Entwicklung eines Sensorsystems zur berührungslosen Erkennung von DSD-Wertstoffen

Inhaltsverzeichnis

1 Abkürzungen

2 Abbildungsverzeichnis

3 Einleitung

4 Ist-Zustand
4.1 Sammelkonzepte
4.2 Zu untersuchende Materialien
4.3 Zustand der Wertstoffsortierung
4.4 Teilautomatische Sortieranlage des Fraunhofer IPA
4.4.1 System, Aufbau
4.4.2 Funktionsweise

5 Soll-Zustand

6 Systementwurf
6.1 Zusammensetzung der einzelnen Materialien
6.2 Sensorische Erfaßbarkeit einzelner Merkmale
6.3 Geeignete Sensorik
6.3.1 Eigenschaft "NIR-Aktivität"
6.3.2 Eigenschaft "Metallhaltig"
6.3.3 Eigenschaft "Magnetisch"
6.3.4 Eigenschaft "Dielektrizitätskonstante er"
6.3.5 Eigenschaft "Permeabilitätskonstante mr"
6.3.6 Eigenschaft "Gewicht"
6.3.7 Geometrische Eigenschaften
6.3.8 Entscheidung für Passende Sensorenkombination
6.4 Lösungsmöglichkeiten
6.4.1 Lösung 1
6.4.2 Lösung 2
6.5 Entscheidung für eine Lösung
6.6 Realisierung
6.6.1 Module
6.6.2 Schnittstellen
6.6.3 Sensoren
6.6.4 Software zur Ablaufsteuerung

7 Verifizierung
7.1 Teilnehmer
7.2 Aufbau, Einschränkungen
7.3 Durchführung
7.4 Bilder

8 Zusammenfassung, Ausblick

9 Anhang A: Brainstormingliste

10 Anhang B: Signalübersetzer

11 Literaturverzeichnis

1 Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 28: Simulationsergebnisse der in 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

4 Ist-Zustand

4.1 Sammelkonzepte

Das Sammeln und Verwerten von Verpackungsabfällen wird in Deutschland fast ausschließlich vom Dualen System Deutschland (DSD) durchgeführt. Im Idealfall gilt dies nur für Verpackungen, die den "Grünen Punkt" tragen (Abbildung 1).

Die Verpackungsverordnung vom 12. Juni 1991 schreibt vor, daß jeder, der Verpackungen in Umlauf bringt, auch deren Entsorgung garantieren muß. Der Einfachheit halber beauftragen viele Firmen das DSD hiermit, bezahlen einen bestimmten Betrag und bringen als Erkennungszeichen auf ihrer Verpackung den Grünen Punkt an.

Doch leider landen auch Verpackungen ohne grünen Punkt und anderer

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Der Grüne Punkt

Abfall im Gelben Sack bzw. auf dem Wertstoffhof, so, daß eine Sortieranlage entweder diese Objekte aus- und/oder mitsortieren muß. Abbildung 2 zeigt die Aufteilung der wichtigsten Fraktionen. Restmüll ist hierbei mit ca. einem drittel des Gesamtgewichtes vertreten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Prozentuale Aufteilung des Inhaltes der "Gelben Säcke"1993 lt. DSD. Die Zahlen variieren leicht, je nach Sammelort und Jahr

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.2 Zu untersuchende Materialien

Aktuelle Proben aus einem Wertstoffhof der Firma Theo Kleiner aus Zweibrücken zeigten, daß in einem gelben Sack mit folgenden Materialien zu rechnen ist:

1. Glas
2. Papier / Karton
3. Kunststoffe
4. Nicht-magnetisches Metall (Aluminium)
5. Magnetisches Metall (Weißblech)
6. Verbunde, z.B. Tetra Paks (Karton + Kunststoff + z.T. Aluminium)
7. Restmüll

Bei genauerer Betrachtung stellte sich heraus, daß sich die Gruppe der Kunststoffe auf nur wenige Sorten beschränkte:

1. PE (Polyethylen)
2. PP (Polypropylen)
3. PS (Polystyrol)
4. PET (Polyethylenterephthalat)
5. PVC (Polyvinylchlorid)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Zu erwartende Materialkombinationen bei bis zu 2 Materialien

1, 3, 5, 7, und 9 sind häufig etikettierte Objekte. 12 bis 18 sind Reinstoffe. Die Kombination 0 (PET + PE) wurde beobachtet bei PET Flaschen mit PE-Schraubverschluß.

Unter den Mehrfachkombinationen (ab 3 Materialien) erscheint lediglich Tetra Pak erwähnenswert. Ihn gibt es neben der

Variante PE + Papier auch in der Variante PE + Papier + Aluminium.

Noch nicht erforderlich, aber wünschenswert ist die Möglichkeit mit dem zu entwickelnden Sensorsystem auch biologisch abbaubare Kunststoffe zu erkennen. Nach Angaben des Dualen Systems Deutschland besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß diese neue Art Kunststoffe in naher Zukunft für Verpackungen aller Art zugelassen werden. Uneinigkeit besteht noch, ob sie vom Verbraucher in die Biomülltonne oder in die gelbe Tonne eingeordnet werden sollen. Da es aber schwer sein wird diese Kunststoffe von herkömmlichen Kunststoffen zu unterscheiden, ist es am wahrscheinlichsten, daß sie bei den anderen Kunststoffen landen werden um herkömmliche Kunststoffe in der Biomülltonne zu vermeiden.

4.3 Zustand der Wertstoffsortierung

Die Sortierung beginnt bereits beim Verbraucher. Er teilt seinen Abfall in v.a. folgende Klassen auf:

1. Glas
2. Papier / Pappe
3. Andere Verpackungen (Kunststoffe, Weißblech, Aluminium, Verbunde, ...)
4. Restmüll

In eigens hierfür errichteten Sortieranlagen werden Verpackungen mit dem Grünen Punkt nach folgenden Klassen sortiert [12]:

Glas

Papier / Karton

Kunststoffhohlkörper

Folien

Tetra Paks mit und ohne Aluminium

Verbunde

Nicht magnetisches Metall (Aluminium)

Magnetisches Metall (Weißblech)

Restmüll

Häufig findet diese Sortierung noch von Hand statt. Dies ist nicht nur kostspielig, sondern aufgrund der im Abfall enthaltenen Mikroorganismen auch extrem gesundheitsschädlich.

Die Handsortierung der Kunststoffe führt auch dazu, daß zwischen den einzelnen Kunststoffsorten nicht oder nur sehr schlecht differenziert werden kann. Es gibt keine direkten Merkmale, an welchen man erkennen könnte, um welche Art Kunststoff es sich handelt. Daher wird nach Kriterien wie "Hohlkörper <-> kein Hohlkörper” oder ”groß + leicht <-> klein + schwer” sortiert und gehofft, daß man von diesen Kriterien auf die Art des Materials schließen kann.

Auf vielen Verpackungen ist ein entsprechender Aufdruck (Beispiel siehe Abbildung

4) vorhanden. Würde jedoch das Sortierpersonal bei jedem Objekt nach diesem Aufdruck suchen müssen, der sowieso nicht überall vorhanden ist, würde die Sortierleistung drastisch sinken; die Kosten würden entsprechend steigen.

Letztendlich entstehen keine Reinkunststoffe, sondern Mischkunststoffe, die nicht nur für viele Anwendungen qualitativ ungeeignet, sondern für den Lebensmittelmarkt auch gar nicht mehr zugelassen sind.

Um die minderwertige, kaum brauchbare Mischkunststofffraktion aufzuwerten, versucht man, die einzelnen Kunststoffe im Nachhinein zu trennen. Die zur Zeit erfolgreichsten Verfahren trennen die zerkleinerten Kunststoffe nach Dichte; PVC kann auch über ein elektrisches Feld ”herausgezogen” werden. Zwar können mit diesen Methoden wegen der Überlagerung der Dichten nicht alle Kunststoffe sicher getrennt werden, es sind jedoch die zur Zeit erfolgreichsten [12].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Zeichen für HDPE

Ein anderes Verfahren trennt die Schnipsel nach Erkennung mit einem NIR-Spektrometer durch ausblasen. Dieses

Verfahren wurde auch schon in der Trennung farbiger Glasscherben getestet. Hierfür wurde das NIR-Spektrometer durch ein Farbspektrometer ersetzt [18].

4.4 Teilautomatische Sortieranlage des Fraunhofer IPA

Das zu entwickelnde Sensorsystem soll in die bestehende Sortierstrecke integrierbar sein.

4.4.1 System, Aufbau

Das bestehende System besteht aus einem einarmigen Turbo-Scara-Roboter mit dreifingerigem Sauggreifer, einem Zellenrechner und einem Fließband mit Rücklaufband (Abbildung 6).

Die Position der zu sortierenden Objekte kann dem Zellenrechner manuell durch antippen eines Touchscreens mitgeteilt oder automatisch über eine 3D- Objekterkennung ermittelt werden.

Ein Induktivsensor erlaubt das automatische Sortieren nach "metallhaltig" und "nicht metallhaltig". Der Induktivsensor ist als Provisorium direkt an die Robotersteuerung angeschlossen und ist dem Zellenrechner nicht bekannt.

Der Zellenrechner läuft unter dem Echtzeitbetriebsystem VxWorks der Fa. Windriver Systems GmbH.

Abbildung 5: Pneumatischer 3-Punkt- Greifer der bestehenden Anlage

4.4.2 Funktionsweise

Ein Benutzer gibt, z.B. durch antippen einer entsprechenden Stelle auf dem Touchscreen, dem Zellenrechner die aktuelle Position eines Objektes auf dem Fließband. Der Zellenrechner errechnet, wann der Roboter das Objekt greifen soll und erteilt zum richtigen Zeitpunkt den Greifbefehl. Der Roboter greift sich das Objekt und wirft es in einen Abwurfschacht..

[...]