VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV FYZIKY Software pro testování kvality kondenzátorů v provozních podmínkách Číslo projektu: TA02020998 Číslo výsledku: 27269 Spolupracující firma: AVX Czech Republic s.r.o. Odpovědný pracovník: Ing. Tomáš Trčka Spolupracovníci: Ing. Milan Spohner, Ing. Jiří Šicner Brno 2013
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, 563 01 Lanškroun, IČO 46508171). 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 TA02020998 a vznikl také díky podpoře projektů SIX - Centrum senzorických, informačních a komunikačních systémů (ED2.1.00/03.0072) a CEITEC - Středoevropský technologický institut (CZ.1.05/1.1.00/02.0068). Software pro testování kvality kondenzátorů v provozních podmínkách byl vytvořen v rámci aplikovaného výzkumu v oblasti testování a zlepšování kvality vyráběných součástek. Výsledná verze programu zajišťuje plně automatizované řešení poruchových stavů, které mohou nastat při současném měření až 58. kusů testovaných kondenzátorů na sestavené měřicí aparatuře. Program automaticky odpojuje poruchové kanály na základě řady definovaných podmínek. Díky tomu není v průběhu dlouhodobého měření vyžadována přítomnost obsluhy na daném pracovišti, a spolupracující firma tak může tento software nasadit přímo v provozních podmínkách. Návaznost na dříve sestavený měřicí systém Vytvořený softwarový balík je pokročilou nástavbou obslužného programu z roku 2012 (číslo výsledku 26478), jehož specifikaci lze nalézt na webových stránkách Ústavu Fyziky FEKT VUT v Brně (http://www.ufyz.feec.vutbr.cz/veda-a-vyzkum/produkty/software-prodlouhodoba-mereni-parametru-kondenzatoru). V rámci dlouhodobé spolupráce s firmou AVX Czech Republic s.r.o. vznikl požadavek na postupný vývoj plně automatizovaného systému pro dlouhodobá měření parametrů vyráběných kondenzátorů, a to nejen pro testovací provoz v jejich výzkumných laboratořích, ale také v běžném provozu při testování kvality kondenzátorů navržených pro specifické průmyslové aplikace. Aktuální verze obslužného programu již plně řeší problematiku poruchových stavů, kdy dochází k nárůstu zbytkových proudů měřených na aktivních kanálech. Základními prvky stávajícího měřicího systému jsou dva stejnosměrné zdroje napětí, měřicí/spínací jednotka se třemi sloty a citlivým vnitřním multimetrem a multifunkční DAQ karta. Měřicí/spínací jednotka umožňuje současné měření až 60 kanálů, kdy 58 kanálů je využito pro měření kondenzátorů a zbývající dva k pomocným účelům (měření teploty a referenčního napětí na zdrojích). Výše uvedené programovatelné přístroje jsou součástí komplexního hardwarového řešení navrženého speciálně pro dlouhodobé testování a diagnostiku kondenzátorů. Ústřední částí celého systému je řídící panel, který umožňuje ovládat řadu procesů v průběhu měření. Jedná se zejména o zařazení zvoleného předřadného odporu (vždy sada o 58 kusech), blokaci otevření pece se vzorky, bezpečné vybití kondenzátorů atd. Z důvodu bezpečnosti obsluhy a dodržení předem definovaného technologického postupu byly postupně všechny ovládací prvky na řídícím panelu nahrazeny pouze prvky signalizačními a samotné řízení uvedených procesů je prováděno vzdáleně prostřednictvím multifunkční DAQ karty.
Významná vylepšení předchozího konceptu měření V předchozí verzi měřicího systému byla volba rozsahu zařazených zatěžovacích odporů a řízení jednotlivých etap technologického procesu softwarově řízeno prostřednictvím multifunkční DAQ karty NI USB-6008, která nabízí 8 analogových vstupů, 2 analogové výstupy a 12 digitálních kanálů. Tato nízko rozpočtová varianta narážela na omezené množství dostupných kanálů, ale také na nestabilitu v přenosu dat během dlouhodobých měření (občasné výpadky programu). Další nevýhodou předchozí konceptu měření byla nezbytná spoluúčast obsluhy daného zařízení v situacích, kdy došlo k výraznému nárůstu zbytkového proudu kondenzátoru na určitém kanále, případně k jeho zkratu. V těchto případech bylo nutné (z hardwarových důvodů) poruchový kanál ručně odpojit (prostřednictvím proudové pojistky), jinak docházelo k omezení zdroje napětí, což se projevilo i v napájení ostatních bezporuchových kanálů. Postupně docházelo k výraznému hardwarovému zásahu do navrženého měřicího systému a pro diagnostiku základních parametrů kondenzátorů v provozních podmínkách byla sestavena pokročilá verze testovacího systému. Popsanému přechodu musel odpovídat i adekvátní zásah do obslužného software. Jako první bylo potřeba softwarově ovládat aktivaci/deaktivaci všech aktivních kanálů (max. 58). K tomuto účelu byla pořízena nová multifunkční DAQ karta NI USB-6509, která nabízí 96 obousměrných digitálních kanálů. Uvedená multifunkční karta je navíc postavena na průmyslovém standardu, což garantuje její spolehlivost v provozních podmínkách a umožňuje další dodatečné funkce (např. definice počátečních stavů digitálních kanálů po připojení karty k napájení). Prezentovaný softwarový balík je schopen plně řídit všechny procesy spojené s dlouhodobým testováním parametrů kondenzátorů, k čemuž jsou využity dostupné digitální kanály multifunkční karty podle následujícího rozvržení. Prvních 58 kanálů je využito k řízení spínacích prvků (5V TTL) dodatečně zařazených do vnitřní hardwarové struktury navrženého systému, které umožňují připojit, resp. odpojit daný kanál od zdroje napájecího napětí. Dalších 10 digitálních kanálů je rezervováno pro volbu požadovaného rozsahu zařazených zatěžovacích odporů. Uživatel tak může před spuštěním měření nastavit (pomocí rolovací nabídky v uživatelském rozhraní programu) požadovaný rozsah předřadného odporu a na základě jeho výběru je poté do měřicího obvodu automaticky připojena zvolaná sada odporů. V pokročilém uživatelském nastavení (chráněno heslem) je možné současně aktivovat i více rozsahů, což se ve výsledku projeví připojením více sad definovaných odporů v paralelním uspořádání. Následujících 5 kanálů umožňuje řízení celého technologického procesu měření parametrů kondenzátorů, jako například připojení napájecího napětí na testované kondenzátory, blokace otevření pece s tepelně namáhanými vzorky, spouštění procesu vybíjení kondenzátorů atd. Aktivace jednotlivých procesních etap je uživateli signalizována jak hardwarově (prostřednictvím barevných signalizačních prvků na čelním panelu zařízení), tak i softwarově pomocí barevných indikátorů. Zbývajících 23 kanálů vytváří dostatečnou rezervu pro další technologické vylepšování aktuální verze měřicího systému podle nových požadavků spolupracující firmy, a to již bez nutnosti výrazně zasahovat do stávajícího hardwarového a softwarového řešení. Aktuální verze obslužného programu nabízí dvě varianty řešení poruchových situací, kdy dochází k postupnému či náhlému růstu zbytkových proudů měřených na aktivních kanálech, a to pro případ jednoho nebo i více detekovaných poruchových kanálů současně.
Implementovaný algoritmus detekce poruchových stavů funguje ve dvou základních režimech. Manuální režim (MANUAL): Umožňuje obsluze ručně aktivovat/deaktivovat vybrané kanály kdykoliv v průběhu dlouhodobého měření (kliknutím na zaškrtávání pole u čísla kanálu). Při podezření na výskyt zkratu některého z testovaných kusů, případně při snížení referenčního napájecího napětí v důsledku přetížení zdroje, tak může obsluha postupně odpojovat kanály, které vykazují nejvyšší zbytkové proudy. Přehledná tabulka s aktuálními hodnotami měřených veličin u všech aktivních kanálů je umístěna vedle bloku s panelem pro vzdálené řízení jednotlivých kanálů (obr. 1). Automatický režim (AUTO): Aktivací tohoto režimu program přebírá plnou kontrolu nad správou aktivních kanálů a není dále vyžadována přítomnost obsluhy na daném pracovišti. Jeho spuštěním je aktivována sada algoritmů, jejichž primárním účelem je zajistit, aby v každém cyklu skenování kanálů nedošlo k poklesu referenčního napětí v důsledku nárůstu celkového proudového odběru ze zdroje, případně k překročení zvolené limitní hodnoty zbytkového proudu u některého z testovaných kusů. Program automaticky odpojuje poruchové kanály na základě řady definovaných podmínek. Čas vypnutí daného kanálu a důvod jeho odpojení se průběžně ukládají do textového souboru a příslušný kanál je od okamžiku deaktivace vyřazen z procesu pravidelného skenování. Tuto situaci je možné zvrátit pouze zásahem obsluhy, která ručně změní režim detekce poruchových stavů zpět na manuální režim a může tak opět aktivovat měření na vybraném kanálu. Obr. 1: Ukázka obrazovky pro výběr režimu detekce poruchových stavů (AUTO - MANUAL) včetně indikátorů stavu jednotlivých aktivních kanálů a přehledná tabulka s aktuálními hodnotami měřených veličin (max. 58 kanálů).
Algoritmus pro automatickou detekci poruchových stavů byl vytvořen s ohledem na jeho budoucí modulárnost. Na základě požadavků spolupracující firmy je možné lehce vkládat do stávajícího systému dodatečné podmínky vyhodnocování poruchových kanálů. Pověřený pracovník má navíc možnost před každým měřením nastavit základní parametry kontrolních algoritmů. K tomuto účelu bylo vytvořeno pokročilé uživatelské nastavení programu (chráněno heslem), ve kterém lze v jistých mezích měnit primárně nastavené parametry použitých algoritmů (obr. 2). Uvedená možnost se osvědčila především v provozních podmínkách, kdy je nutné testovat jak standardně vyráběné typy kondenzátorů, tak i kondenzátory vyvinuté podle specifických požadavků zákazníků. Jednotlivé typy kondenzátorů mohou mít totiž velmi odlišné vlastnosti, z čehož vyplývá i požadavek na případné korekce primárních parametrů softwarových podmínek použitých pro vyhodnocování poruchových stavů. Obr. 2: Ukázka pokročilého uživatelského nastavení programu (přístup chráněn heslem), ve kterém lze v jistých mezích měnit primárně nastavené parametry použitých algoritmů.