eng
Выпуск #5/2016
Л.Колесник, С.Сидорова
Реализация удаленного доступа к технологическому комплексу формирования островковых тонких пленок
Реализация удаленного доступа к технологическому комплексу формирования островковых тонких пленок
Просмотры: 3417
Разработана оригинальная методика обеспечения удаленного доступа к технологическому оборудованию. Предложенные методы позволяют контролировать технологические процессы, управлять оборудованием с использованием сетевых технологий и обеспечить при необходимости работу установки без участия оператора.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.67.5.74.84
DOI:10.22184/1993-8578.2016.67.5.74.84
Теги: automatic control system islet thin films remote access server автоматизированное управление островковые тонкие пленки сервер удаленного доступа
Появление новых технологий обмена данными предоставляет возможность выработки новых подходов в создании систем управления технологическим оборудованием. Классическая система управления позволяет с требуемой степенью автоматизации управлять проведением технологического процесса. При этом оператор или программирует поведение универсального оборудования под конкретную технологическую задачу, или запускает "зашитую" на заводе программу для специального оборудования. Как правило, в этом случае необходимо присутствие человека рядом с оборудованием для его наладки и контроля работы.
Однако, в настоящее время существует целый ряд задач, когда присутствие оператора рядом с оборудованием нежелательно или нецелесообразно. Это может быть связано с вопросами производственной гигиены, наличия вредных факторов производства, проведения экспериментальных иcследований на уникальном оборудовании или обучения персонала. Все эти задачи могут быть решены путем организации дистанционного доступа к технологическому оборудованию.
Дистанционный доступ, с одной стороны, позволяет убрать человека из зоны, где его присутствие нежелательно или опасно, а с другой стороны, дает возможность расширить круг потенциальных пользователей парка уникального научного оборудования, приобретение которого в постоянное владение невозможно или нецелесообразно.
В данной статье описывается система удаленного доступа к оборудованию, созданная на кафедре электронных технологий в машиностроении МГТУ им. Н.Э.Баумана в ходе выполнения государственного контракта № 16.647.12.2018 от 25 ноября 2010 года. Удаленный доступ реализован для вакуумной модульной установки нанесения островковых тонких пленок [1].
Практическая ценность работы состоит в том, что удаленный доступ позволяет пользователю, не имеющему больших вычислительных мощностей и технических возможностей, проводить эксперименты по формированию островковых тонких пленок и наноструктур с любого компьютера, имеющего доступ в Интернет.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В ходе экспертного анализа ситуации в области проектирования и использования комплексов удаленного доступа к лабораторному оборудованию было установлено, что наиболее развито направление, связанное с обеспечением удаленного доступа к измерительным средствам – различного рода микроскопам. Особенностью обеспечения удаленного доступа к средствам измерения является интеграция разработанного производителем специализированного программного обеспечения с модулем удаленного доступа через каналы локальных сетей и Интернет, а также взаимосвязь с учебно-методическими материалами, позволяющими использовать такие комплексы в образовательном процессе.
Удаленный доступ к другому исследовательскому оборудованию, в частности к вакуумным технологическим установкам, на момент начала работ реализован не был, поэтому в ходе выполнения проекта необходимо было решить следующие задачи:
логически разбить оборудование на подсистемы: технологическую, энергообеспечения, сервисную;
проработать и формализовать алгоритмы выполнения технологических процессов;
разработать систему управления, обеспечивающую возможность полного контроля и управления всеми подсистемами оборудования, включая силовую электронику;
разработать специализированное программное обеспечение, позволяющее пользователю подключаться к системе управления через каналы связи для контроля и управления проводимыми процессами;
разработать интерфейс пользователя, обеспечивающий наглядность и простоту, с одной стороны, и полный контроль над оборудованием, с другой стороны.
Все перечисленные задачи были успешно решены.
УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ КОМПЛЕКС
В ходе выполнения работ был создан интерактивный учебно-научный комплекс [1–3] – универсальное решение с функциями удаленного доступа к оборудованию. Технически комплекс состоит из установки для формирования островковых тонких пленок и наноструктур, системы автоматического управления и информационного модуля, обеспечивающего информационную среду для проведения обучения и исследований процессов формирования покрытий через каналы удаленного доступа.
Модель реализации удаленного доступа представлена на рис.1.
Комплекс состоит из следующих основных компонентов:
модульной установки нанесения островковых тонкопленочных покрытий;
аппаратного комплекса, обеспечивающего функции системы автоматического управления установкой и сопряжение ее с программным обеспечением для организации удаленного доступа;
специализированных программных средств для обеспечения доступа к оборудованию через Интернет.
Функциональный состав учебного комплекса обеспечивает основные методы формирования тонкопленочных наноструктурированных покрытий: термическое испарение, магнетронное распыление, дуговой разряд и газофазное осаждение.
Вакуумная установка для формирования тонкопленочных покрытий состоит из следующих основных элементов [1]:
вакуумной подсистемы, включающей вакуумную камеру и средства обеспечения вакуума;
системы для закрепления образцов внутри вакуумной камеры;
системы подачи рабочих газов для формирования необходимой технологической среды;
технологической системы, состоящей из источников материалов, используемых для формирования покрытий, и блоков питания источников;
энергетической системы для питания установки.
Каждая из указанных подсистем является логически законченной и может быть объектом управления независимо от других. Однако, при автоматизации необходимо учитывать ограничения, которые являются начальными условиями для запуска и остановки технологических процессов. Например, нельзя начинать откачку, если на вакуумную камеру не установлены все необходимые фланцы.
Несмотря на то что в работе [4] для формирования островковых тонких пленок в результате проведенного анализа выбраны методы термического испарения и магнетронного распыления, разработанный учебно-научный комплекс позволяет реализовать четыре основных технологических метода: термическое испарение, магнетронное распыление, дуговое испарение и газофазное осаждение. Каждый из этих технологических методов при проведении процесса нанесения покрытия выполняется по одинаковому алгоритму:
установить образец на подложкодержатель после чего поставить последний в камеру;
установить необходимый технологический источник;
откачать вакуумную камеру до предельного давления, обеспечиваемого вакуумной системой установки;
включить подачу рабочего газа и установить давление в камере в соответствии с требованиями технологии;
включить источник материала и вывести его на режим;
открыть заслонку;
провести процесс формирования покрытия, контролируя его параметры в процессе нанесения;
закрыть заслонку;
выключить источник;
отключить газовую и вакуумную системы;
напустить атмосферу в камеру;
снять подложкодержатель и извлечь образец с нанесенным покрытием.
Общность алгоритма формирования покрытия позволила упростить систему управления. Для разных методов формирования покрытия отличия состоят только в реализации подсистемы управления блоками питания технологических источников. Каждый технологический источник имеет свой блок питания и управления, который отвечает за связь пользователя с системой управления, одновременно являясь связующим звеном между контроллером и технологическим источником.
Следует отметить, что некоторые операции, такие как установка образца, подложкодержателя и источника, не могут быть выполнены в автоматическом режиме и требуют участия оператора. В рамках выполняемой работы это не представляет проблемы, а для промышленного оборудования может быть решено использованием автоматических загрузочных систем.
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Система управления установкой реализована на базе промышленного контроллера, особенностью которого является наличие интерфейса для включения в локальную вычислительную сеть с передачей данных по протоколу TCP/IP. Обмен данными с контроллером может быть осуществлен по промышленному протоколу MODBUS.
Система управления полностью автоматизирует работу вакуумной подсистемы. Для запуска откачки оператору достаточно дать команду и дождаться достижения предельного давления. Однако при необходимости процесс откачки может быть выполнен в ручном режиме. В этом случае оператор дает команды на включение насосов и открытие или закрытие клапанов по мере необходимости.
Поскольку основным назначением установки является проведение экспериментальных исследований или лабораторных работ, процесс формирования покрытия не автоматизировался. Эти работы имеет смысл выполнять только для промышленного оборудования, когда технология является отработанной и требуется воспроизводимость получаемых покрытий от образца к образцу. Таким образом, в нашем случае формирование покрытия полностью контролируется оператором-лаборантом в полуавтоматическом режиме. Оператор может задать требуемое давление в вакуумной камере или поток подаваемого газа, установить напряжение на источниках или требуемое значение тока. Поддержание заданных значений возьмет на себя система управления.
Одной из важных функций системы управления является контроль правильности действий оператора. Например, система управления не позволит установить такое значение потока рабочего газа, которое приведет к повышению давления в вакуумной камере выше рабочего давления турбомолекулярного насоса. С одной стороны, это обеспечивает защиту оборудования от выхода из строя из-за неправильных действий, а с другой стороны, при выдаче предупреждающих сообщений может использоваться для обучения правильным приемам работы с оборудованием.
Кроме того, система управления реализует функцию аварийного останова, которая обеспечивает гарантированно безопасный режим выключения оборудования, предотвращающий его выход из строя.
СЕРВЕР УДАЛЕННОГО ДОСТУПА
Для обеспечения удаленного доступа к оборудованию была разработана специальная программа – сервер удаленного доступа. Общая схема организации удаленного доступа представлена на рис.2. Система автоматического управления вакуумной установкой подключается к системе удаленного доступа через драйвер сопряжения [1, 2]. Последний является промежуточным звеном между оборудованием и сервером удаленного доступа. Он имеет четкую спецификацию форматов контролируемых и управляющих сигналов, через которые взаимодействует с системой удаленного доступа. Реализация взаимодействия с системой автоматического управления скрыта внутри драйвера.
Такое решение позволяет подключать фактически любое технологическое оборудование с системой управления, написав к ней драйвер, соответствующий спецификации системы удаленного доступа, без изменения функционала программной части комплекса. В качестве установки может выступать и виртуальный симулятор оборудования, который так же подключается через аналогичный драйвер. Виртуальный симулятор позволяет полностью имитировать работу, создавая у пользователя ощущение, будто он работает с реальным оборудованием. Этот вариант не требует присутствия оператора, позволяет одновременно проводить несколько виртуальных экспериментов и может использоваться для учебных целей.
При работе с оборудованием как в режиме удаленного доступа в реальном масштабе времени, так и в режиме виртуального симулятора реализуются общие методики и алгоритмы за исключением выполняемых вручную операций, например, установки подложки. Для таких операций симулятор просто дает сигнал о готовности оборудования к работе.
Фактически к серверу удаленного доступа можно подключить требуемое количество виртуальных симуляторов или установок. Их количество определяется мощностью вычислительных средств и канала передачи данных.
Сервер удаленного доступа, с одной стороны, взаимодействует с оборудованием через драйверы сопряжения, а с другой стороны, принимает подключения клиентов из внешней сети. В данной работе использован двухуровневый подход к созданию системы коллективного доступа к ресурсам лаборатории. Первый уровень – доступ к оборудованию виртуальной лаборатории через локальную сеть университета, второй – через Интернет.
Учебно-научный комплекс может работать в трех режимах: в режиме директивного управления, удаленного доступа в реальном масштабе времени и в режиме виртуального симулятора.
В режиме директивного управления пользователь находится непосредственно перед установкой, самостоятельно производя все действия. В этом случае алгоритм и методика взаимодействия с учебно-научным комплексом ничем не отличается от работы с любым другим технологическим оборудованием.
В режиме удаленного доступа в реальном масштабе времени пользователь управляет установкой через локальную вычислительную сеть или Интернет. В этом случае около установки требуется присутствие оператора для выполнения "ручных" операций. При возникновении внештатных ситуаций или потери связи с пользователем оператор может перевести установку в директивный режим управления.
Если в режиме директивного управления пользователь имеет возможность использовать элементы управления, расположенные непосредственно на блоках питания, то в режиме удаленного доступа все действия осуществляются только через персональный компьютер с установленным программным обеспечением. Любая команда, полученная удаленно, обрабатывается в системе управления, проверяется на предмет корректности действия и передается в соответствующую подсистему установки.
В режиме виртуального симулятора, как отмечено выше, пользователь работает с имитатором установки и наличие оператора не требуется. Для проведения виртуального эксперимента возможно подключение нескольких пользователей.
При работе в режиме удаленного доступа подключения осуществляются без использования веб-сервера, напрямую к серверу удаленного доступа. Для подключения необходимо использовать специальную программу – "тонкий клиент". Такое решение позволяет уменьшить время отклика сервера и обеспечивает наиболее приближенное к реальному режиму управление оборудованием. Термин "тонкий клиент" означает, что вся логика работы перенесена на программу-сервер (по такому принципу строятся все веб-браузеры).
После подключения сервер передает программе-клиенту описание доступных сигналов для контроля и управления оборудованием, причем каждый сигнал связан с описанием типового элемента отображения или управления. Для сигналов контроля это могут быть числовые или стрелочные индикаторы, дисплеи, световые индикаторы. Для сигналов управления используются кнопки, панели ввода числовых данных или имитаторы элементов управления типа ползунков или ручек регулировки. Все элементы управления имеют физические аналоги, используемые при создании реальных панелей управления оборудованием. Это способствует интуитивному пониманию интерфейса.
Перенос процесса формирования интерфейса пользователя на серверную часть позволяет использовать общую клиентскую программу для различных типов оборудования. Кроме того, при модификации сервера интерфейс для всех пользователей, использующих данное оборудование, обновится автоматически. Точно так же реализован принцип формирования веб-страниц в Интернете: изменения, произведенные на сервере, становятся доступны всем пользователям независимо от того, какой клиентской программой они пользуются.
ИНТЕРФЕЙС
Программный интерфейс учебно-научного комплекса дает возможность клиенту проводить эксперименты по исследованию процесса формирования тонкопленочных покрытий (в том числе и островковых наноструктур). Сервер удаленного доступа настроен для совместного использования с технологической вакуумной модульной системой.
Логически интерфейс пользователя разбит на три блока (закладки): управление подготовкой установки к проведению эксперимента, управление системой откачки и управление технологическими источниками.
Интерфейс подготовки к проведению эксперимента позволяет отдавать команды на установку подложки на подложкодержатель, подложкодержателя в камеру, выбор технологического источника и его установку.
Интерфейс управления вакуумной системой позволяет включать процесс откачки, включать и регулировать подачу рабочего газа и контролировать давление в вакуумной камере. Для наглядности процесса откачки на экране отображается мнемосхема вакуумной системы, на которой цветами показываются включенные элементы, а также задействованные вакуумные магистрали. Интерфейс окна управления вакуумной системой представлен на рис.3.
Интерфейс управления технологической подсистемой позволяет управлять включением источника материала, регулировать его параметры, а также управлять заслонкой, отсекающей поток материала к подложке от источника. Для контроля процесса роста островковых тонких пленок имеется окно индикации туннельного тока, возникающего в наносимом покрытии. Это позволяет в процессе нанесения контролировать толщину покрытия, размеры островков и степень заполнения поверхности. Интерфейс окна управления технологической подсистемой представлен на рис.4.
ВЫВОДЫ
В ходе выполнения проекта разработана оригинальная методика обеспечения удаленного доступа к технологическому оборудованию. Предложенные методы позволяют контролировать технологические процессы и управлять оборудованием с использованием сетевых технологий, обеспечить при необходимости работу установки без участия оператора.
Разработанный учебно-научный комплекс может применяться не только для обучения студентов, но и для исследований и разработки технологий. Возможны обучение и демонстрация четырех наиболее распространенных методов формирования наноструктурированных покрытий в вакууме, а также отработка технологии и подбор режимов для существующих методов без потерь для производства.
ЛИТЕРАТУРА
Панфилов Ю.В., Сидорова С.В., Колесник Л.Л., Моисеев К.М. Интерактивный учебно-методический нанотехнологический комплекс // Вакуумная техника, материалы и технология: Материалы VI международной научно-технической конференции. – М., 2011. С. 181–184.
Панфилов Ю.В., Колесник Л.Л., Моисеев К.М., Сидорова С.В., Евлампьев А.Н. Вакуумная установка настольного типа для обучения студентов и проведения научных исследований // Вакуумная наука и техника. 2012. Т. 22. № 2. С. 119–122.
Колесник Л.Л. Реализация удаленного доступа к технологическому оборудованию на примере создания научно-учебного комплекса для изучения процессов формирования тонкопленочных покрытий // Наноинженерия. 2013. № 12. С. 31–37.
Сидорова С., Колесник Л. Моделирование процесса формирования островковых тонких пленок // Наноиндустрия. 2016. № 3. 2016. С. 64–71.
Однако, в настоящее время существует целый ряд задач, когда присутствие оператора рядом с оборудованием нежелательно или нецелесообразно. Это может быть связано с вопросами производственной гигиены, наличия вредных факторов производства, проведения экспериментальных иcследований на уникальном оборудовании или обучения персонала. Все эти задачи могут быть решены путем организации дистанционного доступа к технологическому оборудованию.
Дистанционный доступ, с одной стороны, позволяет убрать человека из зоны, где его присутствие нежелательно или опасно, а с другой стороны, дает возможность расширить круг потенциальных пользователей парка уникального научного оборудования, приобретение которого в постоянное владение невозможно или нецелесообразно.
В данной статье описывается система удаленного доступа к оборудованию, созданная на кафедре электронных технологий в машиностроении МГТУ им. Н.Э.Баумана в ходе выполнения государственного контракта № 16.647.12.2018 от 25 ноября 2010 года. Удаленный доступ реализован для вакуумной модульной установки нанесения островковых тонких пленок [1].
Практическая ценность работы состоит в том, что удаленный доступ позволяет пользователю, не имеющему больших вычислительных мощностей и технических возможностей, проводить эксперименты по формированию островковых тонких пленок и наноструктур с любого компьютера, имеющего доступ в Интернет.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В ходе экспертного анализа ситуации в области проектирования и использования комплексов удаленного доступа к лабораторному оборудованию было установлено, что наиболее развито направление, связанное с обеспечением удаленного доступа к измерительным средствам – различного рода микроскопам. Особенностью обеспечения удаленного доступа к средствам измерения является интеграция разработанного производителем специализированного программного обеспечения с модулем удаленного доступа через каналы локальных сетей и Интернет, а также взаимосвязь с учебно-методическими материалами, позволяющими использовать такие комплексы в образовательном процессе.
Удаленный доступ к другому исследовательскому оборудованию, в частности к вакуумным технологическим установкам, на момент начала работ реализован не был, поэтому в ходе выполнения проекта необходимо было решить следующие задачи:
логически разбить оборудование на подсистемы: технологическую, энергообеспечения, сервисную;
проработать и формализовать алгоритмы выполнения технологических процессов;
разработать систему управления, обеспечивающую возможность полного контроля и управления всеми подсистемами оборудования, включая силовую электронику;
разработать специализированное программное обеспечение, позволяющее пользователю подключаться к системе управления через каналы связи для контроля и управления проводимыми процессами;
разработать интерфейс пользователя, обеспечивающий наглядность и простоту, с одной стороны, и полный контроль над оборудованием, с другой стороны.
Все перечисленные задачи были успешно решены.
УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ КОМПЛЕКС
В ходе выполнения работ был создан интерактивный учебно-научный комплекс [1–3] – универсальное решение с функциями удаленного доступа к оборудованию. Технически комплекс состоит из установки для формирования островковых тонких пленок и наноструктур, системы автоматического управления и информационного модуля, обеспечивающего информационную среду для проведения обучения и исследований процессов формирования покрытий через каналы удаленного доступа.
Модель реализации удаленного доступа представлена на рис.1.
Комплекс состоит из следующих основных компонентов:
модульной установки нанесения островковых тонкопленочных покрытий;
аппаратного комплекса, обеспечивающего функции системы автоматического управления установкой и сопряжение ее с программным обеспечением для организации удаленного доступа;
специализированных программных средств для обеспечения доступа к оборудованию через Интернет.
Функциональный состав учебного комплекса обеспечивает основные методы формирования тонкопленочных наноструктурированных покрытий: термическое испарение, магнетронное распыление, дуговой разряд и газофазное осаждение.
Вакуумная установка для формирования тонкопленочных покрытий состоит из следующих основных элементов [1]:
вакуумной подсистемы, включающей вакуумную камеру и средства обеспечения вакуума;
системы для закрепления образцов внутри вакуумной камеры;
системы подачи рабочих газов для формирования необходимой технологической среды;
технологической системы, состоящей из источников материалов, используемых для формирования покрытий, и блоков питания источников;
энергетической системы для питания установки.
Каждая из указанных подсистем является логически законченной и может быть объектом управления независимо от других. Однако, при автоматизации необходимо учитывать ограничения, которые являются начальными условиями для запуска и остановки технологических процессов. Например, нельзя начинать откачку, если на вакуумную камеру не установлены все необходимые фланцы.
Несмотря на то что в работе [4] для формирования островковых тонких пленок в результате проведенного анализа выбраны методы термического испарения и магнетронного распыления, разработанный учебно-научный комплекс позволяет реализовать четыре основных технологических метода: термическое испарение, магнетронное распыление, дуговое испарение и газофазное осаждение. Каждый из этих технологических методов при проведении процесса нанесения покрытия выполняется по одинаковому алгоритму:
установить образец на подложкодержатель после чего поставить последний в камеру;
установить необходимый технологический источник;
откачать вакуумную камеру до предельного давления, обеспечиваемого вакуумной системой установки;
включить подачу рабочего газа и установить давление в камере в соответствии с требованиями технологии;
включить источник материала и вывести его на режим;
открыть заслонку;
провести процесс формирования покрытия, контролируя его параметры в процессе нанесения;
закрыть заслонку;
выключить источник;
отключить газовую и вакуумную системы;
напустить атмосферу в камеру;
снять подложкодержатель и извлечь образец с нанесенным покрытием.
Общность алгоритма формирования покрытия позволила упростить систему управления. Для разных методов формирования покрытия отличия состоят только в реализации подсистемы управления блоками питания технологических источников. Каждый технологический источник имеет свой блок питания и управления, который отвечает за связь пользователя с системой управления, одновременно являясь связующим звеном между контроллером и технологическим источником.
Следует отметить, что некоторые операции, такие как установка образца, подложкодержателя и источника, не могут быть выполнены в автоматическом режиме и требуют участия оператора. В рамках выполняемой работы это не представляет проблемы, а для промышленного оборудования может быть решено использованием автоматических загрузочных систем.
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Система управления установкой реализована на базе промышленного контроллера, особенностью которого является наличие интерфейса для включения в локальную вычислительную сеть с передачей данных по протоколу TCP/IP. Обмен данными с контроллером может быть осуществлен по промышленному протоколу MODBUS.
Система управления полностью автоматизирует работу вакуумной подсистемы. Для запуска откачки оператору достаточно дать команду и дождаться достижения предельного давления. Однако при необходимости процесс откачки может быть выполнен в ручном режиме. В этом случае оператор дает команды на включение насосов и открытие или закрытие клапанов по мере необходимости.
Поскольку основным назначением установки является проведение экспериментальных исследований или лабораторных работ, процесс формирования покрытия не автоматизировался. Эти работы имеет смысл выполнять только для промышленного оборудования, когда технология является отработанной и требуется воспроизводимость получаемых покрытий от образца к образцу. Таким образом, в нашем случае формирование покрытия полностью контролируется оператором-лаборантом в полуавтоматическом режиме. Оператор может задать требуемое давление в вакуумной камере или поток подаваемого газа, установить напряжение на источниках или требуемое значение тока. Поддержание заданных значений возьмет на себя система управления.
Одной из важных функций системы управления является контроль правильности действий оператора. Например, система управления не позволит установить такое значение потока рабочего газа, которое приведет к повышению давления в вакуумной камере выше рабочего давления турбомолекулярного насоса. С одной стороны, это обеспечивает защиту оборудования от выхода из строя из-за неправильных действий, а с другой стороны, при выдаче предупреждающих сообщений может использоваться для обучения правильным приемам работы с оборудованием.
Кроме того, система управления реализует функцию аварийного останова, которая обеспечивает гарантированно безопасный режим выключения оборудования, предотвращающий его выход из строя.
СЕРВЕР УДАЛЕННОГО ДОСТУПА
Для обеспечения удаленного доступа к оборудованию была разработана специальная программа – сервер удаленного доступа. Общая схема организации удаленного доступа представлена на рис.2. Система автоматического управления вакуумной установкой подключается к системе удаленного доступа через драйвер сопряжения [1, 2]. Последний является промежуточным звеном между оборудованием и сервером удаленного доступа. Он имеет четкую спецификацию форматов контролируемых и управляющих сигналов, через которые взаимодействует с системой удаленного доступа. Реализация взаимодействия с системой автоматического управления скрыта внутри драйвера.
Такое решение позволяет подключать фактически любое технологическое оборудование с системой управления, написав к ней драйвер, соответствующий спецификации системы удаленного доступа, без изменения функционала программной части комплекса. В качестве установки может выступать и виртуальный симулятор оборудования, который так же подключается через аналогичный драйвер. Виртуальный симулятор позволяет полностью имитировать работу, создавая у пользователя ощущение, будто он работает с реальным оборудованием. Этот вариант не требует присутствия оператора, позволяет одновременно проводить несколько виртуальных экспериментов и может использоваться для учебных целей.
При работе с оборудованием как в режиме удаленного доступа в реальном масштабе времени, так и в режиме виртуального симулятора реализуются общие методики и алгоритмы за исключением выполняемых вручную операций, например, установки подложки. Для таких операций симулятор просто дает сигнал о готовности оборудования к работе.
Фактически к серверу удаленного доступа можно подключить требуемое количество виртуальных симуляторов или установок. Их количество определяется мощностью вычислительных средств и канала передачи данных.
Сервер удаленного доступа, с одной стороны, взаимодействует с оборудованием через драйверы сопряжения, а с другой стороны, принимает подключения клиентов из внешней сети. В данной работе использован двухуровневый подход к созданию системы коллективного доступа к ресурсам лаборатории. Первый уровень – доступ к оборудованию виртуальной лаборатории через локальную сеть университета, второй – через Интернет.
Учебно-научный комплекс может работать в трех режимах: в режиме директивного управления, удаленного доступа в реальном масштабе времени и в режиме виртуального симулятора.
В режиме директивного управления пользователь находится непосредственно перед установкой, самостоятельно производя все действия. В этом случае алгоритм и методика взаимодействия с учебно-научным комплексом ничем не отличается от работы с любым другим технологическим оборудованием.
В режиме удаленного доступа в реальном масштабе времени пользователь управляет установкой через локальную вычислительную сеть или Интернет. В этом случае около установки требуется присутствие оператора для выполнения "ручных" операций. При возникновении внештатных ситуаций или потери связи с пользователем оператор может перевести установку в директивный режим управления.
Если в режиме директивного управления пользователь имеет возможность использовать элементы управления, расположенные непосредственно на блоках питания, то в режиме удаленного доступа все действия осуществляются только через персональный компьютер с установленным программным обеспечением. Любая команда, полученная удаленно, обрабатывается в системе управления, проверяется на предмет корректности действия и передается в соответствующую подсистему установки.
В режиме виртуального симулятора, как отмечено выше, пользователь работает с имитатором установки и наличие оператора не требуется. Для проведения виртуального эксперимента возможно подключение нескольких пользователей.
При работе в режиме удаленного доступа подключения осуществляются без использования веб-сервера, напрямую к серверу удаленного доступа. Для подключения необходимо использовать специальную программу – "тонкий клиент". Такое решение позволяет уменьшить время отклика сервера и обеспечивает наиболее приближенное к реальному режиму управление оборудованием. Термин "тонкий клиент" означает, что вся логика работы перенесена на программу-сервер (по такому принципу строятся все веб-браузеры).
После подключения сервер передает программе-клиенту описание доступных сигналов для контроля и управления оборудованием, причем каждый сигнал связан с описанием типового элемента отображения или управления. Для сигналов контроля это могут быть числовые или стрелочные индикаторы, дисплеи, световые индикаторы. Для сигналов управления используются кнопки, панели ввода числовых данных или имитаторы элементов управления типа ползунков или ручек регулировки. Все элементы управления имеют физические аналоги, используемые при создании реальных панелей управления оборудованием. Это способствует интуитивному пониманию интерфейса.
Перенос процесса формирования интерфейса пользователя на серверную часть позволяет использовать общую клиентскую программу для различных типов оборудования. Кроме того, при модификации сервера интерфейс для всех пользователей, использующих данное оборудование, обновится автоматически. Точно так же реализован принцип формирования веб-страниц в Интернете: изменения, произведенные на сервере, становятся доступны всем пользователям независимо от того, какой клиентской программой они пользуются.
ИНТЕРФЕЙС
Программный интерфейс учебно-научного комплекса дает возможность клиенту проводить эксперименты по исследованию процесса формирования тонкопленочных покрытий (в том числе и островковых наноструктур). Сервер удаленного доступа настроен для совместного использования с технологической вакуумной модульной системой.
Логически интерфейс пользователя разбит на три блока (закладки): управление подготовкой установки к проведению эксперимента, управление системой откачки и управление технологическими источниками.
Интерфейс подготовки к проведению эксперимента позволяет отдавать команды на установку подложки на подложкодержатель, подложкодержателя в камеру, выбор технологического источника и его установку.
Интерфейс управления вакуумной системой позволяет включать процесс откачки, включать и регулировать подачу рабочего газа и контролировать давление в вакуумной камере. Для наглядности процесса откачки на экране отображается мнемосхема вакуумной системы, на которой цветами показываются включенные элементы, а также задействованные вакуумные магистрали. Интерфейс окна управления вакуумной системой представлен на рис.3.
Интерфейс управления технологической подсистемой позволяет управлять включением источника материала, регулировать его параметры, а также управлять заслонкой, отсекающей поток материала к подложке от источника. Для контроля процесса роста островковых тонких пленок имеется окно индикации туннельного тока, возникающего в наносимом покрытии. Это позволяет в процессе нанесения контролировать толщину покрытия, размеры островков и степень заполнения поверхности. Интерфейс окна управления технологической подсистемой представлен на рис.4.
ВЫВОДЫ
В ходе выполнения проекта разработана оригинальная методика обеспечения удаленного доступа к технологическому оборудованию. Предложенные методы позволяют контролировать технологические процессы и управлять оборудованием с использованием сетевых технологий, обеспечить при необходимости работу установки без участия оператора.
Разработанный учебно-научный комплекс может применяться не только для обучения студентов, но и для исследований и разработки технологий. Возможны обучение и демонстрация четырех наиболее распространенных методов формирования наноструктурированных покрытий в вакууме, а также отработка технологии и подбор режимов для существующих методов без потерь для производства.
ЛИТЕРАТУРА
Панфилов Ю.В., Сидорова С.В., Колесник Л.Л., Моисеев К.М. Интерактивный учебно-методический нанотехнологический комплекс // Вакуумная техника, материалы и технология: Материалы VI международной научно-технической конференции. – М., 2011. С. 181–184.
Панфилов Ю.В., Колесник Л.Л., Моисеев К.М., Сидорова С.В., Евлампьев А.Н. Вакуумная установка настольного типа для обучения студентов и проведения научных исследований // Вакуумная наука и техника. 2012. Т. 22. № 2. С. 119–122.
Колесник Л.Л. Реализация удаленного доступа к технологическому оборудованию на примере создания научно-учебного комплекса для изучения процессов формирования тонкопленочных покрытий // Наноинженерия. 2013. № 12. С. 31–37.
Сидорова С., Колесник Л. Моделирование процесса формирования островковых тонких пленок // Наноиндустрия. 2016. № 3. 2016. С. 64–71.
Отзывы читателей
