Bekijk online

Retrofit van een volautomatische palletwikkelaar
Floris Boeve
Promotoren: Dieter Vandenhoeke, Fabien Delbeke
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van
Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek
Vakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp
Voorzitter: prof. Kurt Stockman
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur
Academiejaar 2013-2014
II
Retrofit van een volautomatische palletwikkelaar
Floris Boeve
Promotoren: Dieter Vandenhoeke, Fabien Delbeke
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van
Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek
Vakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp
Voorzitter: prof. Kurt Stockman
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur
Academiejaar 2013-2014
IV
Voorwoord
Graag zou ik van dit voorwoord gebruik willen maken om de mensen te bedanken die de realisatie van deze
masterproef mogelijk hebben gemaakt.
Als eerste zou ik mijn ouders willen bedanken die mij de kans gegeven hebben de studies Elektrotechniek
afstudeerrichting Automatisering vier jaar lang te volgen. Zonder hun steun zou ik deze opleiding en
masterproef nooit tot een goed einde gebracht hebben.
Daarnaast wil ik ook mijn externe promotor Fabien Delbeke bedanken waarop ik altijd beroep kon doen met al
mijn vragen en problemen. Verder zou ik Bert Tytgat en Peter Vermeulen willen bedanken waarbij ik terecht
kon 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'n
uitstekende begeleiding en advies. Niet te vergeten zijn natuurlijk ook alle docenten die mij de afgelopen jaren
de nodige kennis en inzichten hebben verschaft
Ten slotte wil ik een woord van dank richten tot al mijn medestudenten voor de vele onvergetelijke en
plezante momenten tijdens de afgelopen vier jaar.
Abstract
The subject of this thesis is the retrofit of a fully automatic stretch wrapper at the company Balta. The group
Balta is europe’s leading carpet manufacturer and are seen as a trend setter in rugs, broadloom carpet and
carpet tiles. This project is located in their own yarn extrusion division. The finished bobbins are stacked on
pallets before they are packaged by the stretch wrapper.
The setup of this thesis consists of a Tendomatic arm stretch wrapper combined with a roller conveyor
weighing system. Both are controlled with a individual PLC and HMI. The communication between the two
systems 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 construction
of 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 sequence
depends often on the status of the other sequences. Also the program is full of redundant code, nameless
variables or variables with an incorrect name. All this makes the program extremely complex and almost
impossible to modify. One of the many consequences is that the current film consumption is too high and not
adaptable.
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 are
now implemented in separated controllers.
To design an organized program the choice of programming language is very important. For this project
Sequential function chart is used. SFC is a graphical programming language defined by IEC 61131-3 that allow to
efficiently build operation sequences in a structured way. Because of this, the logical division can be made
between the conveyor cycle and the wrapping cycle.
A second aspect of this thesis is to find a low maintenance alternative to the tachogenerator which measures
the film demand. An incremental magnetic ring encoder appeared to be the optimal solution because of its lack
of mechanical moving parts and ease of installation.
VI
Lijst van afkortingen
C
CORDIC
COordinate Rotation DIgital Computer
H
HMI
Human Machine Interface
I
I/O
Input/output
K
kmo
kleine of middelgrote onderneming
P
PLC
Programmable Logic Controller
S
SFC
Sequential Function Chart
VII
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 ......................................................................................................... 6
3.1.1. Onderverdeling in automatisatiegraad ..................................................................................................... 6
3.1.2. Verschillende automatische wikkeltypes .................................................................................................. 7
3.2. Folieverdeler ............................................................................................................................................. 9
3.3. Voorrekken van folie ............................................................................................................................... 10
3.3.1. Voordelen................................................................................................................................................ 10
3.3.2. Realistie ................................................................................................................................................... 11
3.4. Belang van foliespanning......................................................................................................................... 12
3.4.1. Principe foliespanning ............................................................................................................................. 13
3.4.2. Moelijkheden .......................................................................................................................................... 13
3.4.3. Hoe wordt dit gerealiseerd?.................................................................................................................... 14
4
WIKKELCYCLUS....................................................................................................................... 16
5
DE PLC-STURING ..................................................................................................................... 18
6
DE HMI........................................................................................................................................ 19
7
DE WEEGBRUG......................................................................................................................... 21
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 ...................................................................................................................... 29
9.3.1. Interpolatiefactor .................................................................................................................................... 29
9.3.2. Minimal edge separation ........................................................................................................................ 29
9.3.3. 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
IX
Lijst van figuren
Figuur 1.1: Overzicht van de dochterondernemingen binnen Balta Group ............................................................. 1
Figuur 1.2: Opbouw van een pallet met bobijnen ................................................................................................... 2
Figuur 1.3: Een pallet terwijl hij een inpakcyclus doorloopt ................................................................................... 2
Figuur 1.4: De S7-200 PLC die de palletwikkelaar aanstuurt .................................................................................. 3
Figuur 2.1: Mechanische koppeling die de tacho aandrijft ..................................................................................... 4
Figuur 3.1: Een lading tegels overtrekken met een hoes......................................................................................... 5
Figuur 3.2: Een krimpkolom van Bocedisrl .............................................................................................................. 5
Figuur 3.3: Een lading vastgelegd met stalen banden ............................................................................................ 5
Figuur 3.4: Voorbeeld van een lasunit..................................................................................................................... 6
Figuur 3.5: Een draaitafel-wikkelaar gekoppeld aan een rollenbaan ..................................................................... 7
Figuur 3.6: Een Tendomatic A roterende armwikkelaar van Certis ......................................................................... 7
Figuur 3.7: De mobiele wikkelaar zoekt zijn baan rond de pallet............................................................................ 8
Figuur 3.8: Saturn S8 ringwikkelaar met dubbele filmdispenser ............................................................................. 8
Figuur 3.9: Een orbitaalwikkelaar van Lantech ....................................................................................................... 8
Figuur 3.10: Folielift van de Orcad Classic............................................................................................................... 9
Figuur 3.11: Roping die een opeenstapeling van kartonnen dozen bijeenhoud...................................................... 9
Figuur 3.12: Het 'Split and Rope' systeem van de fabrikant Flex ............................................................................ 9
Figuur 3.13: Een spanning - rek diagram van een typische stretch film [3] .......................................................... 10
Figuur 3.14: Het creëren van voorrek.................................................................................................................... 11
Figuur 3.15: Het verschil tussen een goede post-stretch instelling (rechts) en een slechte (links) ........................ 12
Figuur 3.16: De invloed van meerdere wikkelingen over elkaar geen................................................................... 12
Figuur 3.17: Benodigde filmtoevoer voor constante filmspanning ....................................................................... 13
Figuur 3.18: Directe filmaanvoer........................................................................................................................... 14
Figuur 3.19: Indirecte meting van de foliespanning door een cam-systeem......................................................... 14
Figuur 3.20: Indirecte meting van de foliespanning door een tacho..................................................................... 15
Figuur 4.1: De lasunit ............................................................................................................................................ 16
Figuur 4.2: Cilinder voor het samenbundelen van folie ......................................................................................... 16
Figuur 4.3: Bovenaanzicht van de volledige opstelling van de palletwikkelaar .................................................... 17
Figuur 5.1 Voorbeeld van een SFC-structuur in PC Worx....................................................................................... 18
Figuur 6.1 Overzicht werking Webvisit.................................................................................................................. 19
Figuur 6.2 Screenshot overzicht instellingen wikkelparameters ........................................................................... 20
Figuur 6.3 Instellingen wikkelparameters voor opwaardse cyclus ........................................................................ 20
Figuur 7.1: Basisprincipe van een “load cell” ........................................................................................................ 21
Figuur 7.2: Vier parallel geschakelde weegcellen met 6-draadse aansluiting ...................................................... 22
Figuur 7.3: Het Thévenin-equivalent van 4 parallel geschakelde weegcellen ....................................................... 22
Figuur 7.4: De IT 1000 weegmodule...................................................................................................................... 23
Figuur 7.5: De IB IL SGI ingangskaart .................................................................................................................... 23
Figuur 8.1: Schematisch overzicht huidige situatie temperatuurregeling............................................................. 23
Figuur 8.2: Thermokoppel type J (kopper & Constantaan).................................................................................... 24
Figuur 8.3: Correcte aansluitmethode voor verlengingen van thermokoppels ..................................................... 24
Figuur 8.4: Optocoupler ........................................................................................................................................ 24
Figuur 8.5: IB IL TEMP 2 UTH................................................................................................................................. 24
Figuur 9.1: Overzicht genereren van post-stretch ................................................................................................. 25
Figuur 9.2: Bovenaanzicht foliedoorhang filmlift .................................................................................................. 25
X
Figuur 9.3: Tachosignaal(links) & snelheidsaansturing pre-stretchmotor (rechts) ............................................... 26
Figuur 9.4: Incrementele magnetische ring encoder............................................................................................. 27
Figuur 9.5: Intern schema kopsensor .................................................................................................................... 28
Figuur 9.6: Edge separation & resolution.............................................................................................................. 29
Figuur 10.1 Flexisoft-controller met gateway en drie I/O modules....................................................................... 31
Figuur 10.2 L-muting ............................................................................................................................................. 32
Figuur 10.3 Standaard Cross-muting opstelling voor ingaand verkeer ................................................................. 32
Figuur 10.4 Cross-muting opstelling met achtergrondsupressie........................................................................... 32
XI
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 in
Europa 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) tot
kamerbreed 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 voor
Noord-Amerika in Dalton, GA, VS. In deze filialen zijn 3417 mensen tewerkgesteld, waarvan de overgrote
meerderheid 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 investeringsgroep
die 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
1
1.2. Situering van de Masterproef
Deze masterpoef vindt plaats in de extrusie-afdeling van Balta Sint-Baafs-Vijve. Hier worden synthetische
garens geproduceerd om later te verwerken tot tapijten. Dit is een continu productieproces dat start vanuit
polypropeen-korrels (granulaten) en kleurkorrels (masterbatch). Deze grondstoffen komen samen in een
extruder terecht waar ze onder hoge druk en temperatuur smelten. Een pomp perst de vloeibare massa
doorheen een spinplaat zodat filamenten (dunne draden) ontstaan. Een verdere nabehandeling van de
filamenten is noodzakelijk om de gewenste elasticiteit en treksterkte te verkrijgen. Tenslotte wikkelen ze het
garen rond een huls en stapelen de bobijnen in niveaus op Europallets (Figuur 1.2). Om deze vervoerbaar te
maken voor heftrucks komt elke laag vast te liggen met een koord.
Figuur 1.2: Opbouw van een pallet met bobijnen
Eenmaal de pallets compleet zijn, worden ze ingepakt en gewogen. Dit gebeurt op een volautomatische
palletwikkelaar (Figuur 1.3) gecombineerd met een rollenbaan waar een weegcel in vervat zit. Het doel van
deze masterproef is een retrofit van deze opstelling.
Figuur 1.3: Een pallet terwijl hij een inpakcyclus doorloopt
2
1.3. Probleemstelling
In 2006 werd in de extrusie-afdeling van Balta een ORCAD CLASSIC palletwikkelaar van het merk Thimon
aangekocht bij Certis Benelux. Deze verpakkingsmachine, bestuurd door een S7-200 PLC van Siemens, is
voorzien van een HMI (Human Machine Interface) van het merk Proface voor het ingeven van parameters voor
het 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 die
voor verwarring zorgen.

Een deel van de variabelen heeft geen of een onduidelijke naam, wat de leesbaarheid van de code
vermindert.

Het programma bevat vier stappenstructuren die tegelijk doorlopen worden om de wikkelcyclus van
één pallet te voltooien. Bovendien gebeurt het aansturen van de actoren (uitgangen van de PLC) niet
in deze stappen zelf maar in aparte functieblokken. Dit maakt het doorgronden van de code complex
en zeer onoverzichtelijk.
De fabrikant heeft eveneens de mogelijkheid voorzien om de palletwikkelaar te combineren met eender welk
transportsysteem van de klant. Bij Balta bestaat dit uit een driedelige rollenbaan waarvan de middelste een
weegcel bevat. Deze is volledig geprogrammeerd in een ILC 150 PLC van Phoenix Contact. Bij het begin van de
rollenbaan staat een tweede HMI waar de heftruckbestuurder de pallet scant en het aantal bobijnen die de
pallet bevat moet ingeven. Hierdoor kan het opgemeten gewicht aan de juiste pallet gekoppeld worden. De
HMI 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 van
het 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 wordt
afgewerkt, het zeer moeilijk is om beide systemen weer in operationele mode te krijgen.
3
2
Doelstelling
Het doel van deze masterproef is de sturing van de machine volledig te herzien. De combinatie van de huidige
twee PLC’s moet hierbij vervangen worden door één Phoenix Contact PLC die de volledige sturing voor zich
neemt. Een logisch gevolg hiervan is dat ook een nieuw elektrisch ontwerp noodzakelijk is. Het is dan ook de
bedoeling dat de oude elektrische kast volledig verdwijnt om vanaf nul te starten met de opbouw van een
nieuwe 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 een
elastische riemverbinding (Figuur 2.1). Voor zowel de mechanische koppeling als de tacho moet een
alternatief gezocht worden. Bij de snelheidsmeting ligt de focus op het zoeken naar een
onderhoudsarme 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 folie
vastsmelt 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 een
hogere performantie biedt.
De Orcad Classic draait 24 uur op 24 en is een onmisbaar gegeven op de productievloer van Balta. Problemen
tijdens de opstartfase van het nieuwe systeem dienen dan ook zoveel mogelijk vermeden te worden . Het zal
dus van groot belang zijn het PLC programma vooraf grondig te testen en met alle mogelijke scenario’s
rekening te houden.
4
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 al
3 biljoen pallets circuleren [1]. Om te voorkomen dat ladingen beschadigd geraken tijdens het transport
worden 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. Dit
kan door een plastieken hoes over de pallet te trekken (Figuur 3.1) of te omwikkelen met folie waarna de pallet
zich vastzet door het elastisch herstel van de folie. Het verschil zit in de manier waarop dit gebeurt. Rekfolie
wordt tijdens het inpakken elastisch uitgerokken en krimpt terug naar initiële toestand wanneer het rond de
pallet zit. Bij krimpfolie daarintegen moet het ‘geheugen’ van de film geactiveerd worden door verhitting in een
oven 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 lading
bijeen 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
5
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 te
houden.
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 dat
de operatoren zich niet meer verwonden aan de huls van de rol folie. Toch zijn er nog enkele nadelen
aanwezig: het is een zeer arbeidintensieve en logge manier van werken en ergonomisch slecht voor de persoon
die het doet.
Bij semi-automatische machines wordt de folie automatisch verdeeld rond de lading door één of meerder
folieverdelers. De enige manuele handeling die moeten gebeuren is het vastleggen van de folie bij het begin
van de inpakcyclus. Op het einde van de cyclus moet de operator de folie weer lossnijden en het uiteinde van
de 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 de
verpakkingstaak het uiteinde van de film losgesneden en vastgesmolten wordt aan de pallet. Het ander
uiteinde van de folie zit hierbij vastgeklemd zodat direct kan gestart worden met het inpakken van de volgende
goederen. 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 van
beschermingen op de hoeken en het bedekken van de bovenkant van de lading met een beschermcover tegen
vochtigheid en stof.
6
3.1.2. Verschillende automatische wikkeltypes
Het gamma van palletwikkelaars is door de jaren heen enorm gegroeid. Hieronder volgt een omschrijving van
de meest voorkomende types. De opstelling uit de masterproef behoord tot het tweede type dat hieronder
besproken wordt.
Bij de draaitafel-wikkelaar (Figuur 3.5) draaien de goederen rond terwijl de filmlift op en neer beweegt volgens
een ingesteld wikkelpatroon. Dit type is niet geschikt voor lichte ladingen aangezien de middelpuntvliedende
kracht ervoor zou zorgen dat de pallet omkantelt. Sommige fabrikanten van draaitafel-wikkelaars voorzien hier
een oplossing voor, meestal uitgevoerd in de vorm van een plaat die bovenop de pallet gedrukt wordt en kan
meedraaien. Extreem zware ladingen zijn eveneens niet evident aangezien deze op korte tijd een aanzienlijke
rotatiesnelheid 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 arm
die de filmverdeler ronddraait. Dit wordt een wikkelaar met roterende arm genoemd. In tegenstelling tot een
draaitafel-wikkelaar kan dit type beter omgaan met onstabiele, breekbare en extreem zware goederen. De
wikkelaar in de masterproefopstelling behoord tot deze soort.
Figuur 3.6: Een Tendomatic A roterende armwikkelaar van Certis
7
Hiervan bestaat ook een mobiele variant (Figuur 3.7). De robot-wikkelaar zoekt zijn weg omheen het object dat
hij aan het inpakken is. Het voordeel hiervan is dat arbeiders geen transpallet of heftruk nodig hebben om de
pallet juist te positioneren. Het volstaat om de robot manueel te besturen tot hij naast de in te pakken
goederen staat en op de start knop te drukken. De veiligheid van de arbeiders die in de fabriekshal rondlopen
wordt gegarandeerd door een rubberen band onderaan de wikkelaar die zodra hij een botsing detecteert alle
bewegingen 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 filmwagen
verschilt. Namelijk horizontaal (Figuur 3.8) en verticaal (Figuur 3.9). De respectievelijke namen zijn
ringwikkelaar en orbitaalwikkelaar. Deze kunnen een veel grotere capaciteit (pallets per uur) aan dan de
vorige besproken types en zijn tevens onderhoudsvriendelijker.
Figuur 3.8: Saturn S8 ringwikkelaar met dubbele
filmdispenser
Figuur 3.9: Een orbitaalwikkelaar van Lantech
8
3.2. Folieverdeler
In Figuur 3.10 is de folieverdeler van de Orcad Classic te zien. Op deze folielift zit een bevestigingssysteem voor
de 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 de
folierand oprolt. Hierdoor verhoogd de weerstand tegen inscheuren, waardoor het aantal foliebreuken
gereduceerd kan worden. Daarna passeert de folie langs een ingenieus folievoorrek-systeem. Tenslotte verlaat
de 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 een
goedkope manier voor het inpakken van zware ladingen. Door de folie te bundelen kan ze met een grotere
kracht aangebracht worden, wat de stabiliteit van de pallet ten goede komt [2]. Hierdoor wordt een hoop folie
uitgespaard tegenover een pallet die gewoon omwikkeld wordt (er zijn meer lagen nodig om dezelfde stabiliteit
te 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 van
kartonnen dozen bijeenhoud
Figuur 3.12: Het 'Split and Rope' systeem van de
fabrikant Flex
9
Verder bevat de filmwagen langs de andere kant ook een fotocel die de bovenkant van een pallet kan
detecteren, 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 folie
aangeduid en op de y-as de spanning die op de folie nodig is om deze rek te verkrijgen. Indien de kracht op de
folie 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 grens
tussen elastische en plastische vervorming (blijvende) en als nog verder wordt gegaan zal de folie breken (punt
C). 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 op
500% wordt in de praktijk de folie meestal niet meer dan 300% (1m folie wordt 4 m) gebruikt als pre-stretch
factor.
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 weer
losgelaten dan zal de folie een klein beetje terugveren (Oranje lijn). Dit zal gebeuren volgens de spannings-rek
verhouding in het lineair gebied. Om de folie nu nog eens plastisch te vervormen is geen 11MPa nodig maar
20MPa, wat bijna het tweevoud is. Het is dus moeilijker geworden om de folie blijvend te vervormen. Hierdoor
kan in de verpakkingswereld geld uitgespaard worden op folie want er is minder film nodig om dezelfde
ladingszekering te verkrijgen.
10
Een eenvoudige praktische test kan dit ook aantonen. Neem een wikkeling vast van een pallet ingepakt met
niet-voorgerekte folie. Trek hieraan met een kracht en laat de folie weer los. De folie zal hierdoor plastisch
vervormt zijn en de wikkeling zal los rond de pallet hangen. Herhaal dit voor een pallet met voorrek. Hierbij zal
het veel meer kracht kosten om de folie even ver van de pallet weg te trekken. Bovendien zal bij het loslaten de
folie 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 het
omwikkelen van goederen met scherpe randen.

Hoe groter het voorrek-percentage, hoe minder elastisch herstel de folie vertoont. Dit is nochtans het
basisconcept 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 een
speciale coating voor extra grip op de film. Door de secundaire pre-stretch rol met een hogere snelheid aan te
sturen dan de primaire, rekt de folie ertussen uit (Figuur 3.14). Het percentage waarmee de film uitrekt hangt
af 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 de
voorgaande aansturing is dat nu niet meer de folie maar een motor de rollen doet bewegen (meestal
op de primaire rol).

Regelbare power pre-stretch :
Het voorrek-percentage kan op elk moment gewijzigd worden op een HMI omdat beide pre-stretch
rollen aangestuurd worden door een afzonderlijke motor.
11
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 de
spanning die aanwezig is tussen de pallet en de foliewagen (Figuur 3.14). Anders gezegd, het is de kracht die
nodig is om uitgerekte folie tussen pallet en foliewagen terug te laten keren naar zijn originele staat. Het
percentage dat de folie wordt uitgerekt is gekend onder de naam post-stretch en is rechtstreeks gerelateerd
aan 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 wikkelingen
nodig 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-flessen
ingepakt 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 een
pallet terwijl hij ingepakt wordt).
Figuur 3.16: De invloed van meerdere wikkelingen over elkaar geen
12
3.4.1. Principe foliespanning
Foliespanning kan geregeld worden door de folietoevoer te beperken. Bij pre-stretch foliewagens gebeurt dit
door de motorsnelheid te regelen van de voorrek. Gewone folieliften hebben een weerstandsrol waarlangs de
folie 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 gedaan
omdat post-stretch stukken moeilijker te controleren is. M.a.w. er wordt niet gepoogd de voorgerekte folie nog
eens opnieuw plastisch te vervormen. De narek wordt zodanig ingesteld dat in het elastisch gebied gebleven
wordt.
3.4.2. Moelijkheden
Bij het aanbrengen van folie is de hoofdbedoeling een constante foliespanning. Het inpakken van een niet
cirkelvormige omtrek is echter problematisch. Om dit aan te tonen werd een Matlab script geschreven dat dit
probleem toelicht. In Figuur 3.17 zijn de resultaten van het script zichtbaar (zie bijlage 1). Hierin werd berekend
met welke snelheid de film toegevoerd moet worden zodat geen narek ontstaat (post-stretch 0%). Omdat het
denkbaar is dat scherpe hoeken een andere invloed hebben dan afgeronde werden beide berekend. Voor de
rotatiesnelheid van de armwikkelaar is 12tr/min genomen en voor de afronding van de pallethoeken een straal
van 15cm (vergelijkbaar met de pallets die in Balta ingepakt worden).
Folietoevoer (m/s)
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0°
45°
90°
135°
180°
225°
270°
315°
360°
Hoekpositie roterende arm (°)
Rechte hoeken
Afgeronde hoeken
Figuur 3.17: Benodigde filmtoevoer voor constante filmspanning
In de resultaten zijn duidelijke vier dips te zien die telkens voorkomen wanneer het punt verandert waarachter
de folie blijft haken aan de pallet. Zowel bij rechte als afgeronde hoeken zijn de maximumwaarden van de
folietoevoersnelheid bijna het dubbele van de minimumsnelheid. Om de foliespanning constant te houden zal
er dus een sensor nodig zijn die deze variatie opmeet, waardoor de controller de filmtoevoer kan regelen.
13
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 van
de rollen die de folie aandoet na de pre-stretch (Figuur 3.18). De controller berekent met deze twee metingen
welke kracht de folie uitoefent op die roller (dit is dezelfde kracht die de pallet zal samenhouden) en zal op
basis 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 de
folie passeert die kan roteren rond een centerpunt. Deze rotatie wordt beperkt door een veer, waardoor voor
ieder filmspanning de “dancer bar” een andere positie in neemt. Door deze positie op te meten kan dus de
aanwezige filmspanning achterhaald worden (Figuur 3.19). Deze wordt dan in de controller vergeleken met de
gewenste 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 verlaat
meet een tacho de snelheid van de folie (Figuur 3.20). Door deze te vergelijken met de foliesnelheid op het
punt dat ze de pre-stretch verlaat, kan bepaald worden hoeveel post-stretch (narek) er op de film zit. In
tegenstelling tot de vorige methodes is er in de PLC geen richtwaarde voor de filmspanning aanwezig maar wel
voor de narek waardoor opnieuw de filmtoevoer geregeld kan worden. Post-stretch en filmspanning zijn
eigenlijk juist hetzelfde op een constante na (folieafhankelijk). M.a.w. als de folieleverancier verandert, moet
de wenswaarde in de HMI aangepast worden om pallets met dezelfde foliekracht als vroeger te blijven
inwikkelen.
14
Ook bij deze methode is een “dancer bar” noodzakelijk (blauwe pijl in Figuur 3.20). Deze vangt namelijk de
veranderingen in filmvraag door de omtrek van de pallet op.
Voorbeeld werking
Als 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 de
tacho. Zo weet de controller dat hij meer folie moet aanleveren. Het gevolg is dat de foliespanning vermindert
en 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
15
4
Wikkelcyclus
In dit hoofdstuk worden vereenvoudigd de stappen van een volledige wikkelcyclus overlopen a.d.h.v. Figuur 4.3
waarop 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 de
barcode van de pallet te scannen. Wanneer dit gedaan is, wordt de in-te-pakken pallet getransporteerd naar de
middelste rollenbaan, die eveneens een weegbrug is. Om de efficiëntie te bevorderen krijgt de operator de
mogelijkheid 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 sensoren
controleren 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 de
wikkelarm 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 aangestuurd
die zorgt voor de luchtafvoer uit de vier luchtbalgen die op de hoeken gepositioneerd zijn van de middelste
rollenbaan. De rollenbaan zakt terwijl de pallet op dezelfde hoogte blijft staan door een steunplatform die zich
tussen de rollen bevindt. Onder de hoeken van dit platform zijn vier weegcellen aangebracht. Het moment dat
vier inductieve sensoren bevestigen dat de rollenbaan volledig beneden is en de pallet dus volledig op het
platform 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 het
ingestelde wikkelpatroon en met de ingestelde foliespanning naar boven begeeft. Eenmaal de bovenkant van
de pallet gedetecteerd wordt, zullen nog enkele gedeeltelijk overlappende folielagen boven de pallet worden
aangebracht zodanig dat het karton op de bovenste laag bobijnen goed wordt vastgezet. Vervolgens zakt de lift
terug naar beneden. Daar aangekomen worden extra “ropes” (samengebundelde folie) en wikkelingen
aangebracht zodat de lading aan zijn pallet is vastgezekerd. De “ropes” worden gecreëerd door een piston met
een schuin opgestelde folierol (roteert mee door de wrijving met de folie die er voorbij passeert) die de folie
naar beneden drukt (Figuur 4.2).
De laatste twee omwikkelingen van de wikkelarm worden gebruikt door de lasunit (Figuur 4.1) onderaan samen
te smelten, los te snijden en het los einde van de folie vast te klemmen voor de volgende pallet die ingepakt
moet worden. Hierna keert de wikkelaar terug naar zijn homepositie. De luchtbalgen aan de zijkant van de
rollenbaan vullen zich opnieuw zodat deze op hetzelfde niveau komt als de overige twee rollenbanen. Zodra dit
het geval is, wordt de ingepakte pallet afgevoerd.
Figuur 4.1: De lasunit
Figuur 4.2: Cilinder voor het samenbundelen van folie
16
Figuur 4.3: Bovenaanzicht van de volledige opstelling van de palletwikkelaar
17
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.
Overgangsvoorwaarde
Stap
Qualifier
Actie
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 worden
uitgevoerd op basis van hun qualifier en de stap waaraan ze gelinkt zijn. De qualifier ‘N’ staat bijvoorbeeld voor
het 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 mag
worden.
De opbouw van het programma bestaat uit twee sequentiële SFC-structuren. Enerzijds alles dat te maken heeft
met het aan- en afvoeren van pallets. Anderzijds alles dat te maken heeft met de eigenlijke wikkelcyclus. Beide
bezitten drie werkingsmodes, namelijk automatisch, manueel en reset. De connectie tussen de twee is gelegd
door een stap in de transportcyclus die toestemming heeft om de wikkelcyclus te starten. Wanneer deze
voltooid is zal het transport kunnen overgaan naar zijn volgende stap waardoor de pallet kan afgevoerd
worden. 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 te
kunnen wijzigen zodat de gewenste ladingszekerheid verkregen kan worden met een minimum aan
folieverbruik. Een gevolg hiervan is dat er veel parameters ingesteld moeten worden. Om dit nadeel te
compenseren worden de wikkelparameters opgeslagen op de FTP-server van de PLC. Zelfs na een volledige
reset van de PLC, worden bij een herstart de meest recente wikkelparameters ingeladen.
18
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 een
website gebruikt kan worden als visualisatie. Alle benodigde bestanden hiervoor dienen op de FTP-server van
de PLC gezet te worden. Via de geïntegreerde webserver kan de visualisatie dan in iedere browser getoond
worden die in hetzelfde netwerk zit als de PLC. De enige voorwaarde is dat de browser Java moet
ondersteunen. De webpagina kan ook gelinkt worden aan de procesdata van de PLC, waardoor de status van
de 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 overgangvoorwaarden
om naar de volgende stap te gaan opgeroepen worden. Hierdoor wordt het perfect mogelijk een
diagnose 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 de
operator 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 visualisatie
afgeschermd met paswoord. Er is eveneens een automatische afmelding voorzien voor gebruikers die
een bepaalde tijd geen actie meer uitvoeren op de HMI. Hierdoor wordt voorkomen dat niet
geautoriseerde 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 de
mogelijkheden Nederlands, Frans of Engels.
19
Figuur 6.2 Screenshot overzicht instellingen wikkelparameters
Figuur 6.3 Instellingen wikkelparameters voor opwaardse cyclus
20
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 cell
bestaat uit vier rekstrookjes die bevestigd zijn op een buigbaar frame (Figuur 7.1). Wanneer dit frame belast
wordt, zal dit frame vervormen en worden de rekstrookjes samengedrukt of uitgerekt waardoor hun weerstand
verandert. Hieruit kan de belasting afgeleid worden. Omdat deze weerstandsveranderingen klein zijn, worden
de 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. De
verhouding tussen dit lineair verband staat bekend als de karakteristiek van een weegcel (standaard uitgedrukt
in mV/V). Dit omschrijft de uitgangspanning in functie van de voedingsspanning van de brug bij maximale
belasting. Dit betekent als op de voedingskabels van de weerstandsbrug een spanning wordt gezet van 5V bij
een load cell met een karakteristiek van 4mV/V die maximaal belast is, een spanning gemeten worden van 10
mV. Kleine spanningen zijn gevoelig voor elektromagnetische interferentie. Het “shield” van de aansluitkabels
dient dan ook correct aangesloten te worden.
Er bestaan weegcellen met zowel vier als zes aansluitdraden. Het verschil zit in de manier waarop
weerstandsveranderingen in de kabel door temperatuurverschillen worden gecompenseerd. Bij de vierdraadse aansluiting maakt de kabelweerstand deel uit van de compensatie. Het gevolg hiervan is dat de kabel
geleverd door de fabrikant niet ingekort of verlengd mag worden. In de opstelling van de palletwikkelaar is
alles zes-draads aangesloten. Hierbij worden twee “sense” draden gebruikt die de werkelijke voedingspanning
van de brug hoog-ohmig opmeten. Hierdoor wordt de temperatuurafhankelijke spanningsval over de
kabelweestand van de voedingslijnen niet in rekening gebracht. Deze aansluittechniek heeft geen beperking op
het vlak van kabellengte. Een zes-dradige load cel mag nooit vier-draads aangesloten worden.
21
De aansluiting van vier load cellen gebeurt parallel zodanig dat maar één signaal verwerkt moet worden (Figuur
7.2). Door het parallel schakelen van de weegcellen, middelen de verschilspanningen van de vier bruggen zich
uit. Aangezien het gewicht van de pallet de som is van de kracht op de weegcellen, moet de gemeten waarde
gewoon 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 te
bekomen:
 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 analoge
ingangskaart van een PLC. In de huidige opstelling is hiervoor een weegmodule (Figuur 7.4) gebruikt die het
signaal versterkt en converteert naar een 4-20mA signaal dat door de S7-200 PLC ingelezen kan worden. De
module beschikt eveneens over de mogelijkheid om de weegbrug te kalibreren. In het vernieuwde ontwerp
wordt 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 Inline
Interbus netwerk. Een voordeel hiervan is dat alle logica zich in de schakelkast bevindt en dat het kalibreren
van de weegbrug vanop het HMI-panel kan gebeuren. Momenteel bevindt de weegmodule zich onder een
platform (binnen de gevaarlijke zone) waardoor dit niet zo simpel is.
22
Figuur 7.4: De IT 1000 weegmodule
8
Figuur 7.5: De IB IL SGI ingangskaart
Temperatuurregeling van de folielas
Om de folie op het einde van de wikkelcyclus onderaan de pallet samen te smelten, is een lasunit voorzien. In
de huidige opstelling gebeurt dit door een alleenstaande PID-regelaar. Deze stuurt d.m.v. een relais een
vermogen weerstand aan die instaat voor het opwarmen van de lasplaat. Afhankelijk van de uitgangswaarde
van 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 thermoelektrisch effect, beter gekend als het Seeback-effect. Een thermokoppel bestaat uit twee verschillende
metalen die aan één uiteinde aaneengelast zijn. Wanneer tussen de las en het open einde een
temperatuurverschil heerst omschrijft het Seeback-effect dat er een spanning gegenereerd zal worden. Deze
kan opgemeten worden aan de open zijde en is een maat voor het temperatuurverschil. Aangezien in de
industrie meestal puntmetingen plaatsvinden, moet de temperatuur van de aansluitklemmen gekend zijn, dit
wordt de koudelas-compensatie genoemd.
23
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 twee
voorwaarden 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 aansluitpunten
waardoor een verkeerde meting ontstaat. In de praktijk worden hiervoor compensatiekabels gebruikt,
passend bij het type thermokoppel dat aanwezig is.
 De verbindingspunten ter hoogte van T 2 (Figuur 8.3) moeten dezelfde temperatuur hebben.
Figuur 8.3: Correcte aansluitmethode voor verlengingen van ther mokoppels
Het binnenlezen van de thermospanning gebeurt via een IB IL TEMP 2UTH van Phoenix Contact (Figuur 8.5). De
koudelas-compensatie gebeurt intern in deze module d.m.v. een PT100-temperatuursensor (gebaseerd op
verandering in elektrische weerstand). Het voordeel van thermokoppels tegenover PT100-sensoren voor
dergelijke applicaties is de hoge reactiesnelheid, waardoor de temperatuurregeling dynamischer gebeurt.
Vanwege de hoge schakelfrequentie wordt de mechanische relais vervangen door een solid-state relais. Deze
bevat 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
24
9
Veranderingen folieaanvoer
Één van de doelstellingen van deze masterproef is het vinden van een onderhoudsvriendelijke sensor voor het
opmeten van de folie die gevraagd wordt door de omtrek van een pallet. De folievraag opmeten is noodzakelijk
om een constante foliespanning te creëren. In de huidige situatie gebeurt dit nog via een tacho die met een
riemverbinding rechtstreeks verbonden is met de slagrol (Figuur 2.1) van de folielift. Dit resulteert in een
analoog signaal (evenredig met de rotatiesnelheid van de slagrol) dat over de sleepringen getransporteerd
wordt (Figuur 9.1) en cyclisch door de S7-200 PLC binnengelezen wordt. Afhankelijk van de ingestelde
foliespanning 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 die
de contacthoek van de slagrol vergroot. Hierdoor is slechts een zeer kleine inbouwplaats beschikbaar.
1.
Bobijn
2.
Gemotoriseerde rol
3.
Aangedreven rol
4.
Slagrol
Figuur 9.2: Bovenaanzicht foliedoorhang filmlift


Weinig inertie toevoegen aan het systeem zodat de folievraag dynamisch opgemeten kan worden en
om te voorkomen dat de folie doorslipt op de slagrol
De gekozen sensor moet gevoed kunnen worden op 24V aangezien dit de enige voedingsspanning is
die continu aanwezig is na de sleepringen
25





De sensor moet robuust zijn en een hoge levensduur hebben aangezien de palletwikkelaar 24h/24
7d/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 analoge
signaalspanningen over de sleepring te sturen. Een digitaal signaal of een 4-20mA (goed bestand tegen
variërende 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 ruis
niet opgemerkt wordt. Desalniettemin blijft de huidige situatie verre van optimaal.
26
9.1. Keuze alternatief
Op basis van alle criteria die hierboven vermeld zijn, is gekozen voor een incrementele magnetische ring
encoder 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 de
positie of snelheid geweten moet zijn. De sensorkop komt op het vast gedeelte en moet op een bepaalde
afstand 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 een
quadrature pulsetrein waarbij signaal B 90° verschoven is tegenover signaal A en een Z-signaal dat bij iedere
volledige rotatie een pulse uitstuurt. Iedere flankverandering staat voor een bepaalde positieverplaatsing. Deze
flanken dienen typisch verwerkt te worden door een high speed counter. Afhankelijk van de draairichting
wordt bij een flank de counter verhoogd of verlaagd. Uit de volgorde van de gedetecteerde flanken kan de
draairichting worden afgeleid. Het Z-signaal is bij positiemeetsystemen van belang als referentie. In deze
toepassing is dit niet het geval, daar de focus ligt op het meten van de snelheid. Bijgevolg dient hetZ-signaal
niet verplicht aangesloten te worden.
27
9.2. Achterliggend werkingsprincipe
De magnetische ring bestaat uit een alternerend magnetisch veld, meestal met een poollengte tussen de 0,5 en
5mm. In de sensorkop zijn vier hall-sensoren aanwezig op een halve-poollengte afstand van elkaar. De
bekomen signalen bij het roteren van de ring langs de sensor zijn sinusvormige signalen die elk 90° verschoven
zijn. Signaalparen die 180° verschoven zijn worden van elkaar afgetrokken (Figuur 9.5) zodat een sinus en een
cosinussignaal ontstaat met dubbele amplitude.
Praktisch gezien zou de volledige sensorkop ook kunnen uitgewerkt worden met twee hall-sensoren. Het
voordeel om er vier te gebruiken is dat bij het nemen van het verschil van twee signalen, de invloed van een
extern magnetisch veld wordt geëlimineerd. Vanuit deze signalen moet nu enkel nog overgegaan worden naar
een incrementeel uitgangssignaal. De nuldoorgangen zouden hiervoor gebruikt kunnen worden, het nadeel
hiervan 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. Hierdoor
kunnen resoluties bereikt worden tot 1μm. In Figuur 9.5 wordt dit gerealiseerd door een CORDIC (Coordinate
Rotation Digital Computer) die d.m.v. een efficiënt en eenvoudig algoritme goniometrische en hyperbolische
functies kan berekenen. De meeste fabrikanten ontwikkelen hun eigen algoritme die metingen met een
kleinere foutmarge opleveren.
Figuur 9.5: Intern schema kopsensor
28
9.3. Belangrijke selectiecriteria
9.3.1. Interpolatiefactor
Bij de meeste fabrikanten is er bij aankoop van de sensorkop de mogelijkheid tussen verschillende
interpolatiefactoren. Dit zal uiteindelijk samen met de poollengte van de magnetische ring beslissend zijn voor
de 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 de
counter die het signaal verwerkt zodanig gedimensioneerd worden dat hij snel genoeg is om elke flank op te
merken en te verwerken bij de maximale snelheid van de applicatie. Bij een magnetische encoder is dit echter
niet het enige waar rekening mee gehouden moet worden. Bij dit type encoder is het namelijk mogelijk dat bij
stilstand de counter overrompeld wordt door flanken.
Een sensorkop bevat intern, zoals eerder besproken, vier gevoelige analoge sensoren die de magnetische
veldsterkte detecteren van de voorbij passerende magnetische band. Er vormt zich echter een probleem
doordat in een analoog circuit altijd een minimale hoeveelheid elektrische ruis aanwezig is. Deze ruis is
zichtbaar voor de chip die het signaal interpoleert. Hierdoor kunnen op de encoder-uitgang pulsen uitgestuurd
worden zelf al is er geen fysieke beweging.
Indien deze allemaal correct gedetecteerd worden, zal geen positiefout ontstaan daar de pulsen elkaar
opheffen indien de draairichting in rekening gebracht wordt. M.a.w. de gemeten positie zal fluctueren rondom
zijn werkelijke positie binnen een kleine marge. Hieruit kan geconcludeerd worden dat zowel signaal A als B
nodig zullen zijn om de correcte snelheid of positie af te leiden.
Elektrische ruis is typisch hoogfrequent wat bijkomende complicaties kan veroorzaken. Het tijdsinterval tussen
twee flanken kan zodanig klein worden dat enkel counters met een extreem hoge samplefrequentie nog in
staat zijn om alle flanken te detecteren. Om dergelijke situaties te voorkomen plaatst de fabrikant van de
sensor een low-pass filter voor de ingangen van de interpolator. Bijgevolg kan gegarandeerd worden dat er
altijd een bepaalde minimale tijd tussen iedere uitgestuurde flank zit (Figuur 9.5). Op deze parameter moet dan
ook de counter, die het incrementele signaal verwerkt, gedimensioneerd worden. Bij de aankoop van een
magnetische encoder kan meestal gekozen worden tussen verschillende waarden voor de minimale “edge
separation” (bepaald door de cut-off frequentie van de low-pass filter).
29
9.3.3. Maximale rotatiesnelheid
Magnetische encoders hebben net als andere encoders een beperkt maximaal toerental. De maximale
rotatiesnelheid 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 een
beperkende 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 en
heeft geen functie om de snelheid uit te lezen. Daarom wordt in een aparte task van de PLC om de 10ms de
positieverandering 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 deze
masterproef gekozen is, zijn er bij een maximale rotatiesnelheid 205 flanken in een interval van 10ms. Er
kunnen dus ook 205 verschillende snelheden gedetecteerd worden tussen 0 en de maximale snelheid. Dit is
nauwkeurig genoeg.
Om te voorkomen dat de countermodule zijn maximale telwaarde overschrijdt, wordt deze bij het begin van
iedere inpakcyclus gereset. De uitgelezen telwaarde bestaat uit 25 bits. Indien nu rekening gehouden wordt
met de gekozen encoder, dan is de countermodule in staat om 823 wikkelingen rondom een volle pallet te
leggen. 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 diverse
foliespanningen gebruikt. Een deel hiervan is door de operator aanpasbaar, afhankelijk van de soort pallet die
ingepakt moet worden. Het overige deel is vast geprogrammeerd in de PLC. Een voorbeeld hiervan zijn de
eerste wikkelagen die beneden worden aangebracht. Omdat de bobijnen een cilindrische vorm hebben, steken
de scherpe hoeken van de houten pallet uit. Om geperforeerde folie te voorkomen, worden de eerste lagen
met een lage foliespanning aangebracht. De plotse wijzigingen in foliespanningen leveren echter ook
problemen op. Overgangen naar een hogere foliespanning staan gekenmerkt als het sterk afremmen van de
pre-stretchmotor (formule).
= (100% −
Met
)×
:
:
:
ℎ
ℎ
−
ℎ
/
/ (
%
−
ℎ
(7.2)
)
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 aan
de wikkelparameters zodoende het aantal foliebreuken te doen dalen.
30
10 Safety
10.1. Basisopstelling
Zoals eerder besproken zijn er in de huidige opstelling al lichtgordijnen aanwezig. Momenteel is de
veiligheidskring zodanig opgebouwd dat de lichtschermen enkel actief zijn gedurende de wikkelcyclus. Dit kan
echter tot onveilige situaties leiden wanneer bijvoorbeeld al een persoon aanwezig is in de gevaarlijke zone
vooraleer de wikkelcyclus start. Om dit risico weg te nemen kan muting gebruikt worden. Hierbij worden de
lichtschermen enkel tijdelijk onderbroken wanneer goederen passeren. Onderscheid tussen mens en object
wordt gemaakt door sensoren (veelal optische) voor en/of achter de lichtschermen te plaatsen. Om muting
toe te kunnen passen volstaat een standaard veiligheids-relais niet meer. Daarom wordt deze gedurende de
retrofit vervangen door de Flexisoft programmeerbare veiligheidscontroller van Sick (Figuur 10.1) die modulair
uitgebreid 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 gewenste
programma 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 moet
het RK512-protocol gevolgd worden dat door Siemens is ontwikkeld.
10.2. Muting
Om muting veilig te kunnen toepassen moet voldaan worden aan heel wat voorwaarden
In de huidige opstelling kan muting niet op een correcte manier worden toegepast. Het grootste probleem is
het gebrek aan plaats door de te korte aanvoer- en afvoerrollenbanen In deze masterproef is er onderzocht om
dit 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 (Figuur
10.2) te gebruiken. De enige aanpassing die daarna nog moet gebeuren, is het toevoegen van een klein stuk
hekkenwerk waardoor verhinderd wordt dat operatoren het lichtscherm kunnen ontwijken door er rond te
lopen.
31
Figuur 10.2 L-muting
Bij het transport van goederen naar de gevaarlijke zone is L-muting verboden. Cross-muting is de meest
voorkomende opstelling voor ingaand verkeer. Zoals op Figuur 10.3 zichtbaar is veel plaats nodig ondanks het
feit dat er maar één sensorpaar nodig is (C1 is optioneel). Daarom zal cross-muting toegepast worden met een
sensorpaar dat gebaseerd op is op achtergrondsuppressie. Hierdoor wordt de benodigde ruimte een stuk
verkleint 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
32
11 Besluit
Het hoofddoel van deze masterproef was het onderbrengen van alle logica in één PLC zodoende een minder
complex en performanter geheel te verkrijgen. Doordat gekozen werd voor de programmeertaal Sequentiel
Function Chart is een heel overzichtelijk programma gecreëerd dat in de toekomst eenvoudig kan worden
aangepast. Door in iedere stap van de wikkelcyclus alle uitgangen te definiëren, is eveneens een structuur
gecreëerd 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 ladingzekerheid
en het folieverbruik tot in de puntjes geregeld kan worden. Het nadeel van de vele parameters die ingesteld
moeten worden werd opgelost door de parameters op de FTP-server van de PLC te plaatsen. Hierdoor moeten
zelfs bij substantiële wijzigingen in het PLC-programma of na een cold restart geen parameters opnieuw
ingesteld te worden.
Bij de opbouw van de HMI werd de nadruk gelegd op gebruiksvriendelijkheid. Belangrijke voorwaarden om
over te gaan naar een volgende stap in het proces zijn gevisualiseerd. Maar ook kan te allen tijde perfect
achterhaald worden in welke toestand de wikkelmachine zich bevindt. Verder werd veel aandacht besteed aan
de verwerking van foutmeldingen met als hoofddoel het praktisch overbodig maken van een handleiding om
een bepaalde fout op te lossen. Om ervoor te zorgen dat operatoren niet verdwaalden in alle menu’s is er
geopteerd 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 folievraag
opmeet, m.a.w. de foliespanning regelt. In deze masterproef werd eerst een studie uitgevoerd welke
verschillende systemen er bestonden om de foliespanning te regelen. Uiteindelijk werd gekozen voor een
incrementele magnetische ring encoder. Deze heeft geen bewegende mechanische delen waardoor zeker en
vast voldaan is aan de doelstelling. Bijkomende voordelen zijn dat dit type encoder zeer robuust is, bestand
tegen stof en makkelijk monteerbaar is in de foliedispenser.
33
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. Patent
12/867-871, December 09, 2008
[4]
Hernandez, R. J., Selke, S. E. M., & Culter, J. D. ,”Plastics Packaging: Properties, Processing, Applications
and 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).
34
13 Bijlagen
13.1. Bijlage 1: Berekening van de variatie in vraag naar folie
35
36

Download Report