Автоматизация производственных процессов

Автоматизация производственных процессов — одно из основных направлений развития современной техники и технологии, открывающее пути значительного снижения трудоемкости процессов и повышения качества продукции.

В области вакуумных процессов в настоящее время работы по автоматизации развиваются очень интенсивно, особенно применительно к наиболее распространенным процессам электровакуумных и полупроводниковых производств (вакуумный отжиг, откачка электровакуумных приборов, процессы вакуумного напыления и др.), где внедрение автоматизации особенно эффективно.

Широким фронтом ведутся работы по созданию автоматизированного вакуумного оборудования. Масштабы и темпы этого развития показывают, что в ближайшее время автоматизированные вакуумные процессы получат широкое распространение в промышленности и в исследовательских работах. Специалисты, связанные с разработкой или использованием вакуумных процессов, должны знать основные методы и средства автоматизации.

Применительно к вакуумным процессам можно выделить три основных метода автоматизации и соответственно три типа систем управления: использование жестких связей, программное управление и управление от электронных вычислительных машин.

В системах с жесткими связями алгоритм функционирования обычно реализуется схемным путем, при этом обеспечивается строго определенное взаимодействие между датчиками и исполнительными элементами. При достижении параметрами процесса заданных значений соответствующие датчики автоматически воздействуют на исполнительные устройства, вызывая необходимые изменения режима работы. Типичным примером использования системы управления на основе жестких связей является первичная откачка технологического объема до высокого вакуума с помощью автоматизированного вакуумного агрегата. Такой агрегат осуществляет автоматический выход на рабочий режим, при этом система управления по мере улучшения вакуума без участия оператора последовательно вводит в действие средства откачки и осуществляет необходимые переключения в схеме установки.

Программное управление используется в процессах, развивающихся во времени по сложному закону, при этом осуществляется изменение параметров процесса в заданной зависимости от времени. Устройства программного управления — программаторы обычно обладают большой универсальностью и допускают легкую смену программ.

Системы программного управления, не использующие дополнительных устройств, управляют процессом без учета состояния объекта (так называемые командные режимы). Такие системы используются, например, для регулирования температуры в печах вакуумного отжига и пайки.

Основное различие между системами первого и второго типов состоит в том, что системы с жесткими связями осуществляют управление с учетом параметров процесса, тогда как при программном управлении эти параметры могут не учитываться.

Системы первого типа используются в случаях, когда основные характеристики процесса могут иметь значительный разброс, а системы второго типа эффективны в процессах, параметры которых, в основном, определяются управляющими воздействиями.

В последнее время широкое распространение получили комбинированные системы управления, содержащие устройства обоих типов, что позволяет сочетать преимущества управления по времени с возможностью контроля параметров.

Примером использования комбинированных методов является система управления откачкой и тренировкой электровакуумных приборов на постах откачки. Основой системы являются программаторы, управляющие режимом обработки прибора по времени. Дополнительные блокировочные устройства могут приостановить выполнение программы па этапах повышения температуры прогрева или при увеличении тока активировки катода, если давление в вакуумной системе превышает определенный предел.

Наиболее высокая ступень автоматизации — системы на основе управляющих ЭВМ. В таких системах датчики и исполнительные элементы, используемые при управлении процессом, с помощью технических средств сообщаются с вычислительной машиной; взаимодействие между ними определяется программой ЭВМ.

В автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) используются преимущественно малые (мини) ЭВМ, специально приспособленные для целей управления.

Например, для управления вакуумно-технологическими процессами используют АСУТП откачки на основе вычислительной машины «Электроника-100». Такая система способна одновременно обслуживать несколько десятков откачных постов, на каждом из которых обрабатывается по 8 приборов, при этом параметры всех приборов контролируются независимо. Цикл обработки включает операции прогрева в печи, активировки катода, тренировки и контроля качества приборов. Применение ЭВМ позволяет включать в процесс такие операции, как поиск и изоляцию негерметичных изделий, расшифровку и анализ масс-спектрограмм измерителей парциальных давлений и др.

Использование вычислительных машин не исключает одновременного применения в АСУТП других методов автоматизации (например, блокировочных устройств в схемах местной защиты установок).

Системы управления па основе ЭВМ далеко превосходят другие виды управляющих систем по быстродействию, информационной емкости и аналитическим возможностям (см. табл.).

Таблица

Сравнение основных методов автоматизации вакуумного оборудования (характерные значения параметров)

Тип системы управления	Количество одновременно управляемых установок	Информационная емкость чисел (установок)	Количество каналов управления и контроля	Количество типов элементарных операций	Наименьшее время операции с
Системы с жесткими связями	1	— 10	20	3	о,1
Системы программного управления	1	До 1000	До 10	3	од
Системы управления на основе ЭВМ	64	До 32000	До 4000	20	10-4— 10-е

Эти количественные различия порождают крупные качественные преимущества; наиболее важные из них следующие:

1) одновременное управление многими установками, различающимися по типам и стадиям технологических процессов;

2) управление с учетом большого числа факторов (не только измеряемых, по и определяемых аналитически);

3) автоматическое изменение («разветвление») программы в ходе управления в зависимости от состояния процесса;

4) оптимизация процессов применительно к индивидуальным особенностям оборудования и обрабатываемых изделий;

5) логическая и математическая обработка данных о процессе и продукции. Автоматическая передача данных внешним устройствам или ЭВМ высшего уровня.

Однако относительно высокая стоимость управляющих машин, обычно в несколько раз превышающая стоимость технологической установки, снижает достоинства систем на основе ЭВМ. Правда, в крупных системах при групповом управлении доля стоимости ЭВМ, приходящаяся па одну управляемую установку, невелика. Кроме того, наблюдается быстрое снижение стоимости малых ЭВМ (приблизительно вдвое за 3 года) при одновременном увеличении их вычислительной мощности. В то же время технический прогресс в области создания больших интегральных схем позволяет ожидать, что в близком будущем появятся вычислительные машины нового типа (микро ЭВМ), по стоимости не превышающие цены серийных программаторов. Такие ЭВМ можно будет применять для управления одиночными установками.

В связи с этим в брошюре системам управления на основе ЭВМ уделяется особое внимание, как наиболее перспективным.