Problemy komputerowego wspomagania demontażu urządzeń

II Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna „EKOLOGIA W ELEKTRONICE”
Przemysłowy Instytut Elektroniki
Warszawa, 5-6.12.2002
PROBLEMY KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA
DEMONTAŻU URZĄDZEŃ ELEKTRONICZNYCH
Jerzy KERN
Przemysłowy Instytut Elektroniki
00-241 Warszawa, ul.Długa 44/50, 635-14-55, [email protected]
W referacie, na podstawie kilku wybranych przykładów, przedstawiono różne
metody komputerowego wspomagania procesów demontażu urządzeń
elektronicznych dla powtórnego użycia i recyklingu odpadów. Przedstawione
rozproszone i lokalne systemy komputerowe wspomagają realizację planowania
optymalnych sekwencji demontażu urządzeń. Wykonywanie procesów demontażu
jest wspomagane systemami pomiarowo-informatycznymi wykorzystującymi
techniki cyfrowej akwizycji i analizy obrazów dla identyfikacji elementów
demontowanych urządzeń i oceny ich jakości po wymontowaniu.
1. WSTĘP
Właściwa informacja dotycząca produktu, wycofywanego z użytkowania ma
zasadnicze znaczenie dla dalszego z nim postępowania. Istnieje wiele możliwych
czynności związanych z wycofywanym produktem, takich jak – naprawa, modernizacja,
demontaż urządzenia i ponowne użycie podzespołów, wyekstrahowanie materiałów dla
celów recyklingu itp. Wybór jednej z takich możliwości wymaga informacji o
właściwościach produktu, w tym wiedzy o zastosowanych wartościowych (ewentualnie
niebezpiecznych dla środowiska) podzespołach i materiałach. Cenna jest również
informacja dotycząca serwisu urządzeń, zalecanych technologii ich montażu i
demontażu, procedur testowania, zapotrzebowania rynku na ewentualnie odzyskiwane
podzespoły i materiały, ich ceny itd.
Pozyskiwanie i przetwarzanie informacji, niezbędnej dla podjęcia racjonalnych
decyzji uruchamiających procesy demontażu, jak również optymalizowanie i sterowanie
procesami demontażu urządzeń elektronicznych jest realizowane przy pomocy
komputerowych systemów informatycznych. Są to rozproszone sieci informatyczne, z
136
dostępem do baz danych projektantów i producentów aparatury, baz danych firm
realizujących procesy zbierania zużytych urządzeń, baz danych firm demontażu i
recyklingu, baz danych firm skupujących odzyskiwane urządzenia, podzespoły,
materiały, jak również są to nie udostępniane lokalne bazy oraz systemy informatyczne
[5,7]. Poniżej, na wybranych przykładach, przedstawiono zagadnienie aplikacji
systemów informatycznych dla realizacji dwu grup zadań związanych z optymalizacją
procesów demontażu:
• planowania procesu demontażu ;
• wspomagania wykonywania procesu demontażu.
2. KOMPUTEROWE SYSTEMY WSPOMAGAJĄCE
PLANOWANIE PROCESU DEMONTAŻU.
2.1.
Rozproszone sieci komputerowe wspomagające planowanie demontażu
urządzeń elektronicznych
Celem tworzenia rozległych, internetowych sieci komputerowych związanych z
gospodarką odpadami jest m.in. optymalizacja decyzji dotyczących demontażu urządzeń
i recyklingu materiałów. Optymalizacja może w tym przypadku wykorzystywać
rozproszoną informację, udostępnianą przez Internet przez firmy związane z
projektowaniem, produkcją, sprzedażą, użytkowaniem, odzyskiwaniem określonych
produktów i materiałów. Na rysunku 1 przedstawiono ogólną strukturę sieci
komputerowej, wspomagającej demontaż urządzeń elektronicznych. Prezentowane w
literaturze przykłady takich sieci to m.in. Ekologiczny Systemu Informatycznego firmy
Hitachi [7], czy internetowy system Web-VDM opracowany w USA [5].
Rozproszony proces wytwarzania, użytkowania, demontażu i recyklingu
Produkcja
Dane
produktu
Użytkowanie
System
wspomagający
projektowanie i
wytwarzanie
Struktura produktu
Wykazy części
Materiały toksyczne
.........
Zbieranie
Sieć komputerowa
Demontaż/
recykling
System
sterowania
Procesami
demontażu/
Dane dla
demontażu/
recyklingu
Rozproszony System Informatyczny
Optymalne algorytmy
procesów; parametry
recyklingu; postulaty
dla projektantów; ....
Rys.1 Przykładowa struktura rozproszonej sieci komputerowej wspomagającej
procesy demontażu i recyklingu
W [2] przedstawiono przykład wykorzystania systemu Web-VDM dla planowania
demontażu komputera typu PC. Każdy z możliwych do uzyskania planów demontażu
może być oparty na innym kryterium wstępnym. W rozpatrywanym przykładzie
137
przyjęto, że Plan #1 powinien doprowadzić do maksymalnego rozdrobnienia urządzenia,
natomiast przy Planie #2 powinna być osiągnięta największa korzyść z odzysku
podzespołów. W systemie zastosowano opracowaną miarę trudności wykonywania
każdego z kolejnych kroków demontażu, proporcjonalną do pracochłonności. Miara ta
charakteryzuje się przedziałem 0 do 100, a każdemu krokowi demontażu
przyporządkowany jest indeks o wyznaczanej wartości.
Moduł planowania systemu Web-VDM [2] posiada kilka eksperckich podsystemów z
różnymi zbiorami reguł. Reguły służą do analizowania stanu demontowanego urządzenia
po zakończeniu każdego kolejnego kroku. W wyniku analizy proponowane są przez
system alternatywne kroki następne. W każdej iteracji użytkownik wybiera określony
krok, system Web-VDM uaktualnia wektor stanu, po czym dalszy ciąg planu jest
generowany analogicznie, w sposób iteracyjny.
Tab. 1. Porównanie dwu alternatywnych planów demontażu
Plan
#
1
2
Łączny
Bezpośrednia
czas
pracoLiczba
Suma
chłonność
kroków demontażu indeksów
[min]
[USD]
10
12,9
684
5,37
16
17,0
976
7,08
Wartość
odzyskanych
materiałów
[USD]
36,30
61,05
Zysk netto
[USD]
39,54
63,77
W tabeli 1 przedstawiono porównanie wyników obu strategii, również uzyskane przy
pomocy opisywanego modułu. Z porównania wynika większy zysk Planu 2, wynikający
z odzyskiwania większej liczby podzespołów.
2.2.
Lokalne systemy planowania demontażu
Implementowane są również lokalne komputerowe systemy planowania procesów
demontażu w firmie demontującej, działające w oparciu o własne bazy danych firmy,
zawierające charakterystyki demontowanych produktów, oraz dane dotyczące
stosowanych procesów i narzędzi demontażu. Jeden z prezentowanych systemów
DEROBOPLAN powstał przez odpowiednie zaadoptowanie systemu informatycznego
ROBOPLAN, wspomagającego montaż urządzeń elektronicznych [4]. Zawiera on 4
bazy danych, takie jak Baza Danych Produktu, Baza Danych Symboli, Baza Danych
Komponentów, Baza Danych Planów Demontażu. Zawarte w systemie dane zawierają
odpowiednio:
•
charakterystyki urządzeń przeznaczonych do demontażu;
•
symbole różnych czynności demontażu z ich charakterystykami;
•
charakterystyki stosowanych stanowisk technologicznych i narzędzi
demontażu;
•
wyniki planowania w postaci opisu różnych sekwencji demontażu.
Istnieją również bardziej złożone lokalne systemy komputerowego planowania
demontażu, posługujące się elementami sztucznej inteligencji. I tak np. przyjęcie
założenia, ze wartości niektórych parametrów, wpływających na koszty i przebieg
procesu demontażu nie są znane z góry, przed rozpoczęciem tego procesu, stanowi
przesłankę poszukiwania algorytmów demontażu, opartych na systemach wnioskowania
z logiką rozmytą. Przedstawiony poniżej przykład wykorzystuje sieć Petriego z
elementami logiki rozmytej [2]. Niepewność, co do jakościowego stanu poszczególnych
138
demontowanych elementów wynika z braku apriorycznej wiedzy co do wcześniejszych
warunków użytkowania i przechowywania urządzeń.
Na rysunku 2 przedstawiono schemat podejmowania decyzji odnośnie postępowania
z urządzeniem i jego podzespołami na podstawie wyników kontroli jakości
urządzenia/podzespołu/elementu oraz wyników wnioskowania z zastosowaniem bazy
reguł demontażu. Po demontażu kolejnego podzespołu urządzenie i wymontowany
podzespół są ponownie poddawane kontroli, podejmowane są kolejne decyzje co
dalszego demontażu urządzenia i wymontowanego podzespołu, demontowany jest
kolejny podzespół a ten poprzedni demontowany na elementy i t.d. aż do całkowitego
zdemontowania urządzenia
Używane urządzenia
Zbiórka urządzeń
Baza
danych
Kontrola jakości
Podejmowanie decyzji
Baza
reguł
Ponowne użycie
Demontaż
Odpad
Podzespoły/
elementy
Rys.2. Schemat funkcjonalny procesu demontażu z zastosowaniem mechanizmu
wnioskowania opartego na logice rozmytej i sieci Petriego
3. SYSTEMY INFORMATYCZNE WSPOMAGAJĄCE
WYKONYWANIE DEMONTAŻU
Systemy komputerowe są również wykorzystywane do bezpośredniego sterowania
procesem demontażu, w celu ułatwienia tego procesu i zwiększenia jego efektywności.
Na rysunku 3 przedstawiono strukturę systemu półautomatycznego demontażu płytek
drukowanych.
Systemy komputerowego sterowania demontażem płytek drukowanych obejmują
zarówno bazy danych o strukturze jak opisano w p.2.2 jak i podsystemy rozpoznawania i
analizy obrazów. W wyniku akwizycji i analizy obrazów demontowanego pakietu
139
następuje identyfikacja cennych do ponownego wykorzystania podzespołów oraz
podzespołów szkodliwych zawierających materiały toksyczne. Identyfikacja następuje w
wyniku porównywania kształtów i oznaczeń podzespołów z odpowiednimi elementami
bazy danych stosowanych (i poszukiwanych na rynku) podzespołów.
Sterowanie
demontażem
Sterow
anie
pakietów
Baza
Danych:
Operacje
Demontażu
Baza Danych:
Charakterystyki
urządzeń
Automatyczny
demontaż
Rozpoznawanie
elementów
Moduły do
demontażu
Pakiety bez
wymontowanych
podzespołów
Podzespoły z
materiałem
toksycznym
Elementy do
powtórnego użycia
Rys.3 Struktura segmentu linii demontażu modułów elektronicznych (płytek drukowanych)
ze sterowaniem komputerowym
Podzespoły zidentyfikowane jako nadające się do powtórnego użycia oraz
podzespoły zawierające materiały toksyczne są wymontowywane z pakietu. Dla
wymontowywani stosuje się niekiedy specjalne laserowe techniki wylutowywania oraz
mechanizmy chwytakowe.
Laserowe techniki wylutowywania minimalizują stresy termiczne i mechaniczne
podzespołów, wymontowywanych dla powtórnego użycia. Tym niemniej, niekiedy po
wymontowaniu podzespołów stosuje się jeszcze kontrolę ich jakości, także z
zastosowaniem analizy obrazów.
Na rysunku 4 przedstawiono schemat stanowiska do kontroli poprawności wymiarów
i zewnętrznego stanu wymontowanych podzespołów. Zastosowanie odpowiedniego
algorytmu umożliwia komputerową ocenę poprawności stanu podzespołu i
przygotowanie decyzji selekcyjnej [6].
140
Obraz
elementu
Układ
optyczny
Kamera
CCD
Kontrolowany
element
Rys.4. Struktura stanowiska do optycznej kontroli stanu wymontowanych podzespołów,
przeznaczonych do dalszego użycia
Technika rozpoznawania obrazów stosowana jest także przy automatyzacji
mechanicznego demontażu obudów. Rysunek 5 ilustruje mechanizm identyfikacji
połączeń śrubowych obudowy urządzenia elektronicznego i odróżniania ich od innych,
podobnych obrazowo elementów (np. obrazu niedużej plakietki). W algorytmie,
opisanym w [1], stosowane jest porównywanie rzeczywistego obrazu tylnej płyty
urządzenia z odpowiednim szablonem, pobranym jako element bazy wiedzy systemu
komputerowej identyfikacji połączeń śrubowych.
Wzorcowe
położenia wkrętów
Plakietka mylnie
interpretowana jako wkręt
Odłączana płyta tylna
komputera
Szablon referencyjny płyty
tylnej komputera
Rys.5. Ilustracja mechanizmu prawidłowej identyfikacji położenia wkrętów obudowy
na podstawie porównywania obrazu rzeczywistego z szablonem
4. PODSUMOWANIE
Na przykładzie zadań związanych z planowaniem i wykonywaniem procesów
demontażu przedstawiono istotną rolę technik informatycznych w zapewnianiu
właściwej efektywności tych procesów. W procesach planowania niezbędne jest
141
wykorzystywanie systemów baz danych, baz wiedzy i odpowiednich algorytmów dla
optymalizowania ścieżek (sekwencji) kolejnych kroków demontażu. W zadaniach
związanych z wykonywaniem demontażu, prócz odpowiednich systemów baz danych,
bardzo istotną rolę w identyfikowaniu elementów odgrywają komputerowe systemy
rozpoznawania i analizy obrazów. Z uwagi na coraz większą dostępność komputerów
osobistych oraz cyfrowych urządzeń akwizycji obrazów wysokiej klasy, projektowanie
współczesnych linii demontażu urządzeń elektronicznych powinno w jak największym
stopniu uwzględniać wykorzystywanie przedstawionych w referacie technik
informacyjnych.
LITERATURA
1. Bailey-Van Kuren M.: Automated Demanufacturing Studies in Detecting and Destroying
Threaded Connections for Processing Electronic Waste, IEEE International Symposium
Electronics & the Environment 2002, May 6-9 2002, San Francisco, str.295-298.
2. Das S, Mani V, Caudill R, Limaye K.: Strategis and Economics in the Disassembly of
Personal Computers – A Case Study, IEEE International Symposium Electronics & the
Environment 2002, May 6-9 2002, San Francisco, str.257- 262.
3. Gao M, Zhou: Fuzzy Reasoning Petri Nets for Demanufacturing Process Decision, IEEE
International Symposium Electronics & the Environment 2001, May 7-9 2001, Denver,
str.167-178.
4. Knoth R., Hoffman M., Kopacek B., Kopacek P.: Intelligent disassembly of electronic
equipment with flexible semi-automatic disassembly cell., Electronics Goes Green 2000+,
September 11-17 2000, Berlin, str.423-426.
5. Ranky P.G., Caudill R.J., Limaye K., Alli N.: A Web-Enabled Virtual Dissassembly
Manager (web-VDM) for Electronic Product/Process Designers, Disassembly Line
Managers and Operators, and UML Model and Tools, IEEE International Symposium
Electronics & the Environment 2002, May 6-9 2002, San Francisco, str.69 –73.
6. Stobbe I., Griese H., Potter H., Reichl H, Stobbe L.: Quality Assured Disassembly of
Electronic Components for Reuse, IEEE International Symposium Electronics & the
Environment 2002, May 6-9 2002, San Francisco, str. 299-305.
7. Uno M.: Inverse Manufacturing Technologies at Hitachi, Care Innovation ’98 Proceedings,
November 16-19 1998, Wiedeń, str.353-360.
SOME PROBLEMS OF COMPUTER SUPPORTING IN
DISASSAMBLY OF ELECTRONIC EQUIPMENT
In the paper, on the basis of several presented informatics’ systems, there are
presented different methods of computer supporting the disassembly of electronic
equipment, for reuse and recycling of electronic waste. Presented computer systems
support the task of disassembly planning, for optimization disassembly sequences, and
supporting the disassembly cells, for semi-automation of identification and control
processes during dismounting of equipment and printed circuit boards. There are
presented distributed and local data base and knowledge base systems as tools for
planning efficient dismounting procedures. For disassembly processes there are
suggested digital image acquisition and analysis systems, especially convenient for
identification of element’s location and its mechanical quality.
142