PROJEKTSAMMANFATTNING Processindustriell IT och Automation hösten 2014 Projektakronym NIPS Projektnamn Non-invasive pile scanning 1 (6) Projektfakta Sökt belopp från VINNOVA: 500 000 kr Sökande organisation: Stiftelsen Adopticum Projektledare: Sara Lindahl Projektperiod: 2014-11-03 2015-04-30 1 Sammanfattning Stiftelsen Adopticum är en verksamhet med specialistkompetens inom optisk mätteknik, speciellt för industriella applikationer. Förstudien ska undersöka hur man kan designa ett system för inmätning av stora råvaruhögar genom att använda optisk mätteknik. Ett sådant system måste generera noggranna resultat på ett enkelt, tillförlitligt och snabbt sätt. Potentialen är stor då behovet av ett sådant mätsystem finns inom många typer av industrier. Vi har i detta projekt samlat en grupp industriella företrädare bestående av Smurfit Kappa Piteå, Boliden Rönnskär samt Norra Timber Kåge såg. Projektresultatet har potential att ge upphov till bättre kontroll på volymer av bulklager. Därmed möjliggörs bland annat en effektivare produktionsplanering, minskad miljöpåverkan tack vare en effektivare logistik och bättre ekonomisk uppföljning genom ständigt uppdaterad information om lagersituationen. Det finns två akademiska parter i detta projekt. UMIT Research Lab vid Umeå universitet har specialistkompetens inom forskning kring modellering och simulering av granulära material. Luleå tekniska universitet har stor erfarenhet av 2D och 3D-scanning och 3D modellering av olika typer av ytor och volymer samt multivariat modellering och prediktering av ytors färgrelaterade egenskaper. Resultaten från projektet kommer att presenteras dels för behovsägarna men också för potentiella produktägare för tillverkning och distribuering av mätsystemet. Marknaden bedöms som stor då detta är ett problem som återfinns inom många typer av industrier. 2 Projektets bakgrund Syftet är att undersöka möjligheterna att utveckla ett sätt att mäta mycket stora volymer av bulkmaterial. Detta har potential till en effektivare processindustri med betydligt större kontroll över sitt råvaruflöde genom hela processen. Många verksamheter har ett uttalat behov av att på ett enkelt, robust och objektivt sätt kunna genomföra mätningar av råvarulager. Det kan vara flis, bark, slagg, sten, ett stocklager eller liknande. En aktör som stöter på detta vid varje månadsslut är Smurfit Kappa i Piteå, där man måste redogöra för sitt råvarulager av flis. En annan aktör med stora råvarulager är Boliden Rönnskär som förvarar stora högar av slagg och mellanprodukter på ett flertal ställen på Rönnskärsverkens områden. Även Norra Timber Kåge Såg har behov av att kunna mäta sina råvarulager av timmer, bark, flis och spån. Hos Smurfit Kappa mäter man idag flishögarna manuellt. Först mäts basen av flishögen med ett mäthjul, sedan uppskattar man höjden. Utöver detta korrigerar man för kaviteter och packningsgrad för att få en så bra uppskattning som möjligt. Liknande manuella mätmetoder och uppskattningar återfinns hos t.ex. Boliden Rönnskär. Då metoderna
2 (6) innehåller flera moment av uppskattning blir resultatet subjektivt och i viss utsträckning personberoende. Det är även tidskrävande och kan i vissa fall utsätta personen för fara. Enligt våra undersökningar och enligt information från de industriella aktörer vi har med i projektet finns det idag ingen tillräckligt bra lösning på problemet. Det finns en relativt ny lösning för att mäta stora volymer med god noggrannhet som har testats av både Smurfit Kappa och Rönnskär. Det är att låta ett obemannat, radiostyrt flygplan fotografera råvarulagren från luften. Insamlat data kan sedan användas för att beräkna volymen. Denna teknik är noggrann och kan mäta stora arealer men det krävs specialistkunskap för att flyga samt för att göra efterföljande databehandling. Flygningen måste också planeras utifrån väder, vilket är problematisk inte minst för verksamheter som Smurfit Kappa som den sista varje månad ska rapportera in volymerna i lagerhögarna. En annan teknik i framkant är laserscanners. Tekniken har funnits ett tag, men börjar nu vara så pass prisvärd att den testas i väldigt många tillämpningar. Det är en av teknikerna som vi ska testa i detta projekt. Adopticum har tidigare erfarenhet från att mäta in exempelvis en stor sporthall, och detta med en noggrannhet på millimeternivå. Det faktum att utrustning för beröringsfri mätning har ökat i noggrannhet och minskat i pris är en av anledningarna till varför vi tror att det nu går att möta de krav som industrin ställer när det gäller inmätning av stora råvarulager. 3 Projektets idé Tanken med förstudien är att undersöka tre olika tekniker för beröringsfri inmätning av stora volymer utav insatsråvaror. Detta är ett område där industriparterna provat olika lösningar, men då ingen tagit utgångspunkt i industrins förutsättningar finns ingen komplett lösning som möter deras behov. En färdig lösning skulle ge de industriella aktörerna avsevärt bättre kontroll på lagervolymer, någon som idag bara kan uppskattas alternativt mätas in med långa intervall. I projektet deltar parter från olika delar av processindustrin och det kan därmed fungera som en mötesplattform där olika representanter från olika industrier kan mötas och dela sina erfarenheter. Teknik 1 Stereokameror: Flera stereokameror monteras på en mast/stativ och med hjälp av triangulering uppskattas volymen. Alternativt monteras ett flertal singelkameror och med hjälp av fotogrammetri beräknas volymen. Här är det en fördel att vi har med tre aktörer med olika material i sina högar så att vi ska få en så bra uppfattning som möjligt över teknikens möjlighet. Teknik 2 Linjescanner: Montera tre eller flera roterbara linjescannrar som på kommando kan scanna högarna. Ambitionen är som i förslag 1, automatiskt inhämtning och helt eller delvis automatisk volymberäkning. Teknik 3 Scannande totalstation Laserscanner: Använd en scannande totalstation. Utrustningen skulle behöva placeras runt högen manuellt vid tre eller fyra positioner för inhämtning av rådata. Här ligger utredningsvärdet i ett verktyg som på ett enkelt sätt låter användaren foga samman mätdata och beräkna volymen. Det finns idag två av oss kända problem: 1) Packningsgrad: Mängden material i en råvaruhög beror både på högens totala volym och på materialets packningsgrad. Packningsgraden beror på fraktionernas geometriska form, storleksfördelning, elastiska egenskaper samt hur högen har
3 (6) skapats och utsatts för mekanisk påverkan, t.ex. packning av egentyngd och maskin. 2) Snötjocklek: Snö som faller och driver påverkar formen på högen och har potential att medföra svårigheter för att göra exakta volymbestämningar med kamerateknik. Projektet kommer att resultera i ny kunskap kring hur de tre prototypmetoderna möjliggör mätning och skattning av stora högar. Adopticum kommer under förstudien att ansvara för den mättekniska kompetensen. Umeå universitet kommer att undersöka packningsgradens betydelse samt ta fram förslag till modeller för beräkning av materialmängd i råvaruhögar med given form. Luleå Tekniska universitet kommer att hjälpa till med inhämtning av scanningsdata samt utforska möjligheten att analysera högarnas sammansättning av material. För- och nackdelar med varje metod kommer att presenteras utifrån behovsägarnas krav och behov. Resultatet av metoderna kommer att sammanställas i en rapport och presenteras för behovsägare och tänkbara produktägare. 4 Potential Potentialen med optisk mätteknik är mycket hög och vi ser hela tiden nya, banbrytande mättekniker och sensorer göra sitt intåg på marknaden. Från EU-nivå har man identifierat fotonik och optisk mätteknik som ett av fem teknikområden som har en mycket central roll för innovation, ekonomisk tillväxt och konkurrenskraft i Europas ekonomi 1. Denna förstudie faller således väl samman med den teknikutveckling som präglar Europa. Att föra in användandet av detta innovativa teknikområde i konstellationen av de här representerade branscherna kommer att skapa en bra grund för framtida projekt och samarbeten som ämnar till att stärka den internationella konkurrenskraften. Vi kan konstatera att inmätning av råvaruhögar finns i många branscher varav sågverk, pappersbruk och smältverk utgör tydliga exempel. De manuella metoder som nu används är bristfälliga och samtliga behovsägare nämner även de arbetsmiljömässiga problemen som de medför. Utöver att mätningarna utförs under samtliga årstider med varierande temperatur och nederbörd, är områdena kring råvarulagren i de flesta fall att betrakta som farliga i någon omfattning. Projektet har följande resultatmål: De tre mätteknikerna ska vara utvärderade För- och nackdelar för varje teknik ska vara dokumenterad Möjligheten att kombinera dessa metoder ska vara utvärderad Lösningarnas pris, prestanda och noggrannhet ska vara klarlagda Packningsgradens inverkan på mätresultatet ska vara analyserad Möjligheten att analysera råvaruhögens beståndsdelar ska vara utredd Inom andra näringar är man intresserade av att mäta storleksfördelningen på material i stora högar. Därför kommer vi att undersöka vilka möjligheter våra teknikval har för att genomföra detta, även om det inte är ett primärt fokusområde. De slutgiltiga resultaten levereras i en slutrapport direkt till kravställarna och potentiellt även till tänkbara produktägare som underlag för vidareutveckling och framtida kommersialisering. 1 http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/ict/key_technologies/index_en.htm
4 (6) Projektet skapar förutsättningar för samarbete mellan aktörer från olika industriella grenar kring ett gemensamt problem. Det gör projektet lite unikt. Det finns därför möjligheter att inom ramen för projektet dela kunskap och erfarenheter mellan företrädare för de olika branscherna. Förhoppningen är detta är ett första steg mot att finna en lösning på ett gemensamt behov. Efter dialog med de industriella aktörerna vet vi att behovet finns i hela deras respektive bransch men också i andra industrier och långt utanför Sveriges gränser. Vår vision är att detta projekt kan vara ett första steg mot en blivande produkt med global potential. 5 Aktörer Stiftelsen Adopticum är specialiserade på optisk mätteknik i industriella miljöer och finns till i syfte att bidra till utveckling av företagen i norra Sverige. Adopticum har en gedigen erfarenhet inom området, samt av arbete inom utvecklingsprojekt. Adopticum ansvarar för: Projektledning Utvärdering av de olika mätteknikerna Dokumentation av resultaten Ta fram förslag på hur insamlad data ska hanteras och presenteras UMIT Research Lab, Umeå Universitet, bedriver bl.a. forskning kring modellering och simulering av granulära material, t.ex. grus, pellets och flis. De kommer att undersöka forskningsfrågorna: Packningsgradens betydelse Modeller för beräkning av materialmängd i råvaruhögar med given form. Luleå Tekniska Universitet är idag en av de världsledande aktörerna inom träteknisk forskning. De kommer att undersöka forskningsfrågorna: Utformning av mätning med laserscanner Anpassning av metoder och precision för automatisk generering av volymmodell Analys av råvaruhögens beståndsdelar Smurfit Kappa Kraftliner i Piteå är Europas största kraftlinerbruk. Boliden Rönnskär i Skellefteå har ett av världens effektivaste smältverk för framställning av basmetaller och är även världsledande inom återvinning av metaller ur elektronikskrot. Norra Timber Kåge såg i Kåge är ett sågverk specialiserat mot produktion av gran- och furuvaror med råvara från Norrbotten och Västerbotten. Samtliga behovsägare, Smurfit Kappa, Boliden Rönnskär samt Norra Timber Kåge såg ansvarar för att: Fungera som kravställare Fungera som testplats för tänkta lösningar Bistå i arbetet kring hur scanningsdata ska hanteras och analyseras Följa projektet under dess gång och vara Adopticum behjälpliga Resurser Organisation Funktion Sara Lindahl Adopticum Projektledare och teknisk specialist Jonas Sjöberg Adopticum Teknisk specialist med mångårig erfarenhet från mättekniska utmaningar Jonas Holmlund Adopticum Teknisk specialist Pär Swärd Smurfit Kappa Projektägare Anders Öhrvall Boliden Rönnskär Avdelningschef Strategi och planering
5 (6) Johan Oja Norra Timber Sågverkschef, Adjungerad professor i träteknik Kåge Såg Martin Servin Umeå Universitet Universitetslektor, doktor i teoretisk fysik Olle Hagman Luleå Tekniska Universitet Professor, Institutionen för teknikvetenskap och matematik 6 Genomförbarhet Projektet ställer krav på samtliga aktörers delaktighet och samverkan. Behovsägare och problemlösare ska tillsammans arbeta fram en kravspecifikation för systemet. Behovsägare ska vara problemlösare behjälpliga när fälttester ska genomföras. Projektledaren ansvarar för att projektplanen följs och för att samtliga parter är välinformerade. En dialog kommer att hållas mellan projektparterna genom hela studien för diskussion av resultat och planering av fortsatt arbete. Vid projektets avslut ska behovsägarna informeras om förstudiens uppnådda resultat och delresultat, varefter beslut kommer att fattas hur förstudien och vidare uppföljning ska fortskrida. Vi avser upprätta en dialog med potentiella produktägare under projektets gång i syftet att vidare lägga grunden för efterföljande arbete med produktion och distribuering av lösningen. Arbetspaket (AP) och beslutspunkter (BP) Tid [h] Datum Deltagare* BP1: Projektstart 2014-11-03 Genomförbarhetsstudie AP1: Kravspecifikation 44 AD, SK, BR, SK AP2: Studier kring mätteknik 1-3 40 AD AP3: Plan för referensmätning i lab och fält. 38 AD, SK, BR, SK BP2: Beslut om att fortsätta/förändra projektåtagandet 2014-11-14 AD Utveckling AP4: Forskning 124 UmU, LTU AP5: Framtagning av plan för mätning/test i lab/fält 38 AD, SK, BR, SK AP6: Mjukvarudesign och datahantering 80 AD AP7: Idrifttagning av mätutrustning och mätning i lab/kontrollerad miljö 24 AD AP8: Mätning i lab/närmiljö 40 AD BP3: Beslut om att inleda mätningar i fält 2014-12-16 AD Mätning i fält AP9: Mätning i fält nuvarande teknik 16 AD, SK, BR, SK AP10: Mätning i fält - mätteknik 1-3 380 AD, SK, BR, SK BP4: Beslut om att godkänna förstudieresultat 2015-04-03 AD Dokumentation AP11: Utvärdering av mätresultat och rapport 40 AD AP12: Planering för fortsatt arbete 40 AD BP5: Projektavslut 2015-04-30 AD, SK, BR, SK Projektledning Möten, planering, styrning och uppföljning 152 AD, SK, BR, SK Summa 1056 *)Adopticum= AD, Smurfit Kappa= SK, Boliden Rönnskär= BR, Norra Timber Kåge såg= KS, Umeå universitet = UmU; Luleå tekniska universitet = LTU
6 (6) Vår ambition är att slutföra projektet inom 6 månader, men då vi har behov av att utföra mätningar både med och utan snö kan det hända att det blir en förskjutning av tidplanen. 7 Projektets kostnader och finansiering Arbetskostnad Aktivitet Ansvarig Omfattning Timdeb Kostnad Projektarbete Adopticum 764 500 382000 Projektarbete Smurfit Kappa 48 780 37440 Projektarbete Boliden Rönnskär 48 780 37440 Projektarbete Norra Timber Kåge Såg 24 780 18720 Projektarbete Umeå Universitet 100 496 49600 Projektarbete Luleå Tekniska Universitet 72 700 50400 Hyra av linjelaser från SICK IVP Adopticum 5000 Tillhandahålla laserscanner Luleå Tekniska Universitet 6000 Tillhandahålla 2D kameror & mjukvara Adopticum 10000 Tillhandahålla Sick Ranger E55 + laser Adopticum 15000 Resor Adopticum 10000 Material, utrustning och övrigt Adopticum 3000 Summa 624600 Finansieringsbudget Aktivitet Finansiär Belopp Projektarbete Adopticum, UmU och LTU VINNOVA 482000 Resor VINNOVA 10000 Material, utrustning och övrigt VINNOVA 3000 Finansering egen tid 48h a' 780kr/h Smurfit Kappa Piteå 37440 Finansering egen tid 48h a' 780kr/h Boliden Norra Timber Rönnskär 37440 Finansering egen tid 40h a' 780kr/h Kåge Såg 18720 2D kameror och mjukvara Adopticum 10000 Sick Ranger E55 + laser Adopticum 15000 Linjelaser från SICK IVP VINNOVA 5000 Laserscanner Luleå Tekniska Universitet 6000 Summa 624600 8 Övrigt och referenser