Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten

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1 Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten Please visit us at interpack in hall 3 booth A01/B02!

2 Inhalt: Grundlagen der 3D-Bildverarbeitung... S. 2 Regelung von Extrudern auf Basis optischer Vermessung... S. 5 Better, faster and at lower costs1... S. 6 Entwicklung von Software zur Steigerung der Anlageneffektivität (OEE) in der Nahrungsmittelindustrie... S. 8 Firmenprofile der Firmen Gabler GmbH & Co. KG und Strelen Control Systems GmbH... S. 11 Grundlagen der 3D-Bildverarbeitung Der Einsatz von Kameras zur Inspektion von Herstellungs- und Verpackungsprozessen hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen. Doch Experten vermuten, dass erst der kleinste Teil der möglichen Anwendungen industrieller Bildverarbeitung erschlossen ist. Die nächsten Jahre werden wohl eine Vielzahl neuer Möglichkeiten eröffnen. Innovationsschübe gehen üblich zunächst von der Bildverarbeitungstechnologie aus und sickern dann allmählich zu den Anwendungen durch. Solche Innovationsschübe können kontinuierlich von statten gehen, durch die permanente Optimierung von Technologien wie etwa der Erhöhung von Pixelzahlen auf Bildverarbeitungschips oder sie können plötzlich auftreten, etwa durch gänzlich neue Technologien der Hard- bzw. Software. Ein solches Gebiet, in dem in der jüngsten Vergangenheit erhebliche Entwicklungen stattgefunden haben, ist die 3D-Bildverarbeitung, und die sich hierdurch bietenden, neuen Möglichkeiten sind immens zahlreiche praktische Probleme aus der optischen Qualitätskontrolle werden hier in den kommenden Jahren gelöst werden. In der konventionellen Bildverarbeitung werden Bilder erzeugt, die aus unterschiedlich hellen oder gefärbten Pixeln zusammengesetzt sind, und anschließend durch Datenverarbeitungsalgorithmen interpretiert werden. Die 3D-Bildverarbeitung fügt dieser Bildfarbinformation noch eine gänzlich neue Größe hinzu die räumliche Dimension. Dies wird durch den Einsatz unterschiedlicher Technologien erreicht, zwei davon, die gerade für den Einsatz in der Nahrungsmittel- bzw. Verpackungsinspektion relevant sind, sollen hier kurz vorgestellt werden: Lichtschnittverfahren Das Lichtschnittverfahren ist ein trickreiches Verfahren, das unter Verwendung einer sehr schnellen 2D-Kamera und eines linienförmigen Lasers ein endloses 3D-Bild erzeugt. Hierzu generiert der Laser eine Linie quer über einer zu vermessenden Transportstrecke, während eine Kamera in einem Winkel von z.b. 45 zum Laser 1 montiert wird. Durch die Verwendung eines optischen Filters wird nur das vom Laser generierte Licht ausgewertet. Jede Bildaufnahme bildet also ein Höhenprofil quer über den zu vermessenden Ausschnitt ab. Die dritte Dimension wird dann unter Ausnutzung der horizontalen Bewegung auf der Transportstrecke erzeugt. Quelle: Kennedy's Confection, September Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten Gabler GmbH & Co. KG Strelen Control Systems GmbH Seite 2

3 Nun werden einfach in einer schnellen Folge Lichtprofile hintereinander aufgenommen und die jeweils resultierenden 2D-Profile hintereinander zu einem endlosen 3D Bild zusammengesetzt. Die Vorteile des Lichtschnittverfahrens sind eine sehr hohe Genauigkeit und die hohe Geschwindigkeit. Handelsübliche Systeme können bis zu Profile pro Sekunde bei Auflösungen im Mikrometerbereich auswerten, so können schnell bewegte Szenen exakt erfasst und vermessen werden. Typische Anwendungen finden sich in der Nahrungsmittelindustrie, etwa zur exakten Vermessung der Abmessungen und des Volumens von Produkten vor der Verpackung oder dem Aufspüren von Defekten wie Löchern oder Rissen. Diese Lösungen dienen also der Entscheidung, ob jedes einzelne hergestellte Produkt den geforderten Spezifikationen genügt oder nicht. Sie ermöglichen somit eine Sicherstellung von höchsten Qualitätsansprüchen. Auch lassen Darstellung eines mit Lichtschnitt bei hoher Geschwindigkeit gewonnenen 3DProfils eines Hustenbonbons. sich Regelkreise implementieren, mit deren Hilfe die Produktmaße genauest möglich in den spezifizierten Abmessungen gehalten werden, ebenso wie zur Überwachung und Optimierung der Anlageneffizienz (OEE). Diese Technologie hilft also nicht nur, defekte Produkte aufzuspüren, sie kann darüber hinaus auch als Werkzeug genutzt werden, die Qualität der hergestellten Produkte kontinuierlich zu verbessern. Time-of-Flight Technologie Eine ganz andere Technologie ist die Time-ofFlight Technologie. Hier wird die tatsächliche Zeit gemessen, die ein Lichtstrahl vom Aussenden bis zum Empfang im Bildverarbeitungschip benötigt. Dabei wird, wie auch beim Lichtschnittverfahren, eine spezielle Lichtquelle verwendet, oftmals infrarotes Licht, um Interferenzen mit dem Umgebungslicht zu vermeiden. Die Vorteile dieser Lösung sind die Möglichkeit zur Erfassung größerer Szenen auf einmal und die räumlichen Skalierungsmöglichkeiten. Typische Anwendungen sind die Überwachung der Vollständigkeit in Sekundärverpackungsprozessen oder beim Palettieren. Denn gerade bei mehrschichtig verpackten Materialien ist eine auf 2DBildverarbeitung basierende Lösung oftmals nicht in der Lage eine eindeutige Erkennung des Füllstandes sicherzustellen Typische Anwendung für Time-Of-FlightKameras sind Vollständigkeitsüberwachungen. Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten Gabler GmbH & Co. KG Strelen Control Systems GmbH Seite 3

4 Unsere 3D-Lösungen für nahrungsmittelverarbeitende Produktionsbetriebe Die Technologien zur 3D-Bildverarbeitung haben in den letzten Jahren erhebliche Entwicklungssprünge vollzogen. Jetzt folgen nach und nach mehr praktische Lösungen, die auf diesen Technologien basieren. Zum Beispiel bieten Gabler und Strelen in Kooperation Inspektions-lösungen für die Vermessung von Nahrungsmitteln. SafeIdent Food ist ein modulares System, dass wahlweise mit Kameras zur Farb-, 2D- oder 3D-Vermessung ausgestattet werden kann und über integrierte Module zur Ermittlung der Overall Equipment Effectiveness sowie zur Realisierung von Inline Regelungen verfügt. Ebenso befinden sich Lösungen, die auf der Time-of-Flight Technologie basieren, im Portfolio, die zur Vollständigkeitskontrolle von Verpackungen und Paletten eingesetzt werden. Safe-Ident Packaging inspiziert Verpackungen auf Vollständigkeit und Fehler. Safe-Ident Food inspiziert Süßwaren, Backwaren oder andere kontinuierlich hergestellte Produkte auf Maßhaltigkeit und Unversehrtheit. Safe-Ident Slab-Control vermisst kontinuierlich ausgeformte Massebänder und regelt vollautomatisch die Produktionsmaschinen. Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten Gabler GmbH & Co. KG Strelen Control Systems GmbH Seite 4

5 Regelung von Extrudern auf Basis optischer Vermessung Es gibt zahlreiche Prozesse, bei denen Massen zunächst kontinuierlich in Bändern oder Teppichen ausgeformt werden, um später in individuelle Teile geschnitten zu werden. Beispiele finden sich bei der Herstellung von Brot, Pasta, Keksen, Schokoladenriegeln oder Kaugummi. So sehr diese Prozesse sich auch unterscheiden, haben sie doch alle eine Gemeinsamkeit: Die Prozesse laufen kontinuierlich und können nicht einfach gestoppt werden. Liegen die hergestellten Produkte außerhalb der Toleranzen, wird Ausschuss produziert, was zu erheblichen Verlusten führen kann. Für genau solche Prozesse wurde SafeIdent Slab Control entwickelt, ein modulares System zum Messen und Regeln von Prozessen, in denen Massebänder kontinuierlich hergestellt werden. Das System ist modular, um den unterschiedlichen charakteristischen Merkmalen der jeweiligen Herstellungsprozesse gerecht zu werden. Merkmale wie - Prozessgeschwindigkeit, - Größe und Form der ausgeformten Massebänder, - Materialbeschaffenheit, - zu messende Größen, - benötigte Genauigkeit der Messung und Anforderung an die Regelung sind Charakteristika, welche die benötigten Module für die Messsysteme bestimmen. Die Messsysteme führen ihre Ergebnisse kontinuierlich dem Regelsystem zu. Dabei handelt es sich um eine Lösung mit komfortablen Möglichkeiten wie Selbsteinstellung, Adaption und automatischem Lernen, Prozessidentifikation und einer Auswahl moderner Verfahren, von Standard PID-Reglern bis zu Neuro- oder Zustandsregelverfahren. Sollte ein Prozess weitere, spezifische Anpassung erfordern, werden die Lösungen den Bedürfnissen des Kunden entsprechend angepasst und in Betrieb genommen Strelen Control Systems bietet diese Leistungen weltweit an. Systeme von Safe-Ident Slab Control sind seit März 2012 in Produktionslinien der Gabler GmbH & Co. KG im Betrieb. Dabei werden KaugummiMassebänder bei hohen Geschwindigkeiten gemessen und geregelt. Die Systeme wurden nach Fernost geliefert und arbeiten in renommierten Fabriken in Japan und Korea. Modulares System: Die Lösungen werden aus unterschiedlichen Messsystemen (Kamera, Laser) sowie Regelverfahren, von einfachen PID-Reglern bis zu komplexen selbsteinstellenden- oder Zustandsreglern, aufgebaut. Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten Gabler GmbH & Co. KG Strelen Control Systems GmbH Seite 5

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8 Entwicklung von Software zur Steigerung der Anlageneffektivität (OEE) in der Nahrungsmittelindustrie Typische Prozesse in der Nahrungsmittelindustrie verarbeiten Rohstoffe (z.b. Mehl, Zucker, Fleisch oder Gewürze) unter Benutzung von Energie und Betriebsmitteln (insbesondere Maschinen und Anlagen) zu den Endprodukten, die der Verbraucher z.b. im Einzelhandel kaufen kann: Brot, Süßwaren oder Tiefkühlnahrung. Rohstoffe Energie Verarbeitungsprozesse Nahrungsmittelprodukte Betriebsmittel Insbesondere die Kosten für die hierfür benötigten Maschinen und Anlagen, aber auch Kosten für Rohstoffe und Energie liegen bei größeren Fabriken oftmals im höherstelligen Millionenbereich. Damit sich eine solch hohe Investition schnellst möglich amortisiert, sollte eine hohe Anlageneffektivität angestrebt werden, was wiederum die Effizienz des Produktionsprozesses erhöht. Aus betriebswirtschaftlicher Sich unterscheidet man in der Produktion zwischen Fixkosten und variablen Kosten. Kosten für Rohstoffe sind größtenteils variabel, je mehr auf einer Linie produziert wird, desto mehr Rohstoffe werden verarbeitet und desto höher sind somit die Kosten. Die Energiekosten sind nur noch teilweise variabel. Bei einem Anlagenstillstand zum Beispiel gelingt es oftmals nicht die Energiezufuhr erheblich zu reduzieren, obwohl gar nichts produziert wird. Ebenso sieht es bei den Kosten für Personal aus. Maschinen- und Anlagen, oftmals der größte Kostenfaktor in einer Nahrungsmittel verarbeitenden Fabrik, sind hauptsächlich den Fixkosten zuzuordnen. Dies zeigt, wie problematisch ungeplante Maschinenstillstände, reduzierte Geschwindigkeit oder produzierter Ausschuss zu bewerten sind: sie wirken sich direkt und überproportional auf die Amortisation der gesamten Anlagen, bzw. sogar der gesamten Fabrik aus. Dies zeigt aber auch, wie positiv sich auf der anderen Seite eine Steigerung der Anlageneffizienz auswirken kann. Durch eine bessere Ausnutzung der eingesetzten Betriebsmittel und Energie kann ein Unternehmen erheblich an Kosten sparen, was sich natürlich unmittelbar am Betriebsergebnis bemerkbar macht. Wegen der weitreichenden Auswirkung der Anlageneffektivität hat das japanische Institute of Plant Maintenance daher den Begriff der Overall Equipment Effectiveness (OEE) definiert, eine Kennzahl zur Messung der Gesamtanlageneffektivität. Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten Gabler GmbH & Co. KG Strelen Control Systems GmbH Seite 8

9 Hierbei wird die Effektivität zunächst anhand dreier Faktoren gemessen: - Verfügbarkeitsfaktor - Leistungsfaktor - Qualitätsfaktor. Der Verfügbarkeitsfaktor gibt an, wie viel Prozent der geplanten Produktionszeit tatsächlich zur Produktion genutzt wird. Er wird also durch ungeplante Stillstände reduziert. Der Leistungsfaktor misst die Geschwindigkeit einer Anlage im Vergleich zur maximal erreichbaren Geschwindigkeit. Maßgröße hierbei ist die produzierte Menge. Der Qualitätsfaktor bestimmt sich durch das Verhältnis der nutzbaren Produkte zu der Gesamtheit der produzierten Produkte. Ausschuss, der aussortiert werden muss, reduziert diesen Faktor also. Ein Beispiel soll das Zustandekommen der Faktoren verdeutlichen. Eine Anlage soll pro Tag 23 Stunden produzieren, eine Stunde ist für Umrüst- und Wartungsarbeiten geplant, und sie soll pro Minute 100 Stück des Produkts verarbeiten. Tatsächlich wird die Anlage aber nur 22 Stunden pro Tag zur Produktion genutzt und stellt pro Stunde 90 statt 100 Stück her, von diesen 90 Stück sind 2 Stücke Ausschuss und müssen aussortiert werden. Dann betragen die drei Faktoren der Anlageneffektivität: dann werden Verbesserungsmaßnahmen durchgeführt und später wird das Ergebnis wieder durch eine Stichprobenerfassung ermittelt und ausgewertet. Durch eine automatische Messung könnten Probleme sehr schnell erkannt und abgestellt werden die Effizienz einer kompletten Fabrik könnte so erheblich gesteigert werden. Die Strelen GmbH hat eine Lösung entwickelt, die modular aufgebaut ist und somit Situationen gerecht wird, in welchen bestimmte Produktionsmaschinen bereits mit Kennzahlenerfassung ausgestattet sind. So kann die Strelen-Software individuell an eine bestehende Umgebung angepasst werden. Die von Strelen angebotene Lösung besteht aus den folgenden Modulen: OEE-Berechnung: Das Kernmodul berechnet die drei Faktoren Verfügbarkeit, Leistung und Qualität und bestimmt daraus die Gesamtanlageneffektivität OEE. Üblicherweise wird diese Software auf einem zentralen Rechner ausgeführt und erlaubt dem Bediener einen sofortigen Überblick über die aktuelle Effektivität der Produktionsanlagen, wie auch eine zeitliche Auswertung anhand von tabellarischen oder grafischen Werkzeugen. Verfügbarkeit: 22/23 = 95,7% Leistung: 90/100 = 90% Qualität: 88/90 = 97,8%. Die Gesamtanlageneffektivität liegt dann bei. OEE = 0,957 * 0,9 * 0,978 = 84,2%. Während der Begriff der Overall Equipment Effectiveness (OEE) seit einigen Jahren bekannt ist, gibt es bisher wenige Produktionsanlagen, in denen diese kontinuierlich und automatisch erfasst wird. Oft werden die Faktoren stichprobenartig über einen bestimmten Zeitraum ermittelt, Alles auf einen Blick: Grafiken und Statistiken gehören zum Modul OEEBerechnung. Hiermit erlangt der Bediener einen sofortigen Überblick über die aktuelle Produktion. In diesem Beispiel wird die Abweichung der produzierten Menge zum Plan durch farbige Balken übersichtlich dargestellt. Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten Gabler GmbH & Co. KG Strelen Control Systems GmbH Seite 9

10 Kennzahlen-Schnittstelle: Dieses Modul ist ein Kommunikationsmodul, mit dessen Hilfe Informationen aus Maschinen ausgelesen werden, die diese bereitstellen (z.b. Stückzähler). MES-Interface: Das MES-Interface erlaubt die Kommunikation und den Datenaustausch zu übergeordneten MES-Lösungen, einer Firmendatenbank oder direkt zu einem SAPSystem. Produktzähler: Dort, wo Informationen zu den hergestellten Stücken nicht verfügbar sind, kann mit dem Produktzähler-Modul die Leistung einer Anlage oder Maschine automatisch gemessen werden. Hierbei werden Sensoren oder Kameras eingesetzt. Qualitätsmodul: Eine der anspruchsvollsten Aufgaben ist die Ermittlung der tatsächlichen Qualität der produzierten Stücke. Das Qualitätsmodul kann hierzu an die jeweils zu untersuchende Produktionslinie und an die dort produzierten Waren angepasst werden. Für viele Produkte aus der Süßwaren-, Backwaren- oder Fleischindustrie bestehen Lösungen, die einfach an die spezifischen Gegebenheiten angepasst werden können. Nutzen für den Betreiber Der Einsatz einer OEE-Software ermöglicht es, in Echtzeit die Performance von Anlagen zu messen. Das führt dazu, Fehler schneller zu erkennen, um Maßnahmen zur Behebung zu ergreifen. Außerdem werden Produktionslinien vergleichbar und die Performance wird messbar. So lässt sich der Nutzen von Maßnahmen zur Produktivitätssteigerung messen und bewerten, die Software kann also als Werkzeug bei der Umsetzung von Optimierungsstrategien eingesetzt werden. Letztendlich hilft die OEESoftware also, eine höhere Effizienz der Produktionsanlagen zu erzielen und somit mit dem vorhandenen Bestand an Betriebsmitteln eine größere und bessere Produktion zu erreichen und den Profit zu maximieren. Die Profitsteigerung ist sogar gut mess- und prognostizierbar. Die Firma Strelen kann je nach erfordertem Leistungsumfang und Konfiguration der Software mit Modulen die entstehenden Kosten unter Berücksichtigung aller relevanten Produktionsfaktoren (Rohstoffpreise, Verkaufspreise, Anlagenwert) in ein Verhältnis zu der prognostizierten Effizienzsteigerung setzen und auf dieser Grundlage den Return on Investment (ROI) berechnen. Dieser liegt nicht selten sogar unterhalb von einem Jahr. Eine OEE-Software ist also eine Investition die sich sehr schnell amortisiert. Kameras zur Qualitätsinspektion: Das Qualitätsmodul basiert auf Hard- und Software aus der industriellen Bildverarbeitung und stellt Systeme zur Verfügung, welche die Qualität der produzierten Waren ermitteln und so Ausschuss erkennen. Für einen maximalen Ausbau der Automatisierung kann Ausschuss optional auch noch automatisch aussortiert werden. Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten Gabler GmbH & Co. KG Strelen Control Systems GmbH Seite 10

11 Firmenprofile der Firmen Gabler GmbH & Co. KG und Strelen Control Systems GmbH Gabler GmbH & Co. KG It all began in 1906 when Johann Gabler founded a company to develop industrial weaving machinery and textile machines in Basel, Switzerland. The second generation Willi Gabler gained experience in the field of production equipment. After building and improving gear tools for certain years, his son, Tilo Gabler started to manufacture production lines again. This time he used the experience of WLS to make steps into the confectionery, food and pharmaceutical fields. The accumulated knowledge is the base for today's daily work: To design, develop and build production lines for chewing and bubble gum, chewy candy, pharmaceutical pellets, dragees and many other products. Together with his team as well as his family, Tilo Gabler lead the Gabler GmbH+Co.KG to an excellent position in the market by reacting on customers' demands, with flexibility and the know-how accumulated along the years. With this philosophy Gabler maintains the trust from all the customers around the world. Strelen Control Systems GmbH Strelen Control Systems bietet individualisierte optische Inspektions- und Regelsysteme für Verpackungsprozesse und die Nahrungsmittelproduktion. Hierunter fallen das Vermessen von Produkten und Verpackungen, Überprüfung auf Vollständigkeit, Maßhaltigkeit und Unversehrtheit sowie Überprüfung der Dichtigkeit. Weiterhin entwickelt Strelen Control Systems Software und Lösungen für die Automation von Prozessen, Maschinen und Anlagen Gabler GmbH & Co. KG Nobelstraße 16A D Ettlingen Phone: / Fax: / sales@wls-gabler.de Strelen Control Systems GmbH Kirschberg 27 D Griesheim Phone: / Fax: / info@strelen.de Strelen GmbH Hafenstrasse 50B CH Kreuzlingen Phone: / Fax: / info@strelen.com Optische Vermessung von Süßwaren und Pharmaprodukten Gabler GmbH & Co. KG Strelen Control Systems GmbH Seite 11