Diplomarbeit

Entwicklung eines Sensorsystems
zur berührungslosen Erkennung
von DSD-Wertstoffen

eingereicht von: Thomas Hartmann

FBE
an der Fachhochschule Kempten / Allgäu
bei Prof. Dr. Walter Simon
betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Erhardt
Dipl.-Ing. Andreas Wolf
Dipl.-Ing. Steffen Meyer
des Fraunhofer IPA, Stuttgart

Stuttgart, 06.06.2001

Inhaltsverzeichnis
1 Abkürzungen 2
2 Abbildungsverzeichnis 3
3 Einleitung 4
4 Ist-Zustand 6

4.1 Sammelkonzepte 6
4.2 Zu untersuchende Materialien 7
4.3 Zustand der Wertstoffsortierung 8
4.4 Teilautomatische Sortieranlage des Fraunhofer IPA 9
4.4.1 System, Aufbau 9
4.4.2 Funktionsweise 9

5 Soll-Zustand 11
6 Systementwurf 13

6.1 Zusammensetzung der einzelnen Materialien 13
6.2 Sensorische Erfaßbarkeit einzelner Merkmale 13
6.3 Geeignete Sensorik 13
6.3.1 Eigenschaft "NIR-Aktivität" 14
6.3.2 Eigenschaft "Metallhaltig" 14
6.3.3 Eigenschaft "Magnetisch" 14
6.3.4 Eigenschaft "Dielektrizitätskonstante _r" 15
6.3.5 Eigenschaft "Permeabilitätskonstante _r" 16
6.3.6 Eigenschaft "Gewicht" 16
6.3.7 Geometrische Eigenschaften 16
6.3.8 Entscheidung für Passende Sensorenkombination 17
6.4 Lösungsmöglichkeiten 19
6.4.1 Lösung 1 19
6.4.2 Lösung 2 20
6.5 Entscheidung für eine Lösung 21
6.6 Realisierung 22
6.6.1 Module 22
6.6.2 Schnittstellen 23
6.6.3 Sensoren 24
6.6.4 Software zur Ablaufsteuerung 29

7 Verifizierung 36

7.1 Teilnehmer 36
7.2 Aufbau, Einschränkungen 36
7.3 Durchführung 38
7.4 Bilder 40

8 Zusammenfassung, Ausblick 42
9 Anhang A: Brainstormingliste 47
10 Anhang B: Signalübersetzer 51
11 Literaturverzeichnis 54

....

2 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Der Grüne Punkt
Abbildung 2: Prozentuale Aufteilung des Inhaltes der »Gelben Säcke«1993 lt. DSD. Die Zahlen variieren leicht, je nach Sammelort und Jahr
Abbildung 3: Zu erwartende Materialkombinationen bei bis zu 2 Materialien
Abbildung 4: Zeichen für HDPE
Abbildung 5: Pneumatischer 3-Punkt-Greifer der bestehenden Anlage
Abbildung 6: Bestehende Sortieranlage
Abbildung 7: Variationen der Dielektrizitätskonstanten für PS, PE, PVC und Zellulose (Papier, Pappe)
Abbildung 8: Lösungsmöglichkeit 1: Vernetzung über CAN-Bus
Abbildung 9: Lösungsmöglichkeit 2: Steuerung über serielle und parallele Schnittstellen
Abbildung 10: System Materialerkennung getrennt vom Zellenrechner. Der Roboter dient »nur« der Vereinzelung. In einer weiteren Variante besteht auch die Möglichkeit ein weiteres Fließband aufzustellen. Der Roboter würde dann nach ′metallhaltig′ und ′nicht metallhaltig′ vorsortieren.
Abbildung 11: Prinzipschaltung der Ausgänge der verwendeten Induktivsensoren
Abbildung 12: Beschaltung des Optokopplers zur Weiterreichung der Signale der Sensoren an die Schnittstelle des PC. Je ein Optokoppler pro Signalleitung
Abbildung 13: NIR-Spektrum von PE
Abbildung 14: NIR-Spektrum von Papier und Pappe
Abbildung 15: NIR-Spektrum von Tetra Pak. Erkennbar ist die Ähnlichkeit mit den Spektren von PE und Papier.
Abbildung 16: Prinzipskizze des Aufbaus zur Demonstration des entwickelten Systems
Abbildung 17: Der Gesamtaufbau
Abbildung 18: Das Spektrometer im Rechner
Abbildung 19: Simulation des Greifvorganges; Der Papierstreifen soll die Trennung zwischen den beiden Fließbändern darstellen
Abbildung 20: Ablegen auf dem 2. "Fließband"
Abbildung 21: Das Objekt unter dem Spektrometer
Abbildung 22: "Abwerfen"
Abbildung 23: Die orangene Tüte mit darin verstecktem Aluminium. Orange soll PP "simulieren".
Abbildung 24: Dieses Objekt wurde korrekt erkannt als Aluminium + PP
Abbildung 25: Die Halogenlampe und der orangene Lichtleiter
Abbildung 26: Ein Logfile nach 2 Durchgängen
Abbildung 27: Möglicher Aufbau einer Sortierstrecke unter Verwendung der Ergebnisse dieser Arbeit
Abbildung 28: Signalübersetzer
Abbildung 29: Simulationsergebnisse der in Abbildung 28 gezeigten Schaltung unter Verwendung von Pspice (Ver. 8.0)

3 Einleitung
Während es vor wenigen Jahrtausenden genügt hatte, seine Essensreste einfach hinter den nächsten Busch zu werfen, ist es in unserer Zeit notwendig, geeignete Abfallentsorgunskonzepte zu finden. Eine einfache Deponierung ist, langfristig gesehen, aufgrund des begrenzten Platzangebotes auf unserem Planeten und der konservierenden Eigenschaft einer Mülldeponie ungeeignet.
So, wie ein toter Baum durch Verrotten zu 100% wiederverwertet wird, müssen auch wir unseren Abfall in irgendeiner Art und Weise nutzbar machen. Hierzu gibt es mehrere Lösungskonzepte, z.B. die Verbrennung oder das Recyceln. Obwohl keines der existierenden Konzepte die ideale Lösung darstellt, kann doch durch die Wiederverwertung von einzelnen Komponenten bzw. Materialien dem Ideal einen Schritt näher gekommen werden.
In diesem Sinne entwickelt das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) Stuttgart eine robotergestützte Anlage zur vollautomatischen Sortierung von Wertstoffen. Ziel dieser Anlage ist es, Wertstoffe auf einem Fließband zu erkennen und gezielt auszusortieren. So wird es z.B. möglich sein, einzelne Kunststoffe, Aluminium und Papier sortenrein zurückzugewinnen. Der Stand der Sortierung mit bestehenden Anlagen ermöglicht lediglich das Rückgewinnen eines extrem minderwertigen Kunststoffgemisches, das sich am besten zum Verheizen eignet.
Aufgabe dieser Diplomarbeit ist es, DSD-Wertstoffe bezüglich ihrer allgemeinen sensorischen Erfaßbarkeit zu untersuchen und anschließend ein Sensorsystem zu konzipieren, welches in der Lage ist, möglichst viele DSD-Wertstoffe berührungslos zu erkennen.
Bei dieser Arbeit handelt es sich nicht um das einfache Zusammensetzen weniger einfacher Bausteine. Diese Arbeit soll ein Problem lösen, das bisher nur von wenigen angegangen wurde: das berührungslose Unterscheiden einer Menge extrem ähnlicher Materialien in allen denkbaren Formen, Farben und Reinheitsgraden - in Echtzeit.
Nicht nur einzelne, visuell leicht unterscheidbare Objektklassen wie Tetra Paks oder Getränkedosen sollen sortierbar sein, sondern auch Folien und Kunststoffkörper jeglicher Art und Materialkombination.
Obwohl es für die Sortierung durch Menschen einige wenige Materialmerkmale gibt, wird auf Wertstoffhöfen fast nur nach Aufdruck sortiert (siehe Kapitel "Zustand der Wertstoffsortierung"). Jedoch fehlt dieser Aufdruck oft. weil das Objekt nur der Teil eines größeren Objektes ist, das irgendwann zerrissen oder zerbrochen wurde; Ganz abgesehen davon, daß diese Methode der Sortierung extrem langsam ist.
Es ist daher notwendig einen Weg zu finden, diese Unterscheidung, die kein Mensch schnell und exakt genug vollbringen kann, zu automatisieren.
Während es Aufgabe dieser Arbeit ist, ein möglichst universell einsetzbares System zu konzipieren, beschäftigte sich Herr Thomas Zurl [9] mit der Frage, welche Möglichkeiten es gibt, spezielle Objektklassen zu erkennen. Dies kann dann sinnvoll sein, wenn der Betreiber einer Anlage ausschließlich z.B. Papier aussortieren möchte. Ein spezialisiertes System wird in diesem Fall oft preisgünstiger sein als ein universelles System. Da diese beiden Aufgaben am Anfang den gleichen Lösungsweg verfolgten, bot sich hier das leistungsfähige Werkzeug der Teamarbeit an, das sich als sehr effektiv erwies.

Diese Arbeit wurde in folgenden Schritten verwirklicht:

1. Ermitteln des Ist-Zustandes
- Sammelkonzepte
- Zu untersuchende Materialien
- Zustand der Wertstoffsortierung
2. Analyse der Teilautomatische Sortieranlage des Fraunhofer IPA
- System, Aufbau
- Funktionsweise
3. Formulierung des Soll-Zustandes (des zu verwirklichenden Zieles)
4. Systementwurf
- Ermittlung der Zusammensetzung der einzelnen Materialien
- Sensorische Erfaßbarkeit einzelner Merkmale
- Suche nach geeigneter Sensorik
- Ermittlung passender Lösungsmöglichkeiten
- Entscheidung für eine Lösung
5. Realisierung
- Aufteilung der Module
- Schnittstellen
- Software zur Ablaufsteuerung
6. Verifizierung
- Aufbau
- Durchführung
7. Zusammenfassung