Applikationsbericht Füllstandsmessung von Reagenzröhrchen in der Oysterbay Absättigungsanlage

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1 Applikationsbericht Füllstandsmessung von Reagenzröhrchen in der Oysterbay Absättigungsanlage Version 1.0 vom Projektbeschreibung Die Oysterbay Absättigungsanlage dient der Absaugung befüllter Röhren sowie der Befüllung mit wässriger, unsteriler Lösung. Zur Verbesserung der Prozesskontrolle sollten 3 Füllkontrollen in die Anlage integriert werden. Diese wurden vor dem 1. Absaugkopf, hinter dem Füllkopf und nach dem letzten Absaugkopf positioniert. Bild Anlage

2 Die Röhren stehen in Boxen, welche paarweise auf einem Transportband links an der Anlage aufgegeben werden. Am Ende des Bands werden die Boxen durch einen Transportrechen gegriffen, welcher sie schrittweise durch die 14 Bearbeitungsstationen der Anlage bewegt. Layout Anlage 3 Leistungsdaten/Prozessbedingungen im Betrieb Die Anlagengeschwindigkeit von 1200 Boxen / h musste erhalten werden. Alle Stationen der Anlage, auch die Füllkontrollen dürfen somit jede Box nicht länger als 3 Sekunden in Bearbeitung halten. Verarbeitung von weiterhin 100 Röhrchen gleichzeitig als Grundlage zur Erreichung der erforderlichen Geschwindigkeit. Die Lösung wird weiterhin als Unterspiegelbefüllung ins Röhrchen gefüllt (Vermeidung von Blasen). Die Boxen werden paarweise verarbeitet. Jede Box enthält 50 Röhrchen. Die Röhrchen sind aus Kunststoff, 75mm hoch, 12mm Außendurchmesser und 10mm Innendurchmesser. Bild 2 Boxen mit Röhrchen

3 4 Hardware An den Stationen 2, 11 und 14 der Anlage ist jeweils eine Füllkontrollstation montiert. Jede Station besteht aus einem mechanischen Aufbau, in welchem eine lineare Servoachse RC der Firma IAI montiert wurde. Die jeweils 10 Ultraschallsensoren UNDK20U6914/S35A sind am Schlitten der Achse angebracht, so dass ein Abstand von 11mm über den Röhrchen erreicht wird. Die Schallkeule der Sensoren kann in bestimmten Positionen der Achse komplett in das jeweils darunter befindliche Röhrchen einstrahlen. Skizze einer Füllkontrollstation Foto Füllkontrolle Station 2 während der Messung

4 4.1 Schnittstelle PC <-> Ultraschallsensoren Je Füllstandsmessung werden die Ultraschallsensoren mittels der Servoachse über den Röhrchen verfahren. Die analogen Ausgangssignale der Sensoren werden während des Verfahrens der Achse im PC aufgezeichnet. Die Aufnahme und Aufzeichnung der Signale erfolgt mit einer 16bit Analog / Digital Wandler Karte. Die Sensoren liefern analoge Ausgangssignale zwischen 0 und 10 Volt. Die Servoachse muss einen Weg von ca. 120mm über den Röhrchen im Rack zurücklegen. Die Geschwindigkeit der Achse während der Messung beträgt 80mm/s. Die Ultraschallsensoren können in einem Bereich von bis zu 3mm horizontal über den Röhrchen bewegt werden ohne das sich der Spannungswert des Füllstands im Röhrchen verändert. Dies ist das Messfenster für die Füllstandsmessung bei konstanter gleichbleibender Achsenbewegung. Bei der angenommenen Geschwindigkeit benötigt die Achse 37,5ms für das Verfahren im Messfenster. Da sich die maximalen Samplingrate des A/D Wandlerboards auf die 32 Kanäle aufteilt, ergibt sich eine Samplingrate je Kanal (Ultraschallsensor) von (250kSamples / 32 =) Somit können innerhalb des Messfensters (8000 * 0,0375 =) 300 Messwerte für den Füllstand eines Röhrchens ermittelt werden. Aus diesen Werten wird mittels statistischer Methoden (Modalwertberechnung) der Füllstand des Röhrchens ermittelt. 4.2 Datenaufnahme während des Messvorganges Damit nicht unnötig viele Messwerte außerhalb des Messfensters aufgezeichnet werden, wird die Methode Burst buffered acquisition verwendet. Aus der Servosteuerung der RC-Achsen wird ein definiertes Zonensignal abgegriffen und als Hardwaretrigger für die Datenaufzeichnung verwendet. Somit kann man die Messwerte den Positionen über den Racks eindeutig zuordnen und die einzelnen Messfenster ermitteln. Ablaufdiagram Datenaufnahme Mit dem Start der RC Achse, beginnt die Abfrage der Analogeingänge. Auf je einen Eingang ist das Zonensignal der Achse geschaltet. Dieser Eingang wird kontinuierlich

5 abgefragt. Beim ersten Auftreten des Zonensignals, startet ein interner Zähler der die aufgenommenen Samples zählt. Anhand der Anzahl der Samples und der eingestellten Samplerate kann die aktuelle Position ermittelt werden. Die Positionen der Röhrchen sind im Programm variabel gespeichert. Der laufende Zähler wird mit den gespeicherten Positionen verglichen und somit der Start und Endpunkt der gültigen Daten ermittelt. Diese Daten werden dann in einen Datenpuffer zwischengespeichert, um den Füllstand der Röhrchen zu ermitteln. 4.3 Auswertesoftware für Ultraschallsensoren Die gesamte Datenaufzeichnung und Auswertung wird durch die Auswertesoftware realisiert. Die Software erfüllt die folgenden Aufgaben: Kalibrierung der Ultraschallsensoren mit Master (Teacheingänge der Sensoren setzen) Parametrierung des Messbereichs durch Eingabe eines Toleranzfensters Steuerung des Messablaufs (Achse positionieren, Achspositionen auswerten, Messung anstoßen Spannungswerte der Ultraschallsensoren lesen Validierung der Messwerte Berechnung des Füllvolumens aus den Spannungsmesswerten Speicherung der Messwerte mit Metadaten in Datenbank (Metadaten: User, Quelle, Datum, Zeit) Die Programmierung basiert auf den folgenden Technologien: Programmiersprache Microsoft Visual C Betriebssystem Windows XP Professional Datenbank: Microsoft Access 2002, Datenbank-Zugriff: ADO 2.6 Auswertesoftware: Bild der Datenaufnahme von Sensor 9 an Station 2

6 4.4 Kalibrierung Zur Kalibrierung der Füllkontrollen wurde ein Masterteil benötigt. Dieses wurde von der InSystems Automation GmbH entwickelt und getestet. Der Master wird in den einzelnen Stationen sensorisch erfasst und eine Kalibrierung der Station automatisch ausgelöst. Skizze Masterteil Die Anordnung der Sensoren ergab sich aus dem Muster der Röhrchen in den Boxen und den gegeben Abmessungen der Sensoren. Foto Anordnung und Befestigung der Sensoren Da an gleicher Position der Achse immer nur 2 oder 3 Sensoren über der Röhrchenmitte stehen können, wurden die Sensoren in 4 Gruppen eingeteilt, welche

7 separat kalibriert werden. Es wird jeweils für eine Gruppe die Betriebsspannung und der Teacheingang geschaltet, damit es beim Kalibrieren zu keinen Interferenzen des Ultraschall führen kann. Dies erfordert einen komplexen Ablauf der Kalibrierung. Skizze Anordnung der Sensoren Ablauf der Kalibrierung: Position 1 anfahren und Sensoren 6-10 auf 10V teachen Position 1 für Sensoren 1-5 anfahren und auf 10V teachen Position 2 anfahren und Sensoren 6-10 auf 0V teachen Position 2 für Sensoren 1-5 anfahren und auf 0V teachen Position 3 anfahren, Spannung der Sensoren 6-10 messen: ist der gemessene Wert größer als 0V, so liegt eine negative Schräglage des Master vor. Bild: negative Schräglage des Master Position 4 anfahren, Spannung der Sensoren 6-10 messen: ist der gemessene Wert kleiner als 10V so liegt eine positive Schräglage vor. Bild: positive Schräglage des Master Anhand dieser Messwerte kann nun die Schräglage (Steigung) berechnet und ein Korrekturwert in die Datenbank eingetragen werden. Punkt 5-7 müssen nun für die Sensoren 1-5 wiederholt werden. Position 5 anfahren und als Kalibrierwert speichern. In Position 5 befindet sich ein leeres Röhrchen. Der gemessene Spannungswert ist nun der Ausgangspunkt zur Berechnung des Füllstandes.

8 4.5 Messtoleranzen Geringe Toleranzen ergeben sich bei der Wandlung der Sensorsignale mittels der A/D Karte im PC. Bei einer Auflösung von 16bit ergibt sich folgende maximale Genauigkeit der Messergebnisse: 16bit = dezimal mV / = 0,15mV / bit bei üblichen +/- 1bit ergibt sich eine Messgenauigkeit von +/- 0,3mV In Versuchen wurde ermittelt, dass die Ultraschallsensoren im Bereich trocken bis 0,04 ml eine durchschnittliche Auflösung von 50 mv / 0,01 ml realisieren. Im Bereich 0,03 bis 4,00 ml wurde eine durchschnittliche Auflösung von 20 mv / 0,01 ml festgestellt. Die schlechteste Reproduzierbarkeit im Versuch lag bei 140 mv. Inklusive der Messgenauigkeit von 0,3 mv der A/D Wandlerkarte bedeutet dies für den Bereich trocken bis 0,04 ml eine Messtoleranz von: (140 mv + 0,3 mv) / 50 mv * 0,01 ml = +/- 0,028 ml. Im Bereich 0,04 bis 4,00 ml bedeutet dies eine Messtoleranz von: (140 mv + 0,3 mv) / 20 mv * 0,01 ml = +/- 0,07 ml. An allen 3 Stationen der Füllstandskontrollen sind die Schwellwerte Gut / Schlecht frei einstellbar, wobei die beschriebenen Toleranzen mindestens innerhalb der Prozesstoleranzen zu beachten sind. Prozessdefinition des Kunden Überprüfung trockene Röhrchen auf max. 0,03ml entspricht (0,00ml 0,03ml) Überprüfung Füllstand 0,3ml, -30%, +20% entspricht (0,21ml 0,36ml) Überprüfung Füllstand 1,1ml, -30%, +20% entspricht (0,77ml 1,32ml) Überprüfung Füllstand 4,2ml, -30%, +20% entspricht (2,94ml 5,04ml) minimal notwendige Prozesstoleranzen 0,00ml bis 0,016ml 0,265ml bis 0,335ml 1,065ml bis 1,135ml 4,165ml bis 4,235ml Alle im Prozess geforderten Toleranzen konnten mit der technischen Lösung erfüllt werden.

9 4.6 Ansprechpartner, Verantwortlichkeiten Idee und Projektleitung Dipl. Ing. Henry Stubert Insystems Automation GmbH Rudower Chaussee Berlin Telefon Software Ronny Wruck Insystems Automation GmbH Rudower Chaussee Berlin Telefon Ultraschallsensoren Baumer Electric GmbH Friedberg Telefon Mechanik Hans Hodak Knoske & Wittenbecher GmbH Sperenberger Str. 5a Berlin Telefon