gewicht gekoppeld aan de barcode die eerder gescand werd.

Nu kan de eigenlijke wikkelcyclus beginnen. De wikkelarm begint te roteren terwijl de folielift zich volgens hetingestelde wikkelpatroon en met de ingestelde foliespanning naar boven begeeft. Eenmaal de bovenkant vande pallet gedetecteerd wordt, zullen nog enkele gedeeltelijk overlappende folielagen boven de pallet wordenaangebracht zodanig dat het karton op de bovenste laag bobijnen goed wordt vastgezet. Vervolgens zakt de liftterug naar beneden. Daar aangekomen worden extra “ropes” (samengebundelde folie) en wikkelingenaangebracht zodat de lading aan zijn pallet is vastgezekerd. De “ropes” worden gecreëerd door een piston meteen schuin opgestelde folierol (roteert mee door de wrijving met de folie die er voorbij passeert) die de folienaar beneden drukt (Figuur 4.2).

De laatste twee omwikkelingen van de wikkelarm worden gebruikt door de lasunit (Figuur 4.1) onderaan samente smelten, los te snijden en het los einde van de folie vast te klemmen voor de volgende pallet die ingepaktmoet worden. Hierna keert de wikkelaar terug naar zijn homepositie. De luchtbalgen aan de zijkant van derollenbaan vullen zich opnieuw zodat deze op hetzelfde niveau komt als de overige twee rollenbanen. Zodra dithet geval is, wordt de ingepakte pallet afgevoerd.

Figuur 4.1: De lasunit Figuur 4.2: Cilinder voor het samenbundelen van folie

17

Figuur 4.3: Bovenaanzicht van de volledige opstelling van de palletwikkelaar

18

5 De PLC-sturing

Omdat het proces gezien kan worden als een grote stappenstructuur wordt gekozen voor de programmeertaal‘Sequential function chart’ (Figuur 5.1) die opgenomen is in de IEC 61131-3 norm.

Figuur 5.1 Voorbeeld van een SFC-structuur in PC Worx

Dit is een grafische programmeertaal die gebaseerd is op GRAFCET. Hierbij zijn acties gedefinieerd die wordenuitgevoerd op basis van hun qualifier en de stap waaraan ze gelinkt zijn. De qualifier ‘N’ staat bijvoorbeeld voorhet continu uitvoeren van de actie zolang de actie actief is. Verder bestaan ook de qualifiers set, reset, pulse,time delayed, enz. Stappen zijn verbonden met voorwaarden die beslissen of de volgende stap actief magworden.

De opbouw van het programma bestaat uit twee sequentiële SFC-structuren. Enerzijds alles dat te maken heeftmet het aan- en afvoeren van pallets. Anderzijds alles dat te maken heeft met de eigenlijke wikkelcyclus. Beidebezitten drie werkingsmodes, namelijk automatisch, manueel en reset. De connectie tussen de twee is gelegddoor een stap in de transportcyclus die toestemming heeft om de wikkelcyclus te starten. Wanneer dezevoltooid is zal het transport kunnen overgaan naar zijn volgende stap waardoor de pallet kan afgevoerdworden. Tenslotte is er een derde sequentie aangemaakt die alle algemene blokken iedere cyclus oproepen.

De volledige wikkelcyclus kan aangepast worden naar wens via de HMI. Er is gekozen om alles tot in detail tekunnen wijzigen zodat de gewenste ladingszekerheid verkregen kan worden met een minimum aanfolieverbruik. Een gevolg hiervan is dat er veel parameters ingesteld moeten worden. Om dit nadeel tecompenseren worden de wikkelparameters opgeslagen op de FTP-server van de PLC. Zelfs na een volledigereset van de PLC, worden bij een herstart de meest recente wikkelparameters ingeladen.

Overgangsvoorwaarde

Stap

ActieQualifier

19

6 De HMI

Figuur 6.1 Overzicht werking Webvisit

Het HMI project wordt gemaakt met de software Webvisit van Phoenix Contact. Webvisit zorgt ervoor dat eenwebsite gebruikt kan worden als visualisatie. Alle benodigde bestanden hiervoor dienen op de FTP-server vande PLC gezet te worden. Via de geïntegreerde webserver kan de visualisatie dan in iedere browser getoondworden die in hetzelfde netwerk zit als de PLC. De enige voorwaarde is dat de browser Java moetondersteunen. De webpagina kan ook gelinkt worden aan de procesdata van de PLC, waardoor de status vande I/O-punten op afstand gewijzigd en gelezen kan worden.

Bij het ontwikkelen van de HMI werd vooral gefocust op een gebruiksvriendelijk ontwerp: Er is gekozen om het volledige wikkelproces grafisch te visualiseren. Hierdoor kan de operator te allen

tijde zien in welke stap de wikkelprocedure zich bevindt. Eveneens kunnen de overgangvoorwaardenom naar de volgende stap te gaan opgeroepen worden. Hierdoor wordt het perfect mogelijk eendiagnose te stellen waarom de machine vast zit in een bepaalde status.

Er is een uitgebreide foutmelding en logging voorzien zodat bij het optreden van een probleem deoperator extra info krijgt over de fout en hoe hij deze moet oplossen.

Om de operator niet te laten verdwalen in de menu’s wordt een groot gedeelte van de visualisatieafgeschermd met paswoord. Er is eveneens een automatische afmelding voorzien voor gebruikers dieeen bepaalde tijd geen actie meer uitvoeren op de HMI. Hierdoor wordt voorkomen dat nietgeautoriseerde personen toegang krijgen tot bijvoorbeeld de instellingen van de wikkelparameters.

In Figuur 6.2 en Figuur 6.3 is te zien hoe de visualisatie eruit ziet voor het aanpassen van de wikkelparameters.Rechtsonder krijgt de gebruiker ook de kans om de HMI in zijn voorkeurstaal te zetten. Momenteel zijn demogelijkheden Nederlands, Frans of Engels.

19

6 De HMI








19

6 De HMI








20

Figuur 6.2 Screenshot overzicht instellingen wikkelparameters

Figuur 6.3 Instellingen wikkelparameters voor opwaardse cyclus

21

7 De weegbrug

7.1. Opstelling

Het wegen van pallets met bobijnen gebeurt op een platform met op elke hoek een “load cell”. Een load cellbestaat uit vier rekstrookjes die bevestigd zijn op een buigbaar frame (Figuur 7.1). Wanneer dit frame belastwordt, zal dit frame vervormen en worden de rekstrookjes samengedrukt of uitgerekt waardoor hun weerstandverandert. Hieruit kan de belasting afgeleid worden. Omdat deze weerstandsveranderingen klein zijn, wordende rekstrookjes opgenomen in een “Brug van Wheatstone”.

Figuur 7.1: Basisprincipe van een “load cell”

De verschilspanning die gemeten wordt in de brug is een maat voor de belasting van de load cell. Deverhouding tussen dit lineair verband staat bekend als de karakteristiek van een weegcel (standaard uitgedruktin mV/V). Dit omschrijft de uitgangspanning in functie van de voedingsspanning van de brug bij maximalebelasting. Dit betekent als op de voedingskabels van de weerstandsbrug een spanning wordt gezet van 5V bijeen load cell met een karakteristiek van 4mV/V die maximaal belast is, een spanning gemeten worden van 10mV. Kleine spanningen zijn gevoelig voor elektromagnetische interferentie. Het “shield” van de aansluitkabelsdient dan ook correct aangesloten te worden.

Er bestaan weegcellen met zowel vier als zes aansluitdraden. Het verschil zit in de manier waaropweerstandsveranderingen in de kabel door temperatuurverschillen worden gecompenseerd. Bij de vier-draadse aansluiting maakt de kabelweerstand deel uit van de compensatie. Het gevolg hiervan is dat de kabelgeleverd door de fabrikant niet ingekort of verlengd mag worden. In de opstelling van de palletwikkelaar isalles zes-draads aangesloten. Hierbij worden twee “sense” draden gebruikt die de werkelijke voedingspanningvan de brug hoog-ohmig opmeten. Hierdoor wordt de temperatuurafhankelijke spanningsval over dekabelweestand van de voedingslijnen niet in rekening gebracht. Deze aansluittechniek heeft geen beperking ophet vlak van kabellengte. Een zes-dradige load cel mag nooit vier-draads aangesloten worden.

22

De aansluiting van vier load cellen gebeurt parallel zodanig dat maar één signaal verwerkt moet worden (Figuur7.2). Door het parallel schakelen van de weegcellen, middelen de verschilspanningen van de vier bruggen zichuit. Aangezien het gewicht van de pallet de som is van de kracht op de weegcellen, moet de gemeten waardegewoon verviervoudigd worden.

Figuur 7.2: Vier parallel geschakelde weegcellen met zes-draadse aansluiting

Bij dit type configuratie moeten wel enkele zaken in acht worden genomen om een correcte meting tebekomen: De gebruikte weegcellen moeten dezelfde karakteristiek bezitten Iedere weegcel wordt belast door de uitgangsimpedantie van de anderen (Figuur 7.3). Daarom dienen

de weegcellen dezelfde uitgangsimpedantie te hebben.Indien hier niet aan voldaan wordt, dienen balansweerstanden in de kring aangebracht te worden.

Figuur 7.3: Het Thévenin-equivalent van vier parallel geschakelde weegcellen

7.2. Uitlezing van het gewicht

De verwerking van het signaal kan door zijn kleine waarde niet rechtstreeks gemeten worden door een analogeingangskaart van een PLC. In de huidige opstelling is hiervoor een weegmodule (Figuur 7.4) gebruikt die hetsignaal versterkt en converteert naar een 4-20mA signaal dat door de S7-200 PLC ingelezen kan worden. Demodule beschikt eveneens over de mogelijkheid om de weegbrug te kalibreren. In het vernieuwde ontwerpwordt de functie van deze module overgenomen door een “IB IL SGI”-ingangsmodule van Phoenix Contact(Figuur 7.5) die rechtstreeks op de “backplane bus” van de Phoenix PLC kan gekoppeld worden in het InlineInterbus netwerk. Een voordeel hiervan is dat alle logica zich in de schakelkast bevindt en dat het kalibrerenvan de weegbrug vanop het HMI-panel kan gebeuren. Momenteel bevindt de weegmodule zich onder eenplatform (binnen de gevaarlijke zone) waardoor dit niet zo simpel is.

23

Figuur 7.4: De IT 1000 weegmodule Figuur 7.5: De IB IL SGI ingangskaart

8 Temperatuurregeling van de folielas

Om de folie op het einde van de wikkelcyclus onderaan de pallet samen te smelten, is een lasunit voorzien. Inde huidige opstelling gebeurt dit door een alleenstaande PID-regelaar. Deze stuurt d.m.v. een relais eenvermogen weerstand aan die instaat voor het opwarmen van de lasplaat. Afhankelijk van de uitgangswaardevan de PID-functie zal de lasplaat een bepaald percentage van de cyclustijd opwarmen.

Figuur 8.1: Schematisch overzicht huidige situatie temperatuurregeling

De feedback gebeurt door een thermokoppel (Figuur 8.2). De werking hiervan is gebaseerd op het thermo-elektrisch effect, beter gekend als het Seeback-effect. Een thermokoppel bestaat uit twee verschillendemetalen die aan één uiteinde aaneengelast zijn. Wanneer tussen de las en het open einde eentemperatuurverschil heerst omschrijft het Seeback-effect dat er een spanning gegenereerd zal worden. Dezekan opgemeten worden aan de open zijde en is een maat voor het temperatuurverschil. Aangezien in deindustrie meestal puntmetingen plaatsvinden, moet de temperatuur van de aansluitklemmen gekend zijn, ditwordt de koudelas-compensatie genoemd.

23






23






24

Figuur 8.2: Thermokoppel type J (kopper & Constantaan)

In het vernieuwde ontwerp neemt de PLC de taak van de controller volledig over.Hiervoor moeten de kabels van het thermokoppel verlengd worden tot aan de schakelkast. Hier zijn tweevoorwaarden aan verbonden: Dit mag niet zomaar met eender welke kabel gebeuren. De kabels dienen dezelfde eigenschappen te

hebben als de thermokoppelkabels. Anders ontstaan extra thermokoppels op deze aansluitpuntenwaardoor een verkeerde meting ontstaat. In de praktijk worden hiervoor compensatiekabels gebruikt,passend bij het type thermokoppel dat aanwezig is.

De verbindingspunten ter hoogte van T2 (Figuur 8.3) moeten dezelfde temperatuur hebben.

Figuur 8.3: Correcte aansluitmethode voor verlengingen van thermokoppels

Het binnenlezen van de thermospanning gebeurt via een IB IL TEMP 2UTH van Phoenix Contact (Figuur 8.5). Dekoudelas-compensatie gebeurt intern in deze module d.m.v. een PT100-temperatuursensor (gebaseerd opverandering in elektrische weerstand). Het voordeel van thermokoppels tegenover PT100-sensoren voordergelijke applicaties is de hoge reactiesnelheid, waardoor de temperatuurregeling dynamischer gebeurt.

Vanwege de hoge schakelfrequentie wordt de mechanische relais vervangen door een solid-state relais. Dezebevat een optocoupler (Figuur 8.4) die het uitgangscircuit (fototransistor) optisch activeert d.m.v. een diode.

Figuur 8.4: Optocoupler Figuur 8.5: IB IL TEMP 2 UTH

25

9 Veranderingen folieaanvoer

Één van de doelstellingen van deze masterproef is het vinden van een onderhoudsvriendelijke sensor voor hetopmeten van de folie die gevraagd wordt door de omtrek van een pallet. De folievraag opmeten is noodzakelijkom een constante foliespanning te creëren. In de huidige situatie gebeurt dit nog via een tacho die met eenriemverbinding rechtstreeks verbonden is met de slagrol (Figuur 2.1) van de folielift. Dit resulteert in eenanaloog signaal (evenredig met de rotatiesnelheid van de slagrol) dat over de sleepringen getransporteerdwordt (Figuur 9.1) en cyclisch door de S7-200 PLC binnengelezen wordt. Afhankelijk van de ingesteldefoliespanning zal dan één op één, met gelijke snelheid, folie worden geleverd (geen foliespanning) of trager.

Figuur 9.1: Overzicht genereren van post-stretch

Naast de onderhoudsvriendelijkheid van de sensor zijn nog andere criteria waar de sensor aan moet voldoen.Deze zijn opgedragen door de omgeving waar de palletwikkelaar staat, mechanische beperkingen, … : Gemakkelijk en zonder veel aanpassingen monteerbaar op de huidige opstelling.

Naast de slagrol (Figuur 9.2) waar de sensor op gemonteerd moet worden, zit een andere folierol diede contacthoek van de slagrol vergroot. Hierdoor is slechts een zeer kleine inbouwplaats beschikbaar.

Figuur 9.2: Bovenaanzicht foliedoorhang filmlift

Weinig inertie toevoegen aan het systeem zodat de folievraag dynamisch opgemeten kan worden enom te voorkomen dat de folie doorslipt op de slagrol

De gekozen sensor moet gevoed kunnen worden op 24V aangezien dit de enige voedingsspanning isdie continu aanwezig is na de sleepringen

1. Bobijn

2. Gemotoriseerde rol

3. Aangedreven rol

4. Slagrol

26

De sensor moet robuust zijn en een hoge levensduur hebben aangezien de palletwikkelaar 24h/247d/7 werkt

In de extrusie-afdeling is er veel stof aanwezig, waar de snelheidsensor tegen bestand moet zijn Op de sleepringen kunnen slechts drie kanalen vrijgemaakt worden voor het doorsturen van de

snelheid (exclusief 24V voedingspanning en massa) De huidige riemverbinding moet verdwijnen. De voorkeur gaat uit naar een sensor die rechtsreeks op

de slagrol bevestigd kan worden. Het type signaal dat over de sleepringen wordt gestuurd moet bestand zijn tegen de elektrische ruis

veroorzaakt door de weerstandsvariatie van de slepende contacten.

Figuur 9.3: Tachosignaal(links) & snelheidsaansturing pre -stretchmotor (rechts)

In Figuur 9.3 is te zien dat er op het tachosignaal veel ruis zit. Daarom is het af te raden om nog analogesignaalspanningen over de sleepring te sturen. Een digitaal signaal of een 4-20mA (goed bestand tegenvariërende kabelweerstand) behoort tot de mogelijkheden.

Op de rechterkant van Figuur 9.3 is eveneens te zien dat door de samplefrequentie van de PLC de meeste ruisniet opgemerkt wordt. Desalniettemin blijft de huidige situatie verre van optimaal.

27

9.1. Keuze alternatief

Op basis van alle criteria die hierboven vermeld zijn, is gekozen voor een incrementele magnetische ringencoder van het merk RLS. Dit is een systeem dat bestaat uit een gevoelige magnetische leessensor (Figuur 9.4)en een ring waarvan de buitenkant afgewerkt is met een nauwkeurige magnetische laag.

Figuur 9.4: Incrementele magnetische ring encoder

Het monteren van deze encoders is zeer simpel. De ring wordt bevestigd rond de roterende as waarvan depositie of snelheid geweten moet zijn. De sensorkop komt op het vast gedeelte en moet op een bepaaldeafstand van de magnetische ring geplaatst worden, typisch tussen de 0,1 en 4mm.

De interface van deze encoder is dezelfde als die van een incrementele optische encoder, namelijk eenquadrature pulsetrein waarbij signaal B 90° verschoven is tegenover signaal A en een Z-signaal dat bij iederevolledige rotatie een pulse uitstuurt. Iedere flankverandering staat voor een bepaalde positieverplaatsing. Dezeflanken dienen typisch verwerkt te worden door een high speed counter. Afhankelijk van de draairichtingwordt bij een flank de counter verhoogd of verlaagd. Uit de volgorde van de gedetecteerde flanken kan dedraairichting worden afgeleid. Het Z-signaal is bij positiemeetsystemen van belang als referentie. In dezetoepassing is dit niet het geval, daar de focus ligt op het meten van de snelheid. Bijgevolg dient hetZ-signaalniet verplicht aangesloten te worden.

28

9.2. Achterliggend werkingsprincipe

De magnetische ring bestaat uit een alternerend magnetisch veld, meestal met een poollengte tussen de 0,5 en5mm. In de sensorkop zijn vier hall-sensoren aanwezig op een halve-poollengte afstand van elkaar. Debekomen signalen bij het roteren van de ring langs de sensor zijn sinusvormige signalen die elk 90° verschovenzijn. Signaalparen die 180° verschoven zijn worden van elkaar afgetrokken (Figuur 9.5) zodat een sinus en eencosinussignaal ontstaat met dubbele amplitude.

Praktisch gezien zou de volledige sensorkop ook kunnen uitgewerkt worden met twee hall-sensoren. Hetvoordeel om er vier te gebruiken is dat bij het nemen van het verschil van twee signalen, de invloed van eenextern magnetisch veld wordt geëlimineerd. Vanuit deze signalen moet nu enkel nog overgegaan worden naareen incrementeel uitgangssignaal. De nuldoorgangen zouden hiervoor gebruikt kunnen worden, het nadeelhiervan is dat de resolutie veel te klein is voor industriële applicaties.

De oplossing ontstaat door het interpoleren van het sinus en cosinussignaal a.d.h.v. een algoritme. Hierdoorkunnen resoluties bereikt worden tot 1μm. In Figuur 9.5 wordt dit gerealiseerd door een CORDIC (CoordinateRotation Digital Computer) die d.m.v. een efficiënt en eenvoudig algoritme goniometrische en hyperbolischefuncties kan berekenen. De meeste fabrikanten ontwikkelen hun eigen algoritme die metingen met eenkleinere foutmarge opleveren.

Figuur 9.5: Intern schema kopsensor

29

9.3. Belangrijke selectiecriteria

9.3.1. Interpolatiefactor

Bij de meeste fabrikanten is er bij aankoop van de sensorkop de mogelijkheid tussen verschillendeinterpolatiefactoren. Dit zal uiteindelijk samen met de poollengte van de magnetische ring beslissend zijn voorde resolutie van de encoder(Figuur 9.6).

( ) = ( ) (7.1)

Figuur 9.6: Edge separation & resolution

9.3.2. Minimal edge separation

De achterliggende redenering van deze parameter is minder voor de hand liggend. Algemeen gezien moet decounter die het signaal verwerkt zodanig gedimensioneerd worden dat hij snel genoeg is om elke flank op temerken en te verwerken bij de maximale snelheid van de applicatie. Bij een magnetische encoder is dit echterniet het enige waar rekening mee gehouden moet worden. Bij dit type encoder is het namelijk mogelijk dat bijstilstand de counter overrompeld wordt door flanken.

Een sensorkop bevat intern, zoals eerder besproken, vier gevoelige analoge sensoren die de magnetischeveldsterkte detecteren van de voorbij passerende magnetische band. Er vormt zich echter een probleemdoordat in een analoog circuit altijd een minimale hoeveelheid elektrische ruis aanwezig is. Deze ruis iszichtbaar voor de chip die het signaal interpoleert. Hierdoor kunnen op de encoder-uitgang pulsen uitgestuurdworden zelf al is er geen fysieke beweging.

Indien deze allemaal correct gedetecteerd worden, zal geen positiefout ontstaan daar de pulsen elkaaropheffen indien de draairichting in rekening gebracht wordt. M.a.w. de gemeten positie zal fluctueren rondomzijn werkelijke positie binnen een kleine marge. Hieruit kan geconcludeerd worden dat zowel signaal A als Bnodig zullen zijn om de correcte snelheid of positie af te leiden.

Elektrische ruis is typisch hoogfrequent wat bijkomende complicaties kan veroorzaken. Het tijdsinterval tussentwee flanken kan zodanig klein worden dat enkel counters met een extreem hoge samplefrequentie nog instaat zijn om alle flanken te detecteren. Om dergelijke situaties te voorkomen plaatst de fabrikant van desensor een low-pass filter voor de ingangen van de interpolator. Bijgevolg kan gegarandeerd worden dat eraltijd een bepaalde minimale tijd tussen iedere uitgestuurde flank zit (Figuur 9.5). Op deze parameter moet danook de counter, die het incrementele signaal verwerkt, gedimensioneerd worden. Bij de aankoop van eenmagnetische encoder kan meestal gekozen worden tussen verschillende waarden voor de minimale “edgeseparation” (bepaald door de cut-off frequentie van de low-pass filter).

30

9.3.3. Maximale rotatiesnelheid

Magnetische encoders hebben net als andere encoders een beperkt maximaal toerental. De maximalerotatiesnelheid is afhankelijk van de resolutie en de minimale tijdsduur tussen de flanken. Ook de “worst case”’tijdsduur voor de analoog-digitaal conversie en voor het doorrekenen van het interpolatiealgoritme is soms eenbeperkende factor.

9.4. Afleiden van de snelheid uit een encodersignaal

Eerder is het belang al aangetoond dat zowel kanaal A als B geëvalueerd worden voor een correcte meting.Daarom wordt gekozen voor de “IB IL INC-IN” module. Deze is toegespitst op lineaire positioneerapplicaties enheeft geen functie om de snelheid uit te lezen. Daarom wordt in een aparte task van de PLC om de 10ms depositieverandering uitgelezen en de snelheid berekend. Hoe korter de evaluatietijd, hoe sneller de respons,maar hoe onnauwkeuriger. Hier moet een goed evenwicht in gevonden worden. Met de encoder die voor dezemasterproef gekozen is, zijn er bij een maximale rotatiesnelheid 205 flanken in een interval van 10ms. Erkunnen dus ook 205 verschillende snelheden gedetecteerd worden tussen 0 en de maximale snelheid. Dit isnauwkeurig genoeg.

Om te voorkomen dat de countermodule zijn maximale telwaarde overschrijdt, wordt deze bij het begin vaniedere inpakcyclus gereset. De uitgelezen telwaarde bestaat uit 25 bits. Indien nu rekening gehouden wordtmet de gekozen encoder, dan is de countermodule in staat om 823 wikkelingen rondom een volle pallet teleggen. Dit is dus ruim voldoende voor het inpakken van één pallet.

9.5. Verminderen van het aantal foliebreuken

Tijdens de verschillende stappen die overlopen worden in een volledige wikkelcyclus worden diversefoliespanningen gebruikt. Een deel hiervan is door de operator aanpasbaar, afhankelijk van de soort pallet dieingepakt moet worden. Het overige deel is vast geprogrammeerd in de PLC. Een voorbeeld hiervan zijn deeerste wikkelagen die beneden worden aangebracht. Omdat de bobijnen een cilindrische vorm hebben, stekende scherpe hoeken van de houten pallet uit. Om geperforeerde folie te voorkomen, worden de eerste lagenmet een lage foliespanning aangebracht. De plotse wijzigingen in foliespanningen leveren echter ookproblemen op. Overgangen naar een hogere foliespanning staan gekenmerkt als het sterk afremmen van depre-stretchmotor (formule).

= (100% − ) × (7.2)Met : ℎ / ( − ℎ ): ℎ /: − ℎ %

Dit leidt vaak tot foliebreuken. Om dit probleem op te lossen worden twee maatregelen genomen: Het aanloopgedrag en uitloopgedrag van de motor wordt dynamischer ingesteld D.m.v. een rampfunctie worden stapvormige sprongen van de post-stretch herleid tot een lineair

stijgende of dalende waarde. Alle foliebreuken worden gelogd op de FTP-server van de PLC. Hierin wordt bijgehouden waar ze

voorkwamen en met welke foliespanning. Hierdoor kunnen gefundeerde aanpassingen gebeuren aande wikkelparameters zodoende het aantal foliebreuken te doen dalen.

31

10 Safety

10.1. Basisopstelling

Zoals eerder besproken zijn er in de huidige opstelling al lichtgordijnen aanwezig. Momenteel is deveiligheidskring zodanig opgebouwd dat de lichtschermen enkel actief zijn gedurende de wikkelcyclus. Dit kanechter tot onveilige situaties leiden wanneer bijvoorbeeld al een persoon aanwezig is in de gevaarlijke zonevooraleer de wikkelcyclus start. Om dit risico weg te nemen kan muting gebruikt worden. Hierbij worden delichtschermen enkel tijdelijk onderbroken wanneer goederen passeren. Onderscheid tussen mens en objectwordt gemaakt door sensoren (veelal optische) voor en/of achter de lichtschermen te plaatsen. Om mutingtoe te kunnen passen volstaat een standaard veiligheids-relais niet meer. Daarom wordt deze gedurende deretrofit vervangen door de Flexisoft programmeerbare veiligheidscontroller van Sick (Figuur 10.1) die modulairuitgebreid kan worden naargelang de gewenste I/O, communicatie-gateways en relaisuitgangen.

Figuur 10.1 Flexisoft-controller met gateway en drie I/O modules

De controller heeft ook een seriële interface die enerzijds dient om het toestel te configureren en het gewensteprogramma in te laden. Anderzijds kan het ook gebruikt worden om te communiceren met een PLC of HMI.Door hiervan gebruik te maken wordt bespaart op een dure gateway-module. Voor de berichtopbouw moethet RK512-protocol gevolgd worden dat door Siemens is ontwikkeld.

10.2. Muting

Om muting veilig te kunnen toepassen moet voldaan worden aan heel wat voorwaardenIn de huidige opstelling kan muting niet op een correcte manier worden toegepast. Het grootste probleem ishet gebrek aan plaats door de te korte aanvoer- en afvoerrollenbanen In deze masterproef is er onderzocht omdit a.d.h.v. enkele kleine aanpassingen op een goedkope manier op te lossen.

Voor de afvoer van pallets uit de gevaarlijke zone volstaat het om een standaard L-muting opstelling (Figuur10.2) te gebruiken. De enige aanpassing die daarna nog moet gebeuren, is het toevoegen van een klein stukhekkenwerk waardoor verhinderd wordt dat operatoren het lichtscherm kunnen ontwijken door er rond telopen.

32

Figuur 10.2 L-muting

Bij het transport van goederen naar de gevaarlijke zone is L-muting verboden. Cross-muting is de meestvoorkomende opstelling voor ingaand verkeer. Zoals op Figuur 10.3 zichtbaar is veel plaats nodig ondanks hetfeit dat er maar één sensorpaar nodig is (C1 is optioneel). Daarom zal cross-muting toegepast worden met eensensorpaar dat gebaseerd op is op achtergrondsuppressie. Hierdoor wordt de benodigde ruimte een stukverkleint worden (Figuur 10.4) waardoor het mogelijk wordt muting te implementeren in de opstelling.

Figuur 10.3 Standaard cross-muting opstelling voor ingaand verkeer

Figuur 10.4 Cross-muting opstelling met achtergrondsuppressie

33

11 Besluit

Het hoofddoel van deze masterproef was het onderbrengen van alle logica in één PLC zodoende een mindercomplex en performanter geheel te verkrijgen. Doordat gekozen werd voor de programmeertaal SequentielFunction Chart is een heel overzichtelijk programma gecreëerd dat in de toekomst eenvoudig kan wordenaangepast. Door in iedere stap van de wikkelcyclus alle uitgangen te definiëren, is eveneens een structuurgecreëerd die het heel eenvoudig maakt om wikkelstappen toe te voegen of te.

Er werd gekozen om de wikkelcyclus zeer specifiek instelbaar te maken. Dit zorgt ervoor dat de ladingzekerheiden het folieverbruik tot in de puntjes geregeld kan worden. Het nadeel van de vele parameters die ingesteldmoeten worden werd opgelost door de parameters op de FTP-server van de PLC te plaatsen. Hierdoor moetenzelfs bij substantiële wijzigingen in het PLC-programma of na een cold restart geen parameters opnieuwingesteld te worden.

Bij de opbouw van de HMI werd de nadruk gelegd op gebruiksvriendelijkheid. Belangrijke voorwaarden omover te gaan naar een volgende stap in het proces zijn gevisualiseerd. Maar ook kan te allen tijde perfectachterhaald worden in welke toestand de wikkelmachine zich bevindt. Verder werd veel aandacht besteed aande verwerking van foutmeldingen met als hoofddoel het praktisch overbodig maken van een handleiding omeen bepaalde fout op te lossen. Om ervoor te zorgen dat operatoren niet verdwaalden in alle menu’s is ergeopteerd om een paswoordbeveiliging te implementeren die grote delen van de HMI afschermen.

Een tweede doel was om een onderhoudsvriendelijk alternatief te vinden voor de tacho die de folievraagopmeet, m.a.w. de foliespanning regelt. In deze masterproef werd eerst een studie uitgevoerd welkeverschillende systemen er bestonden om de foliespanning te regelen. Uiteindelijk werd gekozen voor eenincrementele magnetische ring encoder. Deze heeft geen bewegende mechanische delen waardoor zeker envast voldaan is aan de doelstelling. Bijkomende voordelen zijn dat dit type encoder zeer robuust is, bestandtegen stof en makkelijk monteerbaar is in de foliedispenser.

34

12 Literatuurlijst

[1] FEFBEP, “Packaging from Nature.” [Online].http://www.packagingfromnature.com/uk/ (datum van opzoeking: 10/12/13).

[2] Orion, “Benefits of Using Stretch Roping.” [Online].http://www.orionpackaging.com/white-papers/benefits-of-using-stretch-roping/

(datum van opzoeking: 12/12/13).

[3] German Paul M, Johnson Carlton B, Williams Michael G, “Polyethylene Stretch Film,” U.S. Patent12/867-871, December 09, 2008

[4] Hernandez, R. J., Selke, S. E. M., & Culter, J. D. ,”Plastics Packaging: Properties, Processing, Applicationsand Regulations”,2010

[5] E. A. Cernokus, “THE EFFECT OF STRETCH WRAP PRE-STRETCH ON UNITIZED LOAD CONTAINMENT,”2012.

[6] Phoenix, “Learn More About Stretch Wrapping : Prestretch, Poststretch, Film Force & Film Feed.”[Online]. http://www.phoenixwrappers.com/learning/stretch-abc.php,(datum van opzoeking: 12/12/13).

35

13 Bijlagen

13.1. Bijlage 1: Berekening van de variatie in vraag naar folie

retrofit van een volautomatische palletwikkelaar floris...

Documents