Software pro formování dielektrika kondenzátorů

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV FYZIKY Software pro formování dielektrika kondenzátorů Číslo projektu: TA Číslo výsledku: Spolupracující firma: AVX Czech Republic s.r.o. Odpovědný pracovník: Ing. Tomáš Trčka Spolupracovníci: Ing. Jiří Šicner, Mgr. Naděžda Bogatyreva Brno 2013

2 Úvodní prohlášení Prezentovaný software vznikl v rámci dohody o spolupráci mezi Vysokým učením technickým v Brně a firmou AVX Czech Republic s.r.o. (Dvořákova 328, Lanškroun, IČO ). Originál smlouvy o jeho využití na kooperujícím pracovišti je uložen na UFYZ FEKT. Software je licencován pro komerční subjekty (licence je k dispozici u odpovědného pracovníka na pracovišti UFYZ FEKT). Ekonomické parametry nelze jednoduše specifikovat, jelikož spolupracující firma jej prozatím využívá pouze pro účely výzkumu, vývoje a testování kondenzátorů. Předpokládaný finanční objem testovaných produktů se pohybuje v řádech mil. Kč. Výsledný softwarový balík je výsledkem činnosti na projektu TAČR TA a vznikl také díky podpoře projektů SIX - Centrum senzorických, informačních a komunikačních systémů (ED2.1.00/ ) a CEITEC - Středoevropský technologický institut (CZ.1.05/1.1.00/ ). Software pro formování dielektrika kondenzátorů byl vytvořen v rámci aplikovaného výzkumu v oblasti vývoje, testování a zlepšování kvality vyráběných kondenzátorů. Program umožňuje obsluze experimentovat s nastavením parametrů jednotlivých fází formovacího procesu, což má zásadní vliv na kvalitu výsledného dielektrika. Popis a struktura programu Technologie výroby kondenzátorů se skládá z několika základních operací, mezi které patří i proces formování dielektrika. Kvalita výsledného dielektrika proto závisí na zvoleném režimu formování a pečlivém nastavení jeho parametrů. V rámci dlouhodobé spolupráce s firmou AVX Czech Republic s.r.o., která je předním světovým výrobcem tantalových kondenzátorů, vznikl požadavek na vývoj softwarového balíku pro plně automatizované řízení dlouhodobého procesu formování dielektrika. Základním prvkem sestaveného měřicího systému je stejnosměrný vysokonapěťový zdroj s maximálním výkonem 750 W (300 V, 2.5 A). Součástí navržené aparatury je také univerzální DAQ karta s několika programovatelnými analogovými a digitálními kanály, která umožňuje kontinuální sběr dat z dalších dodatečných senzorů. Softwarová regulace výkonového zdroje je zajištěna prostřednictvím GPIB sběrnice (GPIB/USB rozhraní), zatímco univerzální DAQ využívá standardní USB rozhraní. Obslužný software pro automatizované řízení celého procesu formování dielektrika byl vytvořen v moderním programovacím prostředí LabVIEW. Na základě požadavků definovaných spolupracující firmou pracuje navržený software ve dvou základních režimech. Při volbě režimu TABLE je obsluha programu nejprve vyzvána k zadání údajů o počtu formovaných anod a jejich hmotnosti. Dále následuje vyplnění formovací tabulky (viz obr.1) podle požadovaného technologického postupu. Každý řádek uvedené tabulky reprezentuje jednu samostatnou fázi procesu formování dielektrika, která je automaticky ukončena po dosažení zadaného formovacího napětí a poté dochází ke změně parametrů výkonového zdroje podle údajů v následujícím řádku tabulky. Při postupném vyplňování formovací tabulky program automaticky dopočítá maximální formovací proud, a to na základě vložených údajů o počtu anod, jejich hmotnosti a požadované proudové hustotě v každé fázi formovacího procesu. Kompletní tabulku lze také volitelně uložit a při opakovaném spuštění programu opět načíst jako šablonu.

3 Obr. 1: Ukázka obrazovky pro výběr režimu formovacího procesu a specifikaci jeho parametrů režim TABLE (formování podle zadané tabulky). Druhým režim (COSTANT RATE) je varianta formování dielektrika s konstantní rychlostí nárůstu formovacího napětí. Uživatel zde může nastavit hodnotu počátečního napětí, koncového napětí, rychlosti nárůstu [V/min] a proudového omezení (podle možností použitého zdroje). Ze zadaných parametrů program automaticky dopočítá napěťový krok [V/s] a celkovou dobu formování s konstantním nárůstem napětí. Ukázka uživatelského rozhraní v případě volby režimu CONSTANT RATE je uvedena na obr. 2. Po spuštění program v pravidelných intervalech jedné sekundy postupně navyšuje zadané počáteční napětí o hodnotu vypočteného napěťového kroku, a to až do dosažení požadovaného koncového napětí. V uživatelském rozhraní lze také volitelně použít tzv. přípravnou fázi, která umožňuje předformování dielektrika na určitou hodnotu napětí pomocí definovaného formovacího proudu (nejčastěji jsou v této fázi požadovány nízké hodnoty formovacího napětí a proudu). Po ukončení přípravné fáze program automaticky zahájí fázi formování s konstantním nárůstem napětí, jelikož oba zmíněné procesy na sebe plynule navazují. Po korektním vyplnění všech povinných parametrů u vybraného režimu (průběžně kontrolováno programem) je obsluze umožněno jeho spuštění. Po spuštění měření dochází v pravidelných intervalech ke skenování aktuálních hodnot formovacího napětí a proudu a jejich postupnému ukládání do textového souboru, takže nehrozí kompletní ztráta dat při vynuceném ukončení běhu programu nebo nenadálém výpadku elektřiny. Průběh měření lze sledovat jak prostřednictvím vykreslovaných grafů, tak i pomocí indikátorů s aktuálními hodnotami sledovaných veličin (viz. obr.3). Po dosažení koncového formovacího napětí jsou aktivovány požadované ukončovací podmínky, které jsou pro oba výše popsané režimy stejné. Podle dohodnutého zadání byly do stávajícího programu implementovány dvě ukončovací podmínky. Jedná se o ukončení měření v důsledku vypršení definovaného časového intervalu Po splnění jedné z uživatelsky definovaných podmínek je měření ukončeno. nebo na základě poklesu formovacího proudu pod nastavenou úroveň. Ukončovací fáze procesu formování je často dlouhodobá záležitost, a proto je aktuální stav ukončovacích podmínek průběžně monitorován a v uživatelském

4 rozhraní programu signalizován prostřednictvím vhodných indikátorů (viz obr.3). Po splnění jedné z uživatelsky definovaných podmínek je měření ukončeno a poté se automaticky otevře okno MS EXCEL, kde je do prvního listu vložen popis daného měření (zvolený režim a jeho nastavené parametry) a do dalších listů jsou vloženy konkrétní výsledky měření v dohodnutém formátu. Pracovní sešit MS EXCEL je následně uložen a program se ukončí. Obr. 2: Ukázka uživatelského rozhraní a zadávaných parametrů v režimu CONSTANT RATE (formování dielektrika s konstantní rychlostí nárůstu formovacího napětí). Obr. 3: Ukázka vykreslovaných grafů (formovací napětí a proud) a indikátorů s aktuálními hodnotami sledovaných veličin (včetně signalizace stavu ochrany a ukončovacích podmínek).

5 Z hlediska bezpečnosti obsluhy při práci s výkonovým zdrojem napětí je samotná formovací lázeň s připravenými anodami umístěna v boxu z vytvrzeného skla s otevíratelným krytem, jehož součástí je i elektronický mikrospínač. Stav mikrospínače je v reálném čase monitorován prostřednictvím univerzální vícekanálové DAQ karty a na obrazovce obslužného programu je signalizován pomocí barevného indikátoru (červeně - OPEN STATE, zeleně - CLOSE STATE). Tato základní bezpečnostní ochrana je aktivována ihned při spuštění programu, a pokud není ochranný kryt uzavřen, nemá obsluha možnost spustit zvolený režim formování (blokace tlačítka START). V případech, kdy je otevření ochranného krytu detekováno během probíhajícího procesu formování, dojde téměř okamžitě k automatickému omezení výkonu zdroje, jeho vypnutí, uložení aktuálních hodnot a ukončení měření. Součástí softwarového balíku je také jednoduchá aplikace, která je používána na specifickém pracovišti pro doformování většího množství běžně vyráběných anod. Primární úkolem je zde sledovat průběh formovacího proudu během definovaného časového intervalu, a to při pevně zvolené hodnotě formovacího napětí (v tomto případě je použit běžně dostupný DC zdroj). Uživatel tak při startu aplikace zadává pouze velikost formovacího napětí, požadovanou délku měření, interval skenování sledovaných veličin a volitelně také popis vzorku. Po spuštění program v pravidelných intervalech skenuje aktuální hodnoty sledovaných veličin, které jsou průběžně ukládány do textového souboru. Kompletní záznam měření je také postupně vykreslován do příslušných grafů v uživatelském rozhraní programu. Po ukončení měření jsou výsledky opět vloženy (podle dohodnutého formátu) do jednotlivých listů automaticky otevřeného pracovního sešitu MS EXCEL, který je následně uložen a program se ukončí. Obr. 3: Ukázka jednoduché aplikace pro doformování většího množství běžně vyráběných anod, která je součástí vytvořeného softwarového balíku.

6 Závěrečné shrnutí Vytvořený software je dostatečně univerzální, stabilní a uživatelsky jednoduchý, což umožňuje jeho využití v oblasti testování a vývoje kondenzátorů. Výsledná verze obslužného software byla programována i s ohledem na možnost budoucího rozšíření dostupného hardwarového vybavení. V současné verzi je program schopen zajistit automatizovaný proces formování na dvou výkonových zdrojích od různých výrobců a s odlišnými parametry (300 V, 2.5 A, 750W a 600 V, 1.3 A, 750 W). Možnost využití různých výkonových zdrojů je důležitá především při procesu formování dielektrika u nově vyvíjených typů kondenzátorů se specifickými vlastnostmi a technologickými postupy jejich výroby. Při návrhu výsledné struktury programu se počítalo také se snadnou implementací dalších režimů formování a dodatečných ukončovacích podmínek, a to vždy podle aktuálních potřeb spolupracující firmy.