Автоматизированная система управления вакуумным технологическим оборудованием

Разработчик: ООО "ЭСТО-Вакуум"

Введение
Irida - это серия кластерного вакуумного оборудования на основе уникального энергосберегающего источника плазмы высокой плотности, которая реализует процессы вакуумного ионно-плазменного нанесения, травления и очистки изделия.

Данная серия используется для реализации следующих процессов:

• металлизация различных поверхностей;

• напыление резистивных пленок;

• напыление драгоценных металлов;

• нанесение многофункциональных покрытий (оптические, упрочняющие, декоративные).

Установка Irida D21A (рис.1) позволяет наносить на подложку диаметром до 200мм покрытия путем магнетронного распыления мишеней из электропроводных материалов, а так же диэлектрических в случае использования высокочастотных блоков питания. 

Рис.1 Установка Irida D21A

Технологический процесс напыления пленки на изделия в общем случае описывается следующими этапами:

• загрузка обрабатываемого изделия в шлюзовую камеру установки;

• транспортировка изделия в рабочую камеру установки;

• откачка рабочей камеры до требуемого давления (вакуума);

• нагрев изделия до заданной  температуры;

• очистка поверхности изделия при помощи ионного источника;

• последовательное  напыление материалов на изделия с каждого магнетрона;

• транспортировка изделия в шлюзовую камеру;

• выгрузка изделия.

Состав системы управления
Электрооборудование установки Irida D21A полностью размещено на технологическом агрегате, что позволяет не использовать отдельный шкаф, упрощает монтаж-демонтаж установки, повышает надежность и удобство размещения на предприятии. По обеим сторонам установки размещены панель питания и панель управления на DIN-рейках, которых установлены источники питания и аппаратура управления в виде контроллеров и реле. Стандартное 19“ оборудование (компьютер, блоки управления) установлено сзади. Структура и состав системы управления установкой  представлена на рис.2

Рис.2 Состав системы управления

Автоматизированное рабочее место оператора (верхний уровень)  представлено 15” сенсорным экраном. Монитор размещен на консоли управления, которая позволяет изменять положение монитора (в том числе и по высоте) под конкретного оператора. Дополнительно на консоли установлена клавиатура и оптическая мышь. Для визуального оповещения о состоянии установки предусмотрена трехцветная световая колонна.

На уровне обработки алгоритмов управления   применен  19” промышленный  компьютер  iRobo. Данные компьютеры удовлетворили требованиям по занимаемой в стойке высоте и производительности.

Для получения данных  и управления исполнительными механизмами, имеющих только аналого-цифровой интерфейс, используется программируемые логические контроллеры Adam компании Advantech. В корзинах расширения каждого контроллера, установлены аналоговые и дискретные  модули ввода-вывода. Двусторонняя передача данных между контроллерами и компьютером реализована на базе технологии пакетной передачи данных Ethernet.

Устройства, имеющие последовательные интерфейсы, такие как RS-232 и RS-485 подключаются к 8-портовой плате RS-232/422/485 для шины Universal PCI  Moxa CP-118U. Наличие восьми независимых портов, позволяет подключить к ней устройства с различными протоколами обмена и параметрами передачи данных.  Moxa CP-118U подключается к шине Universal PCI   промышленного компьютера. Порты RS-232, RS-422 и RS-485 работают в компьютере как обычные последовательные порты, и работа с ними осуществляется так же, как и со стандартными COM-устройствами.

В качестве полевых устройств  установки Irida представлены форвакуумные и высоковакуумные насосы, клапана, пневмоцилиндры, приборы измерения давления, температуры и т.д. 

В качестве инструмента для разработки проекта автоматизации используется MasterScada компании ИнСАТ. В MaterScada реализованы средства и методы разработки проектов, обеспечивающие резкое сокращение трудозатрат и повышение надежности создаваемой системы. Для взаимодействия MasterScada с контроллерами Adam и устройствами RS-485/232 используются OPC-серверы собственной разработки.

Архитектура программы управления

Архитектура программы управления (рис.3) имеет модульную структуру. Это позволяет выполнять групповую работу над проектом, а так же выполнять техническое сопровождение модуля вне рамках конкретного проекта автоматизации.

Рис 3 Архитектура программы управления

Модуль «Программатора»  предоставляет интерфейс управления технологическими процессами обработки изделий. Используя его оператор выполняет составление, редактирование, запуск программ и выбор режима работы установки.

Модули «Систем» реализуют специфичный алгоритм управления исполнительными механизмами. Используя мнемосхемы систем, оператор задает требуемые параметры этой системы, которые должны быть обеспечены при выполнении программы технологического процесса. Именно в модулях «Систем» реализуются основные функции управления и анализа такие как:

регулирование заданных параметров технологического процесса в допустимых диапазонах;

• вывод на экран значений текущих параметров технологического процесса;

• архивирование основных технологических параметров;

• обработку аварийных ситуаций;

• блокировку “ошибочных“ действий оператора;

• генерацию  информационных, предупредительных и аварийных сообщений.

Рис. 4 Карта переходов по интерфейсам программы управления

Использование мнемосхем с различной степенью представленных функций позволяет адаптировать текущего пользователя, в зависимости от его квалификации,  в системе управления. Например, модуль «Программатор» представлен в двух интерфейсах: инженерном и операторском.

Инженерный интерфейс (рис.5)  предоставляет расширенный функционал по управления установкой. Степень загруженности этого интерфейса велика и  требования к квалификации персонала для работы в этом интерфейсе  выше, чем в операторском.

Операторский интерфейс (рис.6) имеет минимальный функционал  и как следствие его легло освоить персоналу с низкой квалификацией. Из этого интерфейса производиться включения /выключение установки и запуск технологического процесса обработки изделия.

  

                                 

     Рис. 5 Инженерный интерфейс                     Рис. 6 Операторский интерфейс

         программатора                                                программатора

После запуска программы управления и авторизации, пользователь переводится на операторский (упрощенный) интерфейс. При наличии прав, он может перейти в инженерный интерфейс, в котором происходит навигация по мнемосхемам модулей “Систем”. Так же при наличии соответствующих прав пользователь может перейти к сервисным функциям системы управления.

Уровни доступа

Опираясь на ранее полученный опыт эксплуатации оборудования, в первую очередь были определенны квалификации обслуживающего персонала.

Оператор это сотрудник с минимальной квалификацией. Его основная обязанность запуск технологических программ обработки изделий.

Технолог это сотрудник с высокой квалификацией в области технологий обработки изделий. В перечень обязанностей входит разработка технологических программ обработки изделий.

Наладчик это сотрудник с высокой квалификацией в области наладки технологического  оборудования. Он анализирует и устраняет неисправности в работе исполнительных механизмов, квитирует аварии в системе управления.

Начальник цеха это сотрудник с минимальной квалификацией. Он определяет список операторов, которые могут работать с установкой.

Уровни доступ и соответствующие им права приведены в табл.1.

Табл. 1 Уровни доступа к функциям программы

Модуль "Программатор"

Из модуля «Программатора»  реализуется  управление технологическими процессами обработки изделий. В нем выполняется составление, редактирование, запуск программ и выбор режима работы установки.

Программатор представлен двумя интерфейсами различной сложности: инженерным и операторским.

Инженерный (рис.5) предназначен для технологов, наладчиков и разработчиков. В этом интерфейсе представлены все функции по управлению технологическими программами и установкой.

 В левой части расположены кнопки вызова мнемосхем “Систем”. Открыв систему (рис.7) пользователь может наблюдать заданные и текущие ее параметры.

Рис. 7 Мнемосхема модуля "Вакуумная система"

В средней части “Программатора” расположен блок по управлению технологическими программами. В этом блоке пользователь выбирает технологическую программу и осуществляет навигацию по ней. Перед запуском технологической программы пользователь может указать условия ее запуска. В качестве условий задается место программы, с которого начнётся её выполнение. Параметр идентификатор является обязательным для ввода, и служит для дальнейшей идентификации проводимого процесса в истории процессов. Как правило, в качестве идентификаторы выступает серийный номер изделия или номер партии.

В правой части Программатора указывается идентификационный номер программы и ее версия. Мнемонические статусы установки совпадают со световой колонной и информируют пользователя о наличии аварий и предупреждений с указанием их количества.

Предусмотрено четыре стандартных режима работы с программой (запустить, редактировать, создать, удалить). В правом нижнем углу расположены кнопки перехода к модулям, которые не имеют задаваемых параметров в технологическом процессе.

Операторский интерфейс (рис.6) предоставляет минимальный функционал для работы с программами технологических процессов.  Из этого интерфейса запускается определенный технологом процесс обработки изделия. Перед запуском процесса оператор обязан ввести идентификатор.

Модуль "Систем"

Модули систем реализуют специфичный алгоритм управления выделенной в установке группе устройств (системы). Доступ к мнемосхемам модулям (рис.7) возможен для всех должностей кроме оператора.

Для всех модулей систем были определены три стационарных состояния, в которых они могут находиться. В состоянии «Выключено» все исполнительные механизмы выключены, и  система не готова для отработки параметров технологического процесса. Для подготовки к запуску технологического процесса все системы выполняют процедуру включения, т.е. переходят в состояние «Включено». После запуска технологического процесса система может перейти в состояние «Работа» в случае ее использования.

Мнемосхемы всех модулей стилизованы. В верхней группе оператор задается требуемые параметры, а в нижней отображаются текущие  параметры. Вызов справки в верхнем правом углу мнемосхемы позволяет оперативно получить информацию о системе и ее параметрах.

Модуль "Сервис"

В модуле размещены все сервисные функции системы управления, которые не могут повлиять на базовое функционирование установки. Доступ к интерфейсу сервиса (рис.8) возможен для всех должностей кроме оператора.

Для обеспечения легкости освоения и эффективности использования интерфейса применена стилистика шаблона Web-сайта и использованы краткие описания функций с соответствующими иконками.

Рис. 8 Мнемосхема модуля "Сервис"

Доступ к сервисным функциям модулей осуществляется из левого меню. В зависимости от подключенных к «Сервису» модулей «Систем» это меню автоматически масштабируется. Стандартными сервисными функциями модулей «Систем» являются: тренды оперативных параметров, визуализация исполнительных механизмов, наработки исполнительных механизмов.

В верхней части расположены «быстрые» сервисы. В центральной части перечисляются все доступные сервисы с их кратким описанием.

Для удобства управления тем или иным сервисом основные команды вынесены в описание самого сервиса. Сервисы расположены в порядке предполагаемой частоты обращений к ним. В верхней части – наиболее востребованные, в нижней – наименее. Часть сервисных  функций, таких как удаленный доступ, резервное копирование, антивирус разработаны сторонними кампаниями и представлены в нашем сервисе для информирования пользователя о том, что такие сервисы предусмотрены.

Сервис “Обратная связь” используется  в том случае, когда необходимо  отправить обращение в службу технической поддержки непосредственно с установки. Помимо стандартных атрибутов письма в форму запроса включены файл отчета, рапорт технологического процесса и сама программа техпроцесса. Автоматически в тело письма добавляется такая информация как номер и версия программного обеспечения. E-mail сообщение придет на электронный адрес службы технической поддержки.

Сервис “Удаленный доступ” позволяет реализовать удаленную техническую поддержку установки. Для обмена информацией может использоваться голосовая и видео связь, а также чат.

Из сервиса «Документация» пользователь может посмотреть техническое описание программного обеспечения, инструкции, регламенты и т.д.

Сервис «Текущие параметры»  выводит на экран оперативные параметры всех систем установки. Данная функция позволяет следить за параметрами систем, используя только одно окно.

Рис.9 Окно истории проведенных технолонических процессов

Сервис «Рапорты» (рис.9) позволяет выполнить сохранение оперативных параметров проведенного технологического процесса, как в виде тренда, так и в виде таблицы. Рапорт создается в разрезе всего процесса и в разрезе шага, это позволяет с высокой детализацией анализировать изменение параметров.  Рапорты можно создавать для любого  проведенного процесса. Для быстрой навигации по истории процессов используются фильтры. Сохранение рапортов поддерживается в xls, pdf, html форматы. В рапорт заносятся все оперативные параметры установки, имя оператора, идентификатор процесса, а так же все сообщения от модулей «Система».

Рис 10 Журнал операций

Сервис “Журнал” (рис.10)  содержит наиболее важные сообщения о событиях всех систем установки, таких как изменение состояния установки, причины аварий. Используя журнал, отслеживается хронология действий оператора, программы, исполнительных механизмов. Журнал имеет вид  таблицы, каждая строка которого содержит одно сообщение.

Предусмотрено четыре категории сообщений: аварийные, предупредительные, информационные, исполнительные механизмы. Каждое сообщение в зависимости от категории выделяется соответствующим цветом в журнале. Это позволяет оперативно оценить  текущий статус установки.

Журнал имеет гибкую систему фильтров. Так оператор может включить фильтр сообщений по категории, модулю, оператору, времени и т.д.

Для аварийных и предупредительных сообщений указываются причины их возникновения, а так же рекомендации по их устранению. Для этих сообщений необходимо квитирование, т.е. подтверждение прочтения. При квитировании пользователь может внести примечание, например действия, предпринятые для устранения аварии.

Сервис “Голосовое оповещение”  выполняет голосовое  информирование  персонала об изменении состояния установки, например завершение процесса обработки изделия, аварии, переходе на новый шаг процесса с указанием имени шага и т.д. В настройках оповещения можно выбрать персонаж, озвучивающий сообщения, а также скорость чтения. Данная функция позволяет оператору контролировать ход выполнения процесса, даже не имея доступа к визуальной части программы. В случае если в цехе используется несколько установок, перед озвучиванием текста установка будет представляться своим именем (идентификатором).

Сервис “SMS-оповещения” позволяет получать сообщения об изменении состояния установки. Эта функция используется в том случае, когда оператор не может  находиться постоянно рядом с установкой, но ему важно знать о ситуации на ней. SMS отправляется на мобильный номер текущего оператора в зависимости от настроек.

Сервис  “Работа  по  расписанию”  (рис.11) позволяет  выполнять  автоматическое  действие  по заданному событию.

Рис 11 Окно настройки сервиса "Работа по расписанию"

Предусмотрены  следующие  действия:  запустить  программу  техпроцесса,  включить установку, выключить установку. Событиями для их запуска могут  служить завершение технологического процесса обработки изделия, достижение  астрономического  времени  или  таймер.  Этот сервис полезен в том случае,  когда  требуется  включить  установку  заранее (например,  подготовка вакуумной системы,  которая  занимает   длительное время),  либо  выключить установку  после  длительного  процесса,  не  требующего  постоянного  контроля.

Сервис  «Статистика» (рис.12) позволяет  получить  общую  информацию  о  работе  установки  и операторов. 

Рис 12 Статистика установки

Статистика  установки содержит информацию о количестве аварий и техпроцессов за  все  время  работы,  общее  время  работы, потребление энергии,  а  также  тренды  частоты  аварий  и  количества  проведенных  техпроцессов.  Для более  удобного  использования  и  обработки  этих  данных  может  быть  создан  рапорт содержащий  тренды  и  статистическую  информацию. Окно  статистики  также  содержит информацию  о  наработках  каждой  из  систем установки.  Для  быстрого  обнаружения  системы,  в которой  необходимо  провести регламентные  работы,  имеется  цветовое  выделение соответствующих наработок.

Статистика  операторов  (рис.13) позволяет быстро  определить рейтинг операторов,  работавших  с  установкой.  Данная  статистика  содержит  в  себе информацию о первом и последнем входе каждого из операторов, общем времени работы оператора, времени и количестве проведенных техпроцессов, аварий.

Рис 13 Статистика операторов

Сервис «Редактор XML» позволяет редактировать и создавать программы технологического процесса при помощи стандартных XML-редакторов. Программа технологического процесса, создаваемая в модуле «Программатор» сохраняется в стандартный формат XML. Это позволяет выполнять перенос и редактирование технологических процессов используя многочисленные редакторы XML. Конвертер позволяет преобразовать программу из xml-формата в xls и наоборот. Технологический процесс, конвертированный в xls- представлен в виде матрицы параметров с их цветовой маркировкой.

Для обеспечения возможности восстановления операционной системы после критического сбоя предусмотрена функция резервного копирования и последующего восстановления. Резервное копирование реализуется стандартными средствами Windows 7. В данной функции реализовано напоминание о необходимости создания резервной копии с заданным пользователем периодом. Для облегчения работы с этим функционалом создана инструкция.

Рис 14 Окно сервиса "Обновление ПО"

Сервис «Обновление ПО» (рис.14) позволяет получить доступ к хранящимся как на локальном диске, так и на ftp-сервере версиям программы. Функция реализует автоматический поиск новой ревизии программы и максимально упрощает ее установку. Позволяет выполнить откат на предыдущие версии в случае неполадок в текущей версии. Статусы актуальности обнаруженных версий ПО индицируются цветом.

Используя сервис «Список операторов» (рис.15) начальник цеха редактирует список операторов, их пароли и должности. В зависимости от выбранной должности устанавливаются права доступа для оператора.

Рис 15 Окно управления списком операторов

Выводы

Опыт создания АСУ ТП для вакуумного технологического оборудования показал правильность  выбранных решений, которые дали новое качество управления высокотехнологическим оборудованием для микроэлектроники.

На сегодняшний день требования к программному обеспечению  АСУТП уже не ограничиваются обеспечением базового функционирования исполнительных механизмов, а требуют внедрения новых сервисных функций аналитики  и отчетности. Новизна автоматизированной системы управления Irida  заключается в применении современных инструментов разработки проектов и внедрению  расширенных сервисных  функций, не свойственных данному типу оборудования.

Развитая система предупреждений позволила заранее информировать обслуживающий персонал о начале и возможности развития аварий.

Система отработки аварийных ситуаций позволила защитить персонал и дорогостоящее оборудование от действия аварийных систем.

Используя сервис формирования рапортов, технологи получили возможность использовать рапорт как сопроводительную документацию к изделию или партии.

Опираясь на данные  рапорта, сервисные инженеры выполняют дистанционный анализ аварий в оборудовании.

Статистика установки позволила оценивать динамику  ее работы с течением времени.

Сохранение программы технологического процесса (рецепта) в общеизвестный формат позволило ее редактировать и анализировать без привязки к ПО оборудования.

Благодаря функции автоматического обновления через интернет, управлять версиями программного обеспечения установки можно без привлечения высококвалифицированных сотрудников.

Модульность проекта привела к его унификации и масштабируемости под другие проекты автоматизации вакуумного технологического оборудования.