Optické třídění - Optical sorting
Optické třídění (někdy nazývané digitální třídění ) je automatizovaný proces třídění pevných produktů pomocí fotoaparátů a / nebo laserů .
V závislosti na typech použitých senzorů a softwarově řízené inteligenci systému pro zpracování obrazu mohou optické třídiče rozpoznat barvu, velikost, tvar, strukturní vlastnosti a chemické složení objektů. Třídič porovnává objekty s uživatelsky definovanými kritérii pro přijetí / odmítnutí, aby identifikoval a odstranil vadné výrobky a cizí materiál (FM) z výrobní linky, nebo aby oddělil produkt různých tříd nebo typů materiálů.
Optické třídění dosahuje nedestruktivní, 100% in-line kontrolu při plném objemu výroby.
Optické třídiče jsou široce používány v potravinářském průmyslu po celém světě, s nejvyšší přijetím při zpracování sklizených potravin, jako jsou brambory, ovoce, zelenina a ořechy, kde dosahuje nedestruktivní, 100% kontroly in-line při plném objemu výroby. Tato technologie se také používá ve farmaceutické a nutraceutické výrobě, zpracování tabáku, recyklaci odpadu a dalších průmyslových odvětvích. Ve srovnání s manuálním tříděním, které je subjektivní a nekonzistentní, pomáhá optické třídění zlepšit kvalitu produktu, maximalizovat propustnost a zvýšit výnosy při současném snížení nákladů na pracovní sílu.
Dějiny
Optické třídění je myšlenka, která poprvé vyšla z touhy automatizovat průmyslové třídění zemědělského zboží, jako je ovoce a zelenina. Než byla ve 30. letech koncipována technologie automatického optického třídění, vyráběly společnosti jako Unitec dřevěné stroje na pomoc při mechanickém třídění ovoce. V roce 1931 byla založena společnost známá jako „Electric Sorting Company“ a začala s vytvářením prvních třídičů barev na světě, které byly instalovány a používány v Michiganském fazolovém průmyslu do roku 1932. V roce 1937 pokročila technologie optického třídění, aby systémy založené na dvoubarevném principu výběru. V příštích několika desetiletích došlo k instalaci nových a vylepšených třídicích mechanismů, jako jsou gravitační podávací systémy, a zavedení optického třídění ve více zemědělských odvětvích.
Na konci 60. let se začalo optické třídění zavádět do nových průmyslových odvětví mimo zemědělství, jako je třídění železných a neželezných kovů. V 90. letech se při třídění pevných odpadů intenzivně využívalo optické třídění.
S velkou technologickou revolucí, která proběhla na konci 90. let a na počátku 2000, byly optické třídiče zefektivněny implementací nových optických senzorů, jako jsou CCD, UV a IR kamery. Dnes se optické třídění používá v nejrůznějších průmyslových odvětvích a jako takové je implementováno s různým výběrem mechanismů, které pomáhají při plnění tohoto konkrétního třídícího úkolu.
Systém třídění
Optické třídiče mají obecně čtyři hlavní součásti: podávací systém, optický systém, software pro zpracování obrazu a separační systém. Cílem dávkovacího systému je rozložit produkty do jednotné monovrstvy, takže produkty jsou optickému systému dodávány rovnoměrně, bez shluků, konstantní rychlostí. Optický systém zahrnuje světla a senzory umístěné nad a / nebo pod tokem kontrolovaných předmětů. Systém zpracování obrazu porovnává objekty s uživatelem definovanými prahovými hodnotami pro přijetí / odmítnutí, aby klasifikoval objekty a aktivoval separační systém. Separační systém - obvykle stlačený vzduch pro malé výrobky a mechanická zařízení pro větší výrobky, jako jsou celé brambory - přesně určuje předměty, zatímco je ve vzduchu, a odkloňuje předměty, aby je odstranil do odpadu pro vyřazení, zatímco dobrý výrobek pokračuje po své normální trajektorii.
Ideální třídič, který lze použít, závisí na aplikaci. Proto vlastnosti produktu a cíle uživatele určují ideální senzory, softwarově řízené schopnosti a mechanickou platformu.
Senzory
Optické třídiče vyžadují kombinaci světel a senzorů k osvětlení a zachycení snímků objektů, aby bylo možné snímky zpracovat. Zpracované obrázky určí, zda má být materiál přijat nebo odmítnut.
Existují třídiče kamer, laserové třídiče a třídiče, které obsahují kombinaci obou na jedné platformě. Světla, kamery, lasery a laserové senzory mohou být navrženy tak, aby fungovaly v rámci vlnových délek viditelného světla i v infračerveném (IR) a ultrafialovém (UV) spektru . Optimální vlnové délky pro každou aplikaci maximalizují kontrast mezi objekty, které mají být odděleny. Kamery a laserové senzory se mohou lišit v prostorovém rozlišení, přičemž vyšší rozlišení umožňuje třídiči detekovat a odstraňovat menší vady.
Fotoaparáty
Monochromatické kamery detekují odstíny šedé od černé po bílou a mohou být účinné při třídění produktů s defekty s vysokým kontrastem.
Sofistikované barevné kamery s vysokým barevným rozlišením dokážou detekovat miliony barev, aby lépe rozlišily jemnější barevné vady. Trichromatické barevné kamery (nazývané také tříkanálové kamery) rozdělují světlo do tří pásem, které mohou zahrnovat červenou, zelenou a / nebo modrou ve viditelném spektru i infračervené a UV záření.
Ve spojení s inteligentním softwarem jsou třídiče vybavené kamerami schopny rozpoznat barvu, velikost a tvar každého objektu; stejně jako barvu, velikost, tvar a umístění vady na výrobku. Někteří inteligentní třídiče dokonce umožňují uživateli definovat vadný produkt na základě celkové vadné povrchové plochy daného objektu.
Lasery
Zatímco kamery snímají informace o produktu především na základě odrazivosti materiálu, lasery a jejich senzory jsou schopny rozlišit strukturní vlastnosti materiálu spolu s jejich barvou. Tato kontrola strukturálních vlastností umožňuje laserům detekovat širokou škálu organických a anorganických cizích materiálů, jako je hmyz, sklo, kov, tyčinky, kameny a plasty; i když mají stejnou barvu jako dobrý produkt.
Lasery mohou být navrženy tak, aby pracovaly ve specifických vlnových délkách světla; ať už na viditelném spektru nebo mimo něj. Například lasery mohou detekovat chlorofyl stimulací fluorescence pomocí specifických vlnových délek; což je proces, který je velmi účinný při odstraňování cizího materiálu ze zelené zeleniny.
Kombinace fotoaparát / laser
Třídiče vybavené kamerami a lasery na jedné platformě jsou obecně schopné identifikovat nejširší škálu atributů. Fotoaparáty často dokážou lépe rozpoznat barvu, velikost a tvar, zatímco laserové senzory identifikují rozdíly ve strukturálních vlastnostech, aby maximalizovaly detekci a odstranění cizího materiálu.
Hyperspektrální zobrazování
Na základě potřeby řešit dříve nemožné výzvy při třídění se vyvíjí nová generace třídičů, které obsahují multispektrální a hyperspektrální zobrazovací systémy.
Stejně jako trichromatické kamery i multispektrální a hyperspektrální kamery shromažďují data z elektromagnetického spektra. Na rozdíl od trichromatických kamer, které rozdělují světlo do tří pásem, mohou hyperspektrální systémy rozdělit světlo na stovky úzkých pásem v nepřetržitém rozsahu, který pokrývá velkou část elektromagnetického spektra. Ve srovnání se třemi datovými body na pixel shromážděnými trichromatickými kamerami mohou hyperspektrální kamery sbírat stovky datových bodů na pixel, které jsou kombinovány a vytvářejí jedinečný spektrální podpis (nazývaný také otisk prstu) pro každý objekt. Když je hyperspektrální třídič doplněn o schopnou softwarovou inteligenci, zpracovává tyto otisky prstů, aby umožnil třídění podle chemického složení produktu. Toto je rozvíjející se oblast chemometrie .
Softwarově řízená inteligence
Jakmile senzory zachytí odezvu objektu na zdroj energie, zpracování obrazu se použije k manipulaci se surovými daty. Zpracování obrazu extrahuje a kategorizuje informace o konkrétních funkcích. Uživatel poté definuje prahové hodnoty pro přijetí / odmítnutí, které se používají k určení toho, co je dobré a špatné v toku nezpracovaných dat. Umění a věda zpracování obrazu spočívá ve vývoji algoritmů, které maximalizují účinnost třídiče a zároveň operátorovi představují jednoduché uživatelské rozhraní.
Objektové rozpoznávání je klasickým příkladem softwarově řízené inteligence. Umožňuje uživateli definovat vadný výrobek na základě toho, kde vada leží na výrobku a / nebo celkové vadné povrchové ploše předmětu. Nabízí větší kontrolu při definování širší škály vadných produktů. Pokud se používá k ovládání systému vyhazování třídiče, může zlepšit přesnost vyhazování vadných produktů. To zlepšuje kvalitu produktu a zvyšuje výtěžnost.
Neustále se vyvíjejí nové funkce založené na softwaru, které uspokojí specifické potřeby různých aplikací. S rostoucím výkonem výpočetního hardwaru jsou možné nové softwarové pokroky. Některá z těchto vylepšení zvyšují účinnost třídičů k dosažení lepších výsledků, zatímco jiná umožňují přijímat zcela nová rozhodnutí o třídění.
Platformy
Mezi faktory, které určují ideální platformu pro konkrétní aplikaci, patří povaha produktu - velký nebo malý, mokrý nebo suchý, křehký nebo nerozbitný, kulatý nebo snadno stabilizovaný - a cíle uživatele. Obecně lze třídit produkty menší než zrnko rýže a velké jako celé brambory. Výkony se pohybují od méně než 2 metrických tun produktu za hodinu na nízkokapacitních třídičích do více než 35 metrických tun produktu za hodinu na vysokokapacitních třídičích.
Třídiče kanálů
Nejjednodušší optické třídiče jsou kanálové třídiče, typ třídiče barev, který může být účinný u produktů, které jsou malé, tvrdé a suché, s konzistentní velikostí a tvarem; jako je rýže a semena. U těchto produktů nabízejí třídiče kanálů cenově dostupné řešení a snadné použití s malými rozměry. Třídiče kanálů jsou vybaveny monochromatickými nebo barevnými kamerami a odstraňují vady a cizí materiál pouze na základě rozdílů v barvě.
U produktů, které nelze zpracovat třídičem kanálů - jako jsou měkké, mokré nebo nehomogenní produkty - a u procesorů, které chtějí mít větší kontrolu nad kvalitou svých produktů, třídiče volného pádu (nazývané také třídiče s vodopádem nebo gravitační vývody), krmení, třídiče nebo pásové třídiče jsou ideální. Tyto sofistikovanější třídiče často obsahují pokročilé kamery a / nebo lasery, které, když jsou doplněny schopnou softwarovou inteligencí, detekují velikost, tvar, barvu, strukturní vlastnosti a chemické složení objektů.
Třídiče s volným pádem a skluzem
Jak názvy napovídají, třídiče volného pádu kontrolují produkt ve vzduchu během volného pádu a třídiče napájené skluzem stabilizují produkt na padáku před inspekcí na vzduchu. Hlavní výhodou třídičů s volným pádem a s napájením skluzu ve srovnání s třídiči pásů je nižší cena a nižší údržba. Tyto třídiče jsou často nejvhodnější pro ořechy a bobule, stejně jako pro mražené a sušené ovoce, zeleninu, bramborové hranolky a mořské plody, navíc k aplikacím na recyklaci odpadu, které vyžadují střední objem.
Třídiče pásů
Platformy pro třídění pásu jsou často upřednostňovány pro aplikace s vyšší kapacitou, jako jsou rostlinné a bramborové výrobky před konzervováním, zmrazením nebo sušením. Výrobky jsou často před kontrolou stabilizovány na dopravním pásu. Některé třídiče pásů kontrolují výrobky shora nad pásem, zatímco jiné třídiče také odesílají výrobky z pásu za účelem kontroly na vzduchu. Tyto třídiče lze navrhnout pro dosažení tradičního obousměrného třídění nebo třícestného třídění, pokud jsou vybaveny dvěma vyhazovacími systémy se třemi výstupními proudy.
Systémy ADR
Pátý typ třídicí platformy, nazývaný systém automatického odstraňování defektů (ADR), je speciálně pro bramborové hranolky (hranolky). Na rozdíl od jiných třídičů, které vylučují výrobky s vadami z výrobní linky, systémy ADR identifikují vady a ve skutečnosti odstraní vady z pásů. Kombinace systému ADR následovaná mechanickým srovnávačem nubbinů je dalším typem optického třídicího systému, protože používá optické senzory k identifikaci a odstranění vad.
Systémy kontroly jednoho souboru
Výše popsané platformy fungují s hromadnými materiály; což znamená, že nepotřebují, aby byly materiály zkontrolovány v jednom souboru. Naproti tomu šestým typem platformy používané ve farmaceutickém průmyslu je optický kontrolní systém s jedním souborem. Tyto třídiče jsou účinné při odstraňování cizích předmětů na základě rozdílů ve velikosti, tvaru a barvě. Nejsou tak populární jako ostatní platformy kvůli snížené efektivitě.
Mechanické srovnávače
U produktů, které vyžadují třídění pouze podle velikosti, se používají systémy mechanického třídění, protože senzory a software pro zpracování obrazu nejsou nutné. Tyto mechanické třídicí systémy se někdy označují jako třídicí systémy, ale neměly by být zaměňovány s optickými třídiči, které obsahují senzory a systémy zpracování obrazu.
Praktické využití
Odpad a recyklace
Optické třídicí stroje lze použít k identifikaci a vyřazení výrobního odpadu, jako jsou kovy, sádrokarton, lepenka a různé plasty. V kovoprůmyslu se optické třídicí stroje používají k vyřazování plastů, skla, dřeva a dalších nepotřebných kovů. Plastikářský průmysl používá optické třídicí stroje nejen k vyřazování různých materiálů, jako jsou ty uvedené, ale také různých druhů plastů. Optické třídicí stroje odstraňují různé druhy plastů rozlišením typů pryskyřice. Typy pryskyřic, které mohou optické třídicí stroje identifikovat, jsou: HDPE, PVC, PLA, PE a další.
Optické třídění také pomáhá při recyklaci, protože vyřazené materiály jsou uloženy v koších. Jakmile je koš plný daného materiálu, může být odeslán do příslušného recyklačního zařízení. Schopnost optických třídicích strojů rozlišovat mezi typy pryskyřic také pomáhá v procesu recyklace plastů, protože pro každý typ plastu se používají různé metody.
Jídlo a pití
V kávovém průmyslu se optické třídicí stroje používají k identifikaci a odstraňování nerozvinutých kávových zrn zvaných kvakery; kvakery jsou fazole, které obsahují převážně sacharidy a cukry. Přesnější kalibrace nabízí nižší celkový počet vadných produktů. Některé kávové společnosti, jako je Counter Culture, používají tyto stroje navíc k již existujícím metodám třídění, aby vytvořily lépe chutnající šálek kávy. Jedním z omezení je, že někdo musí tyto stroje programovat ručně, aby identifikoval vadné produkty.
Tato věda se však neomezuje pouze na kávová zrna; potraviny jako hořčičná semena, ovoce, pšenice a konopí lze zpracovávat pomocí optických třídících strojů.
V procesu výroby vína jsou hrozny a bobule tříděny jako kávová zrna. Třídění hroznů se používá k zajištění toho, aby do procesu výroby vína nebyly zapojeny žádné nezralé / zelené části rostliny. V minulosti se k třídění vadných hroznů od těch účinnějších používalo ruční třídění pomocí třídicích stolů. Nyní mechanická sklizeň poskytuje vyšší míru účinnosti ve srovnání s manuálním tříděním. V různých bodech linky jsou materiály tříděny pomocí několika optických třídicích strojů. Každý stroj hledá různé materiály různých tvarů a velikostí.
Bobule nebo hrozny lze poté odpovídajícím způsobem roztřídit pomocí fotoaparátu, laseru nebo pomocí technologie LED s ohledem na tvar a tvar daného ovoce. Třídicí stroj poté zlikviduje všechny nepotřebné prvky.