RAPORT z realizacji projektu Opracowanie i rozwój systemu transportu fluidalnego w obróbce horyzontalnej elementów do układów fotogalwanicznych w zakresie zadań Projekt modelu systemu Projekt automatyki i sterowania Wykonanie modelu- prototypu urządzenia Gryfów Śląski 2012-2014 1
Spis treści: 1. Opis i zakres prac... 3 Zadanie 3. Projekt modelu systemu... 3 Zadanie 4. Projekt automatyki i sterowania... 3 Zadanie 5. Wykonanie modelu- prototypu urządzenia... 4 2. Wybór wariantu... 6 3. Projekt modelu systemu... 7 4. Projekt automatyki i sterowania... 9 5. Wykonanie modelu- prototypu urządzenia... 13 6. Przebieg testów... 15 7. Wnioski i podsumowanie... 20 2
1. Opis i zakres prac Zadanie 3. Projekt modelu systemu W ramach zadania przeprowadzono następujące czynności: Koncepcja linii produkcyjnej/urządzenia do produkcji elementów ogniw fotowoltaicznych (analiza porównawcza) Analiza konstrukcyjna i funkcjonalna urządzenia pod kątem technologii wytwarzania Projekt modelu urządzenia: a/ koncepcja konstrukcji mechanicznej; b/ koncepcja oprogramowania systemowego; c/ koncepcja współdziałania urządzenia z elementami zewnętrznymi; d/ koncepcja pracy operacyjnej użytkownika urządzenia; e/ optymalizacja urządzenia pod względem funkcjonalnym i operacyjnym; f/ analiza ergonomiczna pracy systemu; Badania niezawodności komponentów i podzespołów urządzenia z wykorzystaniem metod MES i CFD. Optymalizacja konstrukcji na podstawie uzyskanych wyników Przeprowadzenie badań symulacyjnych (w tym symulacji komputerowych) Opracowanie modeli symulacyjnych CAD 3D elementów składowych urządzenia i analiza funkcjonalna systemu z wykorzystaniem metod wizualizacji w rzeczywistości wirtualnej VR potencjalnych użytkowników Zadanie miało na celu stworzenie projektu fluidalnego systemu transportowego, co jest integralna częścią całego Projektu. Zbadane zostały koncepcje i zanalizowane pod względem funkcjonalności, a także dobrana została metodologia budowy projektu i samo jego wykonanie. Opracowanie modelu prototypu nastąpiło w oparciu o wcześniej dostarczone wyniki badań nad koncepcjami systemu przez Politechnikę Wrocławską. Po dopracowaniu modelu, wnioskodawca zlecił Politechnice Wrocławskiej kolejne badania symulacje komputerowe, oraz opracowanie modeli trójwymiarowych. Prace te wymagały nadzoru przez Koordynatora Projektu Badawczego, kierownika Biura Projektów ( w zakresie merytorycznym) oraz nadal udziału zespołu projektowo-konstrukcyjnego, a także zaangażowania kontrolera jakości. Wynikiem tych prac był: Raport z realizacji umowy szczegółowej o wykonanie prac badawczo rozwojowych pomiędzy Politechniką Wrocławską, a firmą Matusewicz Budowa Maszyn Spółka Jawna Zadanie 4. Projekt automatyki i sterowania Urządzenia do horyzontalnej obróbki chemicznej wymagają zastosowania nowoczesnych urządzeń automatyki i systemów komputerowych do nadzorowania procesu produkcyjnego. Dlatego opracowanie niezawodnego i optymalnego systemu sterowania i nadzorowania linii produkcyjnej wymagało wykonania: 3
analizy funkcjonalnej linii produkcyjnej, analizy ryzyka związanego z bezpieczeństwem funkcjonalnym linii, projektu systemu automatyki w tym systemu bezpieczeństwa funkcjonalnego, oprogramowania systemu sterowania, wykonania szeregu testów i prób funkcjonalnych, optymalizację projektu systemu sterowania ze względu na bezpieczeństwo, niezawodność, efektywność oraz funkcjonalność systemu. Opracowane zostały następujące modułów systemu nadzorowania: 1. interfejsy użytkownika (maski poszczególnych ekranów, wizualizacja procesu), 2. parametryzacja linii produkcyjnej programowanie parametrów, nastaw dla poszczególnych technologii, 3. komunikacja z urządzeniami peryferyjnymi w oparciu o nowoczesne technologie takie jak OPC, Profinet itp., 4. moduł optymalizacji ze względu na efektywność i technologię - wymaga opracowania szeregu algorytmów optymalizacyjnych, 5. moduł archiwizacji danych bieżących w bankach danych, 6. moduł raportowania danych bieżących i archiwalnych. 7. Zostały użyte aktualnie dostępne nowoczesne technologie takie jak: sterowniki o architekturze rozproszonej wraz siecią czasu rzeczywistego, komputerów sterowania nadrzędnego wraz z otwartym systemem komunikacji OPC. Zastosowanie w/w technologii wymagało wykonania szeregu badań ze względu na funkcje, sprawność oraz niezawodność. W wyniku realizacji tego zadania wytworzone zostało specjalistyczne sterowanie do nowopowstałej linii technologicznej w postaci systemu transportu fluidalnego. Ponieważ system ten charakteryzuje się niesłychaną precyzyjnością konieczne było zastosowanie automatyki w sterowaniu. Zadanie 5. Wykonanie modelu- prototypu urządzenia W ramach zadania przeprowadzone zostały następujące czynności: Wykonanie badań funkcjonalnych prototypu na stanowiskach pomiarowych Weryfikacja konstrukcji prototypu - sprawdzenie funkcjonalności opracowanych części w rzeczywistych warunkach pracy, analiza wyników, wprowadzenie poprawek technologicznych i konstrukcyjnych, opracowanie zoptymalizowanych elementów Wprowadzenie poprawek i badania w warunkach rzeczywistych Wykonanie podzespołów urządzenia, badania wytrzymałościowe i funkcjonalne - sprawdzenie funkcjonalności podzespołów urządzenia - wprowadzenie poprawek konstrukcyjnych i technologicznych na podstawie wyników wykonanie zoptymalizowanych elementów - dostosowanie uzyskanych części do rzeczywistych warunków pracy 4
Zadanie to miało na celu stworzenie prototypu systemu transportu fluidalnego w oparciu o zweryfikowane koncepcje i zaprojektowany oraz udoskonalony model. 5
2. Wybór wariantu W wyniku prac i analizy wyników przeprowadzonych wcześniej w zakresie: - badań metod kontroli i sterowania fluidem w systemie transportowym, - badań możliwości i zakresu stosowalności opracowanych wariantów systemu transportowego, - badania niezawodności systemu transportowego, - identyfikacja zagrożeń powstających podczas wykorzystywania transportu fluidalnego, - opracowanie metodyki projektowania procesu technologicznego wytwarzania płytek dla urządzeń z transportem fluidalnym. projektu Opracowanie i rozwój systemu transportu fluidalnego w obróbce horyzontalnej elementów do układów fotogalwanicznych zrealizowanych w ramach zadania nr 1 ustalono, że do dalszych prac rozpatrywany będzie wariant: 1. Transport na rolkach czynnych z dociskiem ciśnieniem cieczy (horyzontalny). - Jako najbardziej uniwersalny do wdrożenia. Do budowy prototypu, jako element obrabiany przyjęto ogniwo fotowoltaiczne. Rys. 1. Transport na rolkach napędzanych docisk ciśnieniem cieczy 6
3. Projekt modelu systemu W zakresie przeprowadzonych prac wykonano model prototypu bazie którego wykonywano dokumentacje wykonawczą i instrukcję urządzenia. Do przeprowadzenia prac projektowych wykorzystano zaawansowane narzędzie projektowe, program Inventor. Narzędzie to pozwoliło na stworzenie wirtualnego modelu 3D prototypu. To w dalszej części ułatwiło optymalizację zastosowanych rozwiązań oraz szczegółową analizę prototypu. Rys. 2. Przykładowe elementy projektu - moduł 7
Rys. 3. Przykładowe elementy projektu - moduł Rys. 4. Przykładowy element projektu - prototyp Pełna dokumentacja opracowana w ramach projektu stanowi osobne opracowanie: - Instrukcja Obsługi Prototypu - System HyDyCo v.1.1 8
4. Projekt automatyki i sterowania Urządzenia do horyzontalnej obróbki chemicznej wymagają zastosowania nowoczesnych urządzeń automatyki i systemów komputerowych do nadzorowania procesu produkcyjnego. Dlatego opracowanie niezawodnego i optymalnego systemu sterowania i nadzorowania linii produkcyjnej wymagało wykonania: analizy funkcjonalnej linii produkcyjnej, analizy ryzyka związanego z bezpieczeństwem funkcjonalnym linii, projektu systemu automatyki w tym systemu bezpieczeństwa funkcjonalnego, oprogramowania systemu sterowania, wykonania szeregu testów i prób funkcjonalnych, optymalizację projektu systemu sterowania ze względu na bezpieczeństwo, niezawodność, efektywność oraz funkcjonalność systemu. Opracowane zostały następujące modułów systemu nadzorowania: 1. interfejsy użytkownika (maski poszczególnych ekranów, wizualizacja procesu), 2. parametryzacja linii produkcyjnej programowanie parametrów, nastaw dla poszczególnych technologii, 9
3. komunikacja z urządzeniami peryferyjnymi w oparciu o nowoczesne technologie takie jak OPC, Profinet itp., 4. moduł optymalizacji ze względu na efektywność i technologię - wymaga opracowania szeregu algorytmów optymalizacyjnych, 5. 10
6. moduł archiwizacji danych bieżących w bankach danych i moduł raportowania danych bieżących i archiwalnych. Zostały użyte aktualnie dostępne nowoczesne technologie takie jak: sterowniki o architekturze rozproszonej wraz siecią czasu rzeczywistego, komputerów sterowania nadrzędnego wraz z otwartym systemem komunikacji OPC. Zastosowanie w/w technologii wymagało wykonania szeregu badań ze względu na funkcje, sprawność oraz niezawodność. Ponieważ urządzenia do horyzontalnej obróbki chemicznej wymagają zastosowania nowoczesnych urządzeń automatyki i systemów komputerowych do nadzorowania procesu produkcyjnego, Wnioskodawca zlecił Politechnice Wrocławskiej opracowanie niezawodnego i optymalnego systemu sterowania i nadzorowania nowo wytworzonej technologii. W wyniku realizacji tego zadania wytworzone zostało specjalistyczne sterowanie do nowopowstałej linii technologicznej w postaci systemu transportu fluidalnego. Ponieważ system ten charakteryzuje się niesłychaną precyzyjnością konieczne było zastosowanie automatyki w sterowaniu. 11
12
5. Wykonanie modelu- prototypu urządzenia W ramach zadania przeprowadzone zostały następujące czynności: Wykonanie badań funkcjonalnych prototypu na stanowiskach pomiarowych Weryfikacja konstrukcji prototypu - sprawdzenie funkcjonalności opracowanych części w rzeczywistych warunkach pracy, analiza wyników, wprowadzenie poprawek technologicznych i konstrukcyjnych, opracowanie zoptymalizowanych elementów Wprowadzenie poprawek i badania w warunkach rzeczywistych Wykonanie podzespołów urządzenia, badania wytrzymałościowe i funkcjonalne - sprawdzenie funkcjonalności podzespołów urządzenia - wprowadzenie poprawek konstrukcyjnych i technologicznych na podstawie wyników wykonanie zoptymalizowanych elementów - dostosowanie uzyskanych części do rzeczywistych warunków pracy Zadanie to miało na celu stworzenie prototypu systemu transportu fluidalnego w oparciu o zweryfikowane koncepcje i zaprojektowany oraz udoskonalony model. Dobrane zostały komponenty do urządzenia i sprawdzona została ich jakość i odpowiedniość, a także poddane zostały one testom wytrzymałościowym i funkcjonalnym. Prototyp został przebadany pod względem funkcjonalności oraz zgodności z wymogami prawnymi UE. Jednocześnie stworzona została pełna dokumentacja techniczna, zawierająca instrukcje dla użytkowników. Załącznik: Instrukcja Obsługi Prototypu - System HyDyCo v.1.1 Zdj. 1. Prototyp 13
Zdj. 2. Prototyp W ramach budowy prototypu przeprowadzono szereg zmian i optymalizacji elementów budowy linii. Głównie w zakresie elementów transportu i systemy natrysku. Przeprowadzone zmiany miały na celu optymalne dostosowanie urządzenia do bezawaryjnej i bezbrakowej obróbki. Do prac optymalizacyjnych urządzenia założono obróbkę typowego ogniwa fotowoltaicznego. Grubość 120µm. Zdj. 3 Przykładowe ogniwo zastosowane do testów 14
6. Przebieg testów System dysz dociskowych Ogniwa fotowoltaiczn e Zdj. 4. Test pracy transportu Kolejne ogniwa fotowoltaiczn e Zdj. 5. Test pracy transportu ciągłość procesu Testy przeprowadzono dla ręcznego załadunku elementów na transport. 15
Zdj. 6. Ręczny załadunek Zdj. 7. Załadunek 16
Zdj. 8. Test Podstawowe kryterium, które miał spełniać nowy typ transportu to wyeliminowanie braków produkcyjnych powstających w wyniku uszkodzeń mechanicznych spowodowanych górną częścią transportu. Aktualnie przyjęty w branży ogniw fotowoltaicznych współczynnik braków dla produkcji na standardowych liniach z pełnym transportem mechanicznym wynosi 0,5 %. W naszych założeniach ilość braków spowodowana tą przyczyna miała być znacznie zredukowana. Założone warunki dla testów. - Testy przeprowadzone na standardowym ogniwie fotowoltaicznym, gr. Grubość 120µm - Wydajność nominalna linii podczas testu min. 4000 elementów/h netto - Ilość ogniw w serii 200 szt. Pierwsza seria testów Wyniki po pierwszej serii testów: - W wyniku przeprowadzonych prób stwierdzono, że nie występują uszkodzenia mechaniczne wynikające z pracy transportu. Docisk elementów generowany przez systemy dysz nie wywołuje sił które mogą uszkodzić element. - Podczas testów pojawił się jednak inny problem. Docisk hydrodynamiczny nie gwarantował w 100% prawidłowego, równoległego prowadzenia. Elementy podczas przemieszczania obracały się i wychodziły poza zaprojektowaną ścieżkę. W momencie kiedy występował ten efekt detale wchodziły w kontakt ze sobą i powodowały blokowanie się procesu. Wnioski Na bazie wyników z pierwszej serii prób ustalono że: - rozwiązanie gwarantuje możliwość wyeliminowanie mechanicznych uszkodzeń elementów 17
w stopniu wyższym niż standardowa przyjęta dla urządzeń obecnie oferowanych na rynku <0,5%. - wyeliminowanie transportu mechanicznego górnego spowodowało utrudnienie w równoległym prowadzeniu elementów co może powodować zakłócenia w procesie produkcyjnym. Dalsze działania: W ramach dalszych testów skupiono się na budowie systemy natryskowego, który zagwarantuje prawidłowe prowadzenie elementów. Pojedyncze dysze Zdj. 9. Dysze typ 1 Kolektor z systemem dysz prowadzących Zdj. 10. Dysze typ 2 (kolektor) Druga seria testów Warunki testów dla drugie serii były identyczne jak w pierwszej serii. Serie testów postanowiono przeprowadzić dla kilku typów dysz. 18
Wyniki testów przedstawiały się następująco: 1. Dla typowych dysz natryskowych (zdj. 9): - zastosowano kilka rodzajów dysz o różnym kącie strumienia (od 35 do 45 ) Wyniki dla tego rodzaju dysz niestety nie dały rozwiązania problemu. Wraz ze zwiększeniem się konta strumienia sytuacja poprawiała się ale nie na tyle, żeby wyeliminować przerwy w pracy urządzenia. 2. Dla kolektorów natryskowych (zdj. 10) - dla równomiernego rozprowadzenia cieczy dociskowej i precyzyjniejszej kontroli, zastosowano kolektory z zestawem otworów wzdłuż ścieżki każdego procesu. Docelowo to te rozwiązanie dało najlepsze wyniki. Równomierna ilość płynu na całej długości przejścia obrabianego elementu pozwoliła ustabilizować go i dodatkowo zapobiec obracaniu się. Zanim osiągnięto taki efekt wykonano kilka wersji kolektorów, które różniły się ilością, średnicą oraz kontem otworów. W ostatniej fazie testów dla ostatecznej wersji systemu wykonano 10 serii testów. Dla 10 serii wyniki przedstawiały się następująco: - Uszkodzenia mechaniczne: na dziesięć serii w jednej próbie uszkodzeniu uległy 2 elementy. Uszkodzenie jednak wystąpiło już poza modułem mokrym (natryskiem), wystąpiło w momencie wyjazdu na ostatni moduł rozładunku. - W zakresie pracy systemu fluidalnego wykryto jeden przypadek zaburzenia przepływy detali, wynikał on chwilowego zakłócenia pracy pompy zasilającej dysze. Nie wynikał natomiast z błędnej pracy elementu transportu fluidalnego. Biorą pod uwagę wszystkie wynikłe zakłócenia podczas testów, otrzymany współczynnik braków utrzymał się na poziomie 0,15% Wynik ten jest 3 krotnie niższy (lepszy) od aktualnie przyjętego w branży ogniw fotowoltaicznych dla produkcji na standardowych liniach z pełnym transportem mechanicznym i wynosi 0,5 %. 19
7. Wnioski i podsumowanie Przeprowadzone testy i badania jednoznacznie wykazały, że wyeliminowanie górnej części mechanicznego transportu zdecydowanie wpłynęła na obniżenie ilości braków generowanych poprzez mechaniczne uszkodzenia. Przyjęta koncepcja była słuszna i posiada duży potencjał, szczególnie przy produkcji elementów lekkich i kruchych. Jednak wraz z wyeliminowanie części mechanicznej i wprowadzeniem fluidalnego transportu ujawniły się inne problemy, które wcześniej nie występowały lub były w małej skali. Pojawiła się konieczność precyzyjnej i stabilnej kontroli cieczy. W tym przypadku jest to kluczowy czynnik, który wpływa ma niezawodność urządzenia. Precyzyjna kontrola cieczy wymaga również precyzyjnego zaprojektowania i wykonania systemu dysz lub kolektorów. Przy projektowaniu linii dla nowego typu detali, konieczne będą każdorazowo testy w celu optymalnego dobrania układu natryski. Na pewno pomocny w tym będzie prototyp, który możemy szybko dostosować pod nowe potrzeby i wykonać na nim pełnowartościowe testy. Inną istotną cechą nowego rozwiązania jest uniwersalność zastosowania. Brak mechanicznych części górnego transportu rolkowego pozwala wykorzystać technologie do obróbki elementów o różnej grubości o raz wymiarach. To pozwoli szukać potencjalnych nabywców w szerszym zakresie branżowym. Biorą powyższe pod uwagę wydaje się, że na obecnym etapie mamy wystarczającą wiedzę i doświadczenie aby podjąć realizacji projektu dla docelowego klienta. 20