Распределенная система управления установкой выращивания монокристаллов

Лаборатория роста кристаллов Института геологии и минералогии СО РАН занимается исследованием и производством кристаллов для лазерной техники, нелинейной и акустооптики, кристаллов для инфракрасного диапазона. Лаборатория проводит работы в области создания оборудования для автоматизации ростовых процессов. Разработаны несколько версий распределенной системы управления (СУ) установками выращивания с использованием как серийно выпускаемых модулей, так и специализированных контроллеров собственного производства. Сотрудники лаборатории имеют опыт создания микропроцессорной и силовой РЭА в области АСУ ТП, высокотемпературных нагревательных узлов и печей с управляемой симметрией теплового поля, другого подобного оборудования.

Лаборатория реализует совместные проекты с российскими предприятиями и зарубежными партнерами в научной и технологической областях. В частности, совместно с французской фирмой «Кристалл Лазер» получены самые большие в мире кристаллы LBO высокого качества. В рамках этого проекта использованы разработанные в лаборатории специальные многосекторные ростовые печи с управляемой симметрией теплового поля, контроллеры приводов вращения и перемещения кристалла, контроллер управления тепловым полем. В настоящее время адаптируется полная версия СУ с весовым контролем.

Рассматриваемая СУ предназначена для использования в установках с омическим нагревом и массой выращиваемых кристаллов до нескольких килограммов.

Описание системы

Для построения СУ выбран принцип открытой распределенной системы. Предлагаемая СУ представляет собой сложную многоконтурную систему с числом переменных, соизмеримым с числом переменных АСУ ТП небольшого цеха.

СУ состоит из функционально законченных элементов с общей последовательной шиной. Ее основу составляет недорогой PC-контроллер I-7188EG со встроенной целевой системой ISaGRAF. Программы управления технологическим процессом разрабатываются с использованием языков стандарта МЭК 61131-3. В качестве элементов СУ используются модули серии I-7000 фирмы ICP DAS и модули собственной разработки, совместимые с этой серией. На нижнем уровне контроллер и модули объединены в полудуплексную сеть RS-485. Для горизонтальной и вертикальной связи с верхним уровнем используется Ethernet.

Подобная организация СУ обладает такими важными качествами, как гибкость, возможность перенастройки и трансформации, способность к глубокой модернизации и развитию.

Термопарные модули I-7011D, силовые блоки TE10A и два канала цифро-аналогового преобразователя выходного сигнала I-7024 образуют прецизионные терморегуляторы для верхней и нижней зон ростовой печи. Шинный повторитель I-7510 обеспечивает дополнительную изоляцию между аналоговой частью и цифровым интерфейсом.

Датчик веса кристалла реализован с использованием механизма уравновешивания ф. Mettler и аналогоцифрового преобразователя I-7012.

Модуль I-7005 выполняет функции датчика контакта кристалл-расплав.

SCADA-система InduSoft Web Studio, установленная на Host-компьютере, взаимодействует с ISaGRAF-программой технологического контроллера I-7188EG и выполняет роль человеко-машинного интерфейса.

Схема проекта

Отзыв разработчика о применении оборудования ISP DAS:

• Наличие удобного контроллера I-7188EG со встроенной системой ISaGRAF. Контроллер недорогой, компактный, достаточно мощный, чтобы обеспечить потребности одной установки на 300…500 переменных.
• Широкая номенклатура модулей, позволяющая строить СУ с минимальным числом приборов других фирм.
• Невысокая стоимость. Стоимость оборудования СУ ненамного дороже прежнего, а функциональные возможности существенно шире.
• Модули имеют встроенные аппаратные и программные средства защиты, для повышения надежности возможно дублирование основных функций СУ. 

 Оборудование ICP DAS

• Контроллер I-7188EG со встроенной системой ISaGRAF;
• Модули аналогового ввода-вывода I-7011D, I-7024, I-7012, I-7005;
• Повторитель интерфейса RS-485 – I-7510.