SISTEMA AUTOMÁTICO DE DETECCIÓN DE DEFECTOS DE CIERRE EN ENVASES PARA PRODUCTOS ALIMENTICIOS

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1 STEMA AUTOMÁTICO DE DETECCIÓN DE DEFECTOS DE CIERRE EN ENVASES PARA PRODUCTOS ALIMENTICIOS Antonio José Calderón Godoy Universidad de Extremadura, Javier Gallardo Lozano Universidad de Extremadura, Resumen En este trabajo se aborda el diseño y desarrollo de un sistema automático de detección de defectos en tiempo real en el sellado de alimentos envasados, herméticamente cerrados. Este sistema se basa en la obtención del perfil de la tapa del envase como mecanismo de discriminación entre envases aceptables o defectuosos. Palabras Clave: Detección de fallos, termosellado. 1 INTRODUCCIÓN El sellado de los alimentos envasados y termosellados, herméticamente cerrados, debe realizarse correctamente para garantizar que el alimento podrá mantener sus características inalteradas durante un periodo de tiempo prolongado. Existen una serie de factores que influyen en el proceso de termosellado y que han de tenerse en cuenta a fin de conseguir un sellado hermético. Estos factores pueden agruparse en dos categorías: - Características de los materiales (composición y diseño) - Tecnología aplicada (equipo y condiciones) Dentro de estas categorías, los parámetros más importantes a considerar serán: porosidad del material, superficies de contacto, adhesión, solapado, etc. y las condiciones de presión y temperatura que definirán la continuidad del cierre. Actualmente los procesos más importantes empleados para la verificación del sellado de alimentos envasados y termosellados, herméticamente cerrados, son la inspección visual y la detección de microfugas. La inspección visual es un proceso no destructivo realizado a través de planes de muestreo, basados en procedimientos estadísticos, diferentes según la índole de la inspección que se desea realizar. Consiste en realizar una comprobación del cierre de determinado número de envases tomados al final de la cadena. Sin embargo, no son examinados el 100% de ellos y por tanto hay riesgo de dar por válidos envases que no estén herméticamente cerrados y que, por tanto, sean no aceptables pero no detectados. Este método por sí solo no proporciona un alto nivel de seguridad para detectar envases defectuosos. Sólo proporcionará una idea de la aceptabilidad e inocuidad de los envases sospechosos examinados y permitirá prever la contaminación posterior. Como ventaja podemos decir que permite examinar un gran número de envases y el coste es mínimo, pero existen limitaciones en cuanto a los recursos y representatividad de la muestra; no siendo todos los defectos y/o fugas detectables. Por lo tanto, este método debe ir acompañado de otras pruebas discriminatorias como: controles de hermeticidad, fuerza y continuidad del cierre. Por otra parte podemos citar determinados métodos de detección de fugas (ensayo de aire a presión, del Helio, del Sulfuro de Hidrógeno, etc.) empleados en combinación con los ensayos microbiológicos, para corroborar los resultados obtenidos en el laboratorio. También tienen sus ventajas (rapidez, magnitud de la fuga, proporcionan dato permanente) y desventajas (no indican el punto de fuga, difícil selección del ensayo más adecuado, etc.) Por lo tanto, los sistemas existentes actualmente para la detección de defectos de sellado de la tapa (colocada en el proceso de cierre de tarrinas) adolecen de una serie de limitaciones que los hacen inapropiados para su aplicación directa en el proceso productivo. Entre estas limitaciones se pueden destacar el elevado precio de estos sistemas, que lo hacen inaplicable en productos de bajo valor comercial unitario, y su elevada cadencia, lo que impide que se pueda verificar en tiempo real el total de la producción. La solución adoptada para paliar este último inconveniente es realizar un muestreo de los

2 envases cerrados, lo que no garantiza una fiabilidad del 100% en el producto de salida [1-6]. Por otra parte, la etapa de cierre de envases es la última antes del embalaje y paletizado de los mismos para su expedición. Por ello, un defecto en el sellado (cierre) no será detectado hasta que el producto no llegue al punto de venta o, incluso, al consumidor. El resto del artículo está estructurado como sigue. En la sección 2 se describe el sistema desarrollado para la detección de fallos. En la sección 3 se expone el funcionamiento del sistema descrito En la sección 4 se muestran los resultados obtenidos con el prototipo desarrollado. Finalmente, en la sección 5 se presentan las conclusiones obtenidas con la implantación del prototipo en una cadena de producción real, así como futuros trabajos para optimizar el sistema de detección. 2 DESCRIPCIÓN DEL STEMA En este trabajo se expone un sistema para la detección en tiempo real de defectos en el sellado (cierre) de las tapas de envases (tarrinas de compota). En la figura 1 aparece una imagen del tipo de envase a inspeccionar. En ella se puede apreciar la morfología de la tarrina, siendo las medidas a tener en cuenta para el diseño del sistema de detección de fallos las siguientes: altura = 26 mm, diámetro = 90 mm. Se ha construido una plataforma experimental donde ensayar la estrategia propuesta. Esta plataforma debe, a su vez, servir como prototipo del sistema a instalar al final de las cadenas de producción que incluyan líneas de sellado de productos envasados, herméticamente cerrados. Además, en los que se deba garantizar la inspección sobre toda la producción. Estos condicionantes obligan a que el sistema desarrollado tenga la capacidad de funcionar en ambiente industrial y trabaje en tiempo real, no suponiendo una merma en la capacidad productiva de la línea de producción en la que se instale. Este sistema estará formado por un alimentador de tarrinas procedentes de la máquina de termosellado, una estación para la detección de envases con defectos de sellado y un sistema de identificación y expulsión de tarrina defectuosa. Todas estas estaciones estarán conectadas mediante una cinta trasportadora (conveyor) por la que discurrirán las tarrinas (envases). El conjunto resultante puede apreciarse en la representación esquemática que aparece en la figura 2. Cada una de las estaciones estará constituida por una estructura construida en perfilaría de aluminio, sobre la cual se sitúan los componentes encargados de realizar el proceso correspondiente, incluyendo las electroválvulas de control cuando se trate de componentes neumáticos. Figura 1: Tarrina de compota a inspeccionar Ante la falta de métodos en continuo, no excesivamente caros y suficientemente eficaces, se considera justificada la necesidad de buscar un método de detección de fugas y verificación del sellado, para instalar al final de las líneas de producción, de aplicabilidad a este tipo de alimentos envasados, siendo examinada la totalidad de la producción antes de ser introducida en el embalaje. Con este proyecto se trata de desarrollar estrategias de detección, inspección y control automático de fallos de sellado, con una garantía de ausencia de éstos sobre el 100% de la producción. Figura 2: Representación esquemática del sistema completo 2.1 ESTACIÓN DE DETECIÓN DE DEFECTOS A todos los efectos, la estación más importante del sistema de detección desarrollado es la estación de detección de fallos. Para la detección de fallos o

3 defectos en el sellado se han de utilizar métodos que no afecten (alteren) el contenido de las tarrinas, a la vez que garanticen una frecuencia de procesado de tarrinas suficiente para la inspección de todas y cada una de ellas. El sistema de detección se basa en el proceso productivo efectuado. Actualmente, en este procedimiento, el llenado de las tarrinas se efectúa con el producto en caliente y realizando un enfriamiento posterior. De esta forma se consiguen preservar las condiciones de asepsia de la tarrina a la vez que alargar su fecha de caducidad. Como consecuencia de enfriar la tarrina, se produce una leve depresión en el interior del envase que provoca una ligera concavidad en la tapa. La propuesta para atacar el problema a resolver consiste en la medida de la CONCAVIDAD producida como factor excluyente de envases correctos y defectuosos. El sistema de detección se instalará después del túnel de enfriamiento: lugar donde se hace más patente la diferencia entre envases buenos o defectuosos. La figura 3 muestra la salida de tarrinas del túnel de enfriamiento. Figura 3: Salida del túnel de enfriamiento. Basándonos en el planteamiento anterior, la solución adoptada consistió en la medida de la CONCAVIDAD producida a lo largo de un diámetro de la tarrina como se refleja en la figura 4. Figura 4. Representación del método de inspección de la tarrina Para este fin se ha utilizado un medidor láser de reflexión (concretamente el sensor Z4W-A2 de OMRON). En la plataforma experimental este sensor se montó sobre un soporte con regulación de altura con objeto de aprovechar al máximo el rango lineal de medida del mismo. En la figura 5 puede apreciarse el detalle del montaje del sensor y del paso de tarrinas a inspeccionar. Figura 5. Montaje del sensor de reflexión sobre el transfer de inspección Para desplazar los envases bajo el sensor láser se dispone de una cinta transportadora (módulo transfer) accionada mediante un servomotor de CC, cuya velocidad podemos ajustar con un variador de velocidad. El resto de componentes asociados al módulo de inspección es: Encoder incremental para medir la velocidad de desplazamiento de la cinta transportadora. Este elemento proporciona un tren de pulsos cuya frecuencia es función de la velocidad de desplazamiento; sin embargo, el número de pulsos correspondiente al paso del envase bajo el sensor láser será constante e independiente de la velocidad de giro del motor de arrastre. Detector de presencia SOEG RTD de FESTO. Éste es un sensor láser de reflexión utilizado para medir distancias, pero que se utilizará en este caso para detectar la presencia de envase bajo el sensor láser Z4W-A2. Barrera de luz para la detección de paso de envase por el elemento de desvío. Elemento de desvío, que se activará cuando el envase que pase ante él deba ser retirado de la cinta transportadora. El aspecto de la estación de detección con todos estos elementos aparece representado en la figura 6. El control de la estación se se lleva a cabo mediante el autómata programable s7_224 de Siemens, al que se ha dotado del módulo de 4 entradas y una salida analógicas EM235. Este módulo de entradas/salidas analógicas tiene una resolución de 12 bits cuando está configurado para trabajar con señales unipolares, como es nuestro caso. Esta resolución es suficiente

4 para la aplicación y permite aprovechar las características de definición del sensor de reflexión láser. esto proporciona una tasa de 15 a envases por minuto. Así se obtiene un tiempo límite para realizar todas las operaciones de: 60 Tiempo máximo de operación = = 3 seg. En estos trabajos preliminares, los métodos desarrollados presentaban una limitación fundamental al llevarlo al sistema real. Esta limitación consistía en que, para la velocidad de la cinta trasportadora adaptada a la cadencia de producción requerida, el PLC utilizado no tenía capacidad para procesar en tiempo real todas las lecturas tomadas, ya que se había de realizar un procesamiento completo de la información con cada pulso que proporcionaba el encoder. Figura 6: Estación de detección de defectos de termosellado El sistema se completará con una estación de alimentación de los envases procedentes de la máquina de termosellado, una estación para la inspección de envases con detección de defectos de sellado (la descrita) y una estación de almacenaje de envases inspeccionados, que hará las veces de almacén de la fase de expedición. Todas estas estaciones estarán conectadas mediante un sistema de transporte. Este sistema de transporte está compuesto por un transfer acoplado a cada estación de forma que se permita la configuración de varios Lay-out, con la posibilidad de ampliar el sistema para incrementar las capacidades del mismo. Por ello, se utilizaron contadores rápidos para garantizar que la totalidad de los pulsos que proporcionaba el encoder por el paso de un envase eran detectados y contabilizados. De esta forma se consiguen reducir tiempos de reacción del autómata y adaptar éste a la frecuencia de operación del sistema de detección. El diagrama de flujo seguido para abordar esta propuesta de programación para el programa principal del PLC se muestra en la figura 7. TARRINA EN SENSOR OMRON? LLAMADA A SBR0 TARRINA EN EXPULSOR? 3 IMPLEMENTACIÓN PRÁCTICA DE LA AUTOMATIZACIÓN DE LA ESTACIÓN DE DETECCIÓN DE FALLOS LLAMADA A SBR1 PULSO=PULSO REFERENCIA? SACAR VALOR DE TABLA VALOR TABLA=1? Antes de llegar a la propuesta de implementación que se expone en este trabajo, se realizaron algunas aproximaciones para alcanzar los objetivos propuestos. Entre estos objetivos figura que el sistema de detección ha de ser capaz de inspeccionar toda la producción en tiempo real. Esto es, se ha de asegurar una producción libre de defectos de termosellado. Para determinar si el autómata programable utilizado tenía capacidad de procesamiento suficiente para abordar la tarea de automatización encomendada, se ha de calcular la frecuencia de operación del sistema y contrastarla con los tiempos de respuesta del autómata. Para obtener el límite superior de este tiempo se ha de considerar la cadencia de salida de envases del túnel de enfriamiento. Como la cadencia de salida está comprendida entre 900 y 1.0 envases por hora, ALMACENA REFERENCIA PULSO EN RANGO Y SE PRODUJO LECTURA? PULSO=MAX PULSO? LLAMADA A SBR2 LLAMADA A SBR3 TARRINA RECHAZADA? ACTIVAR EXPULSOR TARRINA FUERA DE LA CINTA? Figura 7: Diagrama de flujo para el programa principal del PLC.

5 En la figura 8 se representan los diagramas de flujo correspondientes a las subrutinas y rutina de interrupción. SUBRUTINA SBR0 INICIALIZA TABLA Y MARCAS Y CONFIGURA E INICIALIZA CONTADOR RÁPIDO SUBRUTINA SBR3 LLEVA 0 A LA TABLA. RESETEA MARCAS PARA DEJAR DE COMPARAR ALTURAS 4 RESULTADOS OBTENIDOS Para comprobar el perfil de la tapa obtenido, se llevan las lecturas a una hoja de cálculo, donde se procesan y se representan los datos tomados. La forma obtenida para una tarrina aceptable aparece en la figura 9, mientras que en la figura 10 se representa el perfil de una tarrina que será rechazada. El eje de ordenadas de estas figuras corresponde a la altura de la tarrina en mm., mientras que en el eje de abcisas aparecen el número de muestras tomadas (1 cada 5 pulsos del encoder incremental) SUBRUTINA SBR1 RUTINA DE INTERRUPCIÓN INT_HSC INICIALIZA VARIABLES DE ALTURA Y CONTADOR. RESETEA MARCAS DIRECCIONA PUNTERO. INICIALIZA VALOR ACTUAL CONTADOR RÁPIDO INICIALIZA VALOR ACTUAL DE HSC0 HAY QUE LEER ALTURA? SUBRUTINA SBR2 LEE Y ALMACENA ALT URA. INCREMENT A CONTADOR. SETEA M0.3 Figura 9: Representación del perfil de la tapa de una tarrina considerada aceptable. ALTURA<REFERENCIA? LLEVA 1 A LA TABLA. RESETEA MARCAS PARA DEJAR DE COMPARAR ALTURAS LA TARRINA SE ESTÁ EXPULSANDO? INCREMENT A CONT ADORPARA EXPULSAR Figura 10: Representación del perfil de la tapa de una tarrina considerada defectuosa. Figura 8: Diagramas de flujo de subrutinas y rutina de interrupción del PLC. El funcionamiento del programa es como sigue. Cuando el sensor SOEG RTD detecta la presencia de un envase en el campo de medida del sensor de reflexión láser Z4W-A2 comienza la lectura de muestras para poder construir el perfil de la tapa y poder discriminar entre envases aceptables o con defectos de sellado. Una vez se ha determinado si el envase es aceptable o no, cesa la lectura de valores y se rellena la posición correspondiente en una tabla FIFO con un 0 si el envase es aceptable o con un 1 si el envase es rechazable. En el caso de que la tarrina no sea aceptable, al llegar al llegar al expulsor será retinada de la cinta transportadora. Para establecer el perfil ideal que se tomaría como referencia se han testado envases sin defectos, para ajustar el funcionamiento de la estación cuando el termosellado no presenta fisuras y se ha obtenido un perfil cóncavo de referencia ideal promediado de las medidas realizadas. En la figura 11 aparece la representación de este perfil de referencia ideal (en color negro) y los perfiles correspondientes a una tarrina considera válida (línea de color rosa) y una que se considera defectuosa (perfil de color amarillo). Hay que destacar que se puede modificar la banda de tolerancia de discriminación de envases válidos o defectuosos, con objeto de adecuar la tolerancia del sistema de detección a la situación real.

6 Figura 11: Representación del perfil de referencia ideal considerado y comparativa con perfiles de tarrinas válida y defectuosa. 5 CONCLUONES Y TRABAJOS FUTUROS En este trabajo se ha presentado una propuesta basada en la depresión producida en el interior de los envases con llenado de producto en caliente y posteriormente se hacen pasar por un túnel de enfriamiento para la detección automática de fallos del termosellado de los mismos. Se han descrito los componentes hardware del sistema, así como el principio de funcionamiento del prototipo desarrollado y los diagramas de flujo utilizados para automatizar el proceso de detección de envases con defectos. El prototipo descrito se encuentra actualmente en fase de desarrollo. La estación de detección de fallos se ha probado experimentalmente en laboratorio y en una planta de envasado, obteniendo resultados totalmente satisfactorios. Después de realizar los ajustes correspondientes de la banda de tolerancia para la discriminación de envases, el sistema tuvo una efectividad del 100% sobre el total de los envases testados con este prototipo. La figura 12 muestra una imagen de la prueba del prototipo descrito en una planta de envasado. La tasa de defectos observada en la planta actual, con detección por mera inspección visual de operarios al final de la cadena de producción está en torno al 3%, por lo tanto se justifica la instalación de este sistema de detección de fallos, antes de la expedición del producto terminado para consumo. A partir de la experiencia adquirida durante la realización del proyecto, se han detectado posibles causas de la aparición de defectos de termosellado. Detectando estas causas al comienzo de la cadena de envasado, se optimizaría del proceso de llenado y cierre de tarrinas, evitando los costes de tiempo y producción asociados a las tarrinas rechazadas. No hay que olvidar que el sistema descrito se instala al final de la cadena de envasado, justo antes del embalaje y expedición de tarrinas, con lo que el material rechazado supone una merma en la producción total de la cadena apreciable. Agradecimientos Este trabajo está financiado por el proyecto de desarrollo tecnológico PDT05A49 de la Junta de Extremadura. Referencias [1] AER-.CERNA (1982) [2] Buckle (1985) [3] Código internacional recomendado de prácticas de higiene para alimentos poco ácidos y alimentos acidificados envasados. CAC/RCP , Rev.2 [4] Directrices sobre procedimientos básicos para la inspección visual de lotes de alimentos envasados. CAC/ GL [5] U.S.F.D.A (1984) [6] Figura 10: Fotografía tomada durante la prueba del prototipo en el sistema de producción real.