Центр Теплофизических Исследований «термо», г. Александров. Введение. Технология выращивания кристаллов из расплава требует наличия автоматической системы управления ростовой установкой. Главная задача

Вид материала

Задача

Содержание 3.Результаты работы. 4.Преимущества технологии National Instruments.

Подобный материал:

• Урок №30 Тема: Проект «Автоматическое управление с автоматической обратной связью», 67.37kb.
• А тем, что в условиях жесткой конкуренции главная задача системы управления сбытом, 238.27kb.
• А. Л. Семенов мгу им. М. В. Ломоносова Экономический факультет Методология стратегического, 176.48kb.
• Вступление в третье тысячелетие требует от российской высшей школы модернизации системы, 65.04kb.
• Направление: Физика Тема: «Волшебный мир кристаллов» Научно, 239.25kb.
• Ответы на экзаменационные вопросы интернет-курсов интуит (intuit): 226. Параллельное, 344.49kb.
• В. П. Лега программа курса наука и религия (научная апологетика) Москва 2012 Тема Введение., 391.46kb.
• Центр прикладных научных исследований, 38.81kb.
• Центр прикладных научных исследований, 42.38kb.
• Шипиловой Елены Борисовны о деятельности оу за 2006-2007 учебный год Главная задача, 175.62kb.

A.9.O.Автоматическая система управления установкой роста кристаллов

на базе технологии National Instruments.

Гоник М.М.¹, Гоник М.А.², Цветовский В.Б.², Лобачев В.А.²


1. Московский Государственный Технический Университет им. Баумана, Москва , mark_mg@mail.ru.

2. Центр Теплофизических Исследований «ТЕРМО», г. Александров.


1. Введение.

Технология выращивания кристаллов из расплава требует наличия автоматической системы управления ростовой установкой. Главная задача такой системы заключается в поддержании в процессе роста технологических параметров, влияющих на формирование неоднородностей в растущем кристалле. Для ОТФ метода выращивания кристаллов (в условиях осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации), разработанного в ЦТИ «Термо» [1], этими параметрами являются положение и форма фронта кристаллизации, градиент температуры вблизи него, скорость роста кристалла.

Рассматриваемая автоматическая система представляет собой программно-аппаратный комплекс, который должен формировать необходимые напряжения на секциях нагревателей сопротивления, управлять приводом двигателя, выполнять измерения показаний до 30 термопар, до 20 датчиков напряжений и токов, определять перемещение и скорость подвижной части установки. Измеряемые данные должны быть переданы в компьютер, обработаны, отображены оператору и сохранены. Должно быть обеспечено автоматическое поддержание распределения температуры внутри установки и регулирование величин некоторых напряжений.

Автоматическая система управления является неотъемлемой частью общей технологии выращивания кристаллов методом ОТФ. Качество получаемого монокристалла в значительной степени зависит от качества управления температурными режимами.

Для реализации рассматриваемого программно-аппаратного комплекса была выбрана за основу технология виртуальных инструментов [2], представляющую комбинацию среды графического программирования Labview [3] от компании National Instruments и плат ввода-вывода. Широкая библиотека программных модулей в Labview должна была позволить быстро организовать работу с используемым оборудованием и реализовать необходимые алгоритмические задачи.




2. Оборудование.

Аппаратный комплекс состоит из измерительного и исполнительного оборудования, ориентированного на компьютерное управление программными средствами Labview.

Н
Рисунок 1. Аппаратный комплекс системы управления.
апряжения на нагревателях формируются при помощи блоков управления тиристорами. Для подачи необходимого напряжения открытия тиристорных блоков была выбрана PCI плата аналогового вывода NI 6703 от National Instruments.

Зависимость напряжения на нагревателе от напряжения открытия тиристора является нелинейной и априори неизвестна. Система управления позволяет проводить определение градуировочной характеристики каждого тиристора и использование её для формирования нужного напряжения на соответствующем нагревателе.

Измерения температур, напряжений, токов выполняются системой сбора данных и коммутации HP34970A. Система производит измерения автономно и сохраняет результаты в энергонезависимую память для передачи их в компьютер по интерфейсам GPIB и RS-232.

Система HP34970 позволяет проводить подробную конфигурацию каждого канала и настраивать режимы сканирования, как в ручном режиме, так и в автоматическом, посредством дистанционного управления. Такое управление реализуется за счет поддержки прибором языка программирования SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments).

Для соединения компьютера с HP34970 по интерфейсу GPIB в нашей системе используется плата преобразования интерфейс GPIB в PCI от National Instruments и устройство преобразования в интерфейс USB, которое так же производится этой компанией. Использование соединения по интерфейсу USB делает систему мобильной и не требует специальных мероприятий с компьютером для её интеграции. Соединение по интерфейсу RS-232 представляет собой самый дешевый способ коммуникации с прибором, однако он значительно уступает GPIB в скорости передачи данных и требует работы в режиме постоянного опроса энергонезависимой памяти со стороны компьютера.

Подвижная часть установки (тигель) перемещается вертикально с помощью двигателя c управляемым приводом. Привод соединяется с компьютером по интерфейсу RS232. Автоматическая система должна обеспечивать режимы вращения привода согласно требуемым линейным перемещению и скорости движения тигля. Система должна осуществлять и обратную задачу - измерять текущие величины этих параметров во время функционирования по показателям вращения двигателя.

О


Рисунок 2. Программный комплекс системы управления.
писанное оборудование включалось в аппаратный комплекс последовательно, и программное обеспечение, разрабатывавшееся в Labview, расширялось вместе с интегрируемыми в систему управления новыми устройствами. Модификация программного обеспечения не вызывала трудностей в виду модульности построения программного кода в Labview и взаимозаменяемости его частей.


3.Результаты работы.

В результате в среде Labview разработан программный комплекс, реализующий все необходимые задачи для системы управления ростовой установкой (рис. 2).

Выполнение программного обеспечения организовано в нескольких параллельных потоках. Механизм создания потоков в Labview максимально прост и реализуется с помощью структур While Loop. В отличие от традиционных текстовых языков программирования в Labview не требуется написания кода непосредственно для создания и управления потоками.

В
Рисунок 3.

Цикл чтения и первичной обработки измеряемых данных.
отдельном потоке выполняются задачи коммуникации, конфигурирования, управления сканированием и чтение измеряемых данных из энергонезависимой памяти HP34970. Программирование в Labview управления этим прибором реализуется достаточно просто в силу наличии большой библиотеки программных модулей поставляемой производителем этого оборудования. Данная библиотека включает в себя множество процедур для работы с прибором, начиная инициализацией прибора и заканчивая преобразованием строки измеренных данных в численный массив. Данные модули просты в применении и легко модифицируемы. На рисунке 3 представлен фрагмент кода в Labview, реализующий циклическое чтение и первичную обработку измеренных данных с помощью рассматриваемых модулей управления прибором HP34970.

А

лгоритм динамического управления частотой опроса прибора был без затруднений реализован в версии Labview 7.1 с помощью структуры Timed Loop [4]. Данная структура так же удобна для организации пользовательского управления циклами сканирования.

Код программы написан с применением технологии обработки событий Events [4]. Структура Events позволяет реализовать пользовательский и динамический вызов необходимых процедур и функций. Этим способом вызываются процедуры обработки данных для графического отображения и сохранения измерений, выполняемых в параллельном потоке. Главная задача здесь заключается в формировании массива истории измерения с временными отсечками, отображении их на графике XYGraph и сохранения в файл.

Другая вызываемая в отдельном потоке процедура реализует алгоритмов цифрового регулирования выбираемых параметров. В Labview существует библиотека функции типовых цифровых регуляторов, однако нами были использованы свои алгоритмы с помощью структуры Formula Node [3]. Измеряемые данные для регулирования подвергаются фильтрации с помощью функции Labview Median Filter PtByPt.vi .

Для формирования необходимых напряжений на нагревателе вызываются процедуры управления тиристорными блоками (рис.4). Управление платой ЦАП NI 6703 легко реализуется с помощью использования библиотеки NI DAQ . Определение необходимого значения подаваемого напряжения на каждый тиристорный блок рассчитывается согласно его калибровочной характеристике с помощью инструмента General Polynomial Fit.vi . Калибровка тиристорных блоков выполняется предварительно. Для этого программа набирает массив входных и выходных напряжений тиристора и аппроксимирует полученную зависимость полиномиальной функцией с помощью инструмента 1D Polynomial E
Рисунок 4. Модуль формирования напряжения на нагревателе
valuation PtByPt.vi.




У

правление приводом осуществляется посредством использования динамической библиотеки функций работы с ним, поставляемой производителем. Библиотека содержит функции коммуникации с приводом по интерфейсу RS-232, чтения и записи параметров вращения двигателя. Использование рассматриваемой библиотеки dll представляет собой задачу подключения внешнего кода и реализуется с помошью структуры Call Library Function Node.

Задачи сохранения и чтения файла конфигурации программы реализуются с помощью использования функций класса VI Server (рис.5).

4.Преимущества технологии National Instruments.

П
Рисунок 5. Использование класса VI Server
рименение технологии National Instruments позволило создать систему управления, имеющую возможность быстрого изменения и дополнения, как аппаратной, так и программной составляющих. Данная особенность крайне важна и полезна в условиях экспериментальных исследований.

Наличие широкой функциональной программной библиотеки в Labview сокращает время написания программы. Модульность, схематичность и наглядность кода Labview позволяет быстро понимать его разработчикам. Методы динамического управления выполнением программы, входящие в состав последних версий Labview, позволяют реализовать сложные программные алгоритмы. Возможность быстрой интеграции практически любого оборудования делает Labview сильным инструментом в руках инженера.

Наличие в Labview библиотеки NI IMAQ [5] делает возможным развитие созданной системы управления для реализации задачи управления температурными режимами внутри установки по результатам видеонаблюдений за формой кристалла [6].

5.Литература

1. Golyshev V.D and Gonik M.A. A temperature field investigation in case of crystal growth from the melt with a plane interface on exact determined thermal conditions.// Crystal properties and Preparation: 1991, Vol.36-38, P.623
   
2. Олег Чутко. Технология виртуальных приборов. ссылка скрытаworldwide/ russia
   
3. Джеффри Тревис.Labview для всех, ДМК,2003
   
4. Материалы сайта ссылка скрыта в переводе Майка Манжелия на сайте ссылка скрыта
   
5. T.Klinger.Image Processing with LabVIEW and IMAQ Vision, Prentice Hall PTR, 2003.
   
6. Gonik M.M. Gonik M.A. Application of visualization technique for study and control of heat and mass transfer in crystal growth, The Intern. Conf.” Single crystal and their application in the XXI century-2004”, VNIISIMS, Aleksandrov, p.139-140.