Im Rahmen dieses Projekts wurde ein innovatives Verfahren zur Verbesserung der Sortierqualität von optischen Bandsortieranlagen auf einer im Rahmen dieses Projekts erstellen Experimentalplattform umgesetzt. Das entwickelte Verfahren erlaubt es, statt einer einzelnen Beobachtung eines jeden Teilchens eine Reihe von Beobachtungen zu nutzen, um den Bewegungsverlauf der Teilchen vorherzusagen und somit eine zuverlässigere Separation ermöglichen zu können. Die Experimentalplattform und die Algorithmen konnten durch DEM-Simulationen verbessert werden. Eine Steigerung der Sortiergüte konnte sowohl in Simulationen als auch realen Experimenten nachgewiesen und quantifiziert werden. Über das ursprüngliche Projektziel hinaus wurden auf Wunsch des projektbegleitenden Ausschusses die Verfahren auch auf Rutschensortierer angewandt.
Über den Projektzeitraum hinweg wurden zahlreiche Publikationen zur optischen Schüttgutsortierung bei Journals und Konferenz mit Peer-Review-Prozess veröffentlicht. Hierzu zählen unter anderem Veröffentlichungen in renommierten Journals wie Powder Technology (Elsevier) und Journal of Real-Time Image Processing (Springer). Zum Zeitpunkt der Verfassung dieses Abschlussberichts wurden 13 wissenschaftliche Artikel, darunter 8 Konferenzbeiträge sowie 5 Journalartikel, publiziert. Darüber hinaus wurde über 2 Bachelor- und 6 Masterarbeiten sowie 5 Praktika der studentische Nachwuchs für das Thema sensibilisiert und im Rahmen der entsprechenden Tätigkeiten ausgebildet. Die im Rahmen des Projekts entwickelte Experimentalplattform wurde zudem auf zwei Messen bzw. Konferenzen (Control 2018 und 2016 IEEE International Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems) dem interessierten Fachpublikum vorgeführt.
Um die Projektziele zu erreichen, waren eine Vielzahl von auf das Projekt zurechtgeschnittenen oder über den damaligen Stand der Technik hinausgehenden wissenschaftlichen Arbeiten notwendig. Zunächst musste ein tiefergehendes Verständnis für den Sortierer und Schüttgüter aufgebaut werden. Hierfür wurden Schüttgüter untersucht, die sowohl repräsentativ als auch für Bandsortieranlagen relevant sind. Diese wurden für die Simulation mit Kugelclustern und Polyeder approximiert. Relevante Parameter wie Reibwerte und Schüttwinkel wurden experimentell bestimmt. Zur Auslegung des Experimentalsystems musste das Zusammenspiel der Komponenten untersucht und umzusetzende Konfiguration festgelegt werden. Zentral ist die Integration einer Flächenkamera in das Sortiererdesign, um mehrere Beobachtung eines jeden Teilchens zu erlauben. Im Bereich der Algorithmik zum Verfolgen (Tracken) der Teilchen war es notwendig, anhand erster Aufnahmen mit einer Flächenkamera die Eigenschaften und Herausforderungen des Trackingszenarios zu bestimmen.
Das Experimentalsystem wurde eng verzahnt mit der Simulation entworfen. Abweichungen von zu erwarteten Eigenschaften halfen dabei, Verbesserungen am Sortiererdesign vorzunehmen, die auch bei industriellen Anlagen umgesetzt werden können. Besonderes Augenmerk wurde auf die Separationseinheit gelegt. Da Druckluftstöße verwendet werden, um die Flugbahn ausgewählter Teilchen zu ändern, wurden die durch die Druckluftdüsen emittierten Luftstöße eingehend untersucht. Hierdurch konnten Einsichten zur Auslegung, Aktivierung und akkuraten Simulation der Düsen erlangt werden. Durch Einsatz von mit Sensorik ausgestatteten Schüttgutteilchen konnten auch Untersuchungen unterschiedlicher Komponenten in einem größeren Sortierer durchgeführt werden.
Basierend auf den Aufnahmen des Teilchentransports in einem industriellen Sortierer und in der Experimentalplattform konnten die notwendigen Algorithmen für das Tracking der Teilchen entwickelt werden. Aus der Literatur bekannte Verfahren zur simultanen Verfolgung mehrerer Teilchen wurden dabei an die Problemstellung angepasst, wobei stets die Echtzeitfähigkeit sichergestellt wurde. Insbesondere mussten beispielsweise Kollisionen der Teilchen und Verschmutzungen des Bandes berücksichtigt werden. Basierend auf den DEM-Simulationen konnten gängige Modelle für die Bewegung von Objekten untersucht und neue Modelle abgeleitet werden. Durch die Simulation konnte untersucht werden, wie groß der Einfluss der Modelle und wie groß der Einfluss der Bildakquise und -verarbeitung ist. Des Weiteren wurde gezeigt, dass zusätzliche, für die Klassifikation der Teilchen hilfreiche Informationen über die Schüttgutpartikel aus dem beobachteten Bewegungsverhalten abgeleitet werden können.
Evaluationen wurden sowohl am Experimentalsystem als auch in der Simulation durchgeführt. Für die Evaluation am Experimentalsystem wurde die Software, die auch für industrielle Anwendungen genutzt wird, um das Tracking erweitert. Durch Ansteuerung der Düsen basierend auf den Vorhersagen des Trackings konnte die tatsächliche Sortierqualität beurteilt werden. Das eingesetzte Experimentalsystem hat bereits eine Größe, die für manche Anwender relevant ist. Des Weiteren ist von einer Übertragbarkeit auf größere Sortierer auszugehen. Zum anderen wurde für Evaluationen eine Simulation des Sortierbetriebs erstellt. Dies beinhaltet die Simulation des Teilchentransports, die Anwendung des Trackings und die Ansteuerung der Düsen sowie die Simulation des Druckluftstoßes und dessen Auswirkungen auf die Partikelbewegung.
Sowohl in den Realexperimenten als auch in den Simulationen zeigten sich bei Schüttgütern, die nicht einfach zu sortieren sind, deutliche Verbesserungen durch die Anwendung des Trackings. Schüttgutpartikel können mit kürzeren Aktivierungsdauern und kürzeren Bändern zuverlässig sortiert werden, wodurch geringere Kosten erzielt werden können. Durch kürzere Düsenaktivierungsdauern kann außerdem die Anzahl an unbeabsichtigt ausgeschleusten Partikeln reduziert werden. Insgesamt kann durch den umgesetzten Ansatz eine höhere Sortiergüte erreicht werden oder eine gleichbleibende Sortiergüte bei deutlich verringerten laufenden Kosten erzielt werden.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 09/2015 bis 02/2018 an der Ruhr-Universität Bochum, Institut für Energietechnik, Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik (Universitätsstraße 150, 44801 Bochum, Tel. 0234/ 32-26328) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Viktor Scherer (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. Viktor Scherer), dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Anthropomatik und Robotik, Lehrstuhl für Intelligente Sensor-Aktor-Systeme (Adenauerring 2, 76131 Karlsruhe, Tel. 0721/ 608-43909) unter der Leitung von Dr.-Ing. Benjamin Noack (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. Uwe D. Hanebeck) sowie der Fraunhofer-Gesellschaft e.V., Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) (Fraunhoferstraße 1, 76131 Karlsruhe, Tel. 0721/ 6091-556) unter der Leitung von Dr.-Ing. Robin Gruna (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer.
Das IGF-Vorhaben Nr. 18798 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.