Кластер установок для выращивания кристаллов из раствора
CLUSTER OF PLANTS FOR GROWING CRYSTALS FROM SOLUTION

В настоящее время в оптико-электронных приборах требуются кристаллы с определенными свойствами. Так, в частности, в фотоприемной аппаратуре, работающей в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, необходимо иметь область пропускания кристалла, используемого в объективе прибора, в диапазоне 250-280 нм. Выращивание таких кристаллов занимает длительное время (до 3-4 месяцев) и в течение этого времени требуется поддерживать строго заданные условия согласно технологической программе (ТП). В процессе выращивания кристалла отклонение температуры маточного раствора не должно превышать ±0,05°С от заданного значения. Любое отклонение от ТП и, в частности, аварийные ситуации, могут привести к выходу бракованного кристалла после многомесячного цикла выращивания.
Известны устройства для выращивания кристаллов из раствора, содержащие кристаллизатор, термостат и датчик температуры, подключенный к системе регулирования температуры роста кристаллов, например, устройство по патенту RU 102941, «Установка для выращивания кристаллов из раствора» от 20.09.2010, МПК С30В 7/00, С30В 29/14, опубл. 10.10.2006.
Однако при серийном производстве оптико-электронных приборов, в которых используются выращиваемые кристаллы, необходимо обеспечить массовое производство кристаллов т.е. использовать большое количество отдельных установок, защищенных названным патентом - более нескольких сотен.
В случае индивидуального управления каждой из таких установок требуется большой штат сотрудников и четкая синхронизация их действий, что приводит не только к большим финансовым затратам, но также снижает надежность такой системы и качество выращиваемых кристаллов.
В связи с этим актуально создание кластера установок для выращивания водорастворимых кристаллов, состоящего из большого числа отдельных кристаллизационных установок с автоматизированной системой управления, обеспечивающей надежную работу всех кристаллизационных установок и дистанционное управление за их функционированием.
Технической задачей изобретения является разработка кластера установок для выращивания кристаллов из раствора.
Техническим результатом является налаживание массового производства кристаллов высокого качества для оптико-электронных приборов.
Поскольку информации о кластерах для выращивания водорастворимых кристаллов к моменту создания настоящего изобретения не выявлено, то изобретение не имеет прототипа.
Поставленные техническая задача и технический результат достигаются тем, что предлагается кластер установок для выращивания кристаллов из раствора, содержащий несколько кристаллизационных установок, которые объединены в отдельные блоки по несколько установок, например, по десять, которые образуют кластеры нижнего уровня, каждый из кристаллизационных установок каждого блока кластера нижнего уровня подключен к блоку индикации и управления кристаллизационных установок нижнего уровня, снабженному одним или более контроллером и одним или более средством индикации функционирования кристаллизационных установок блока, входящих в кластер и коммутатором нижнего уровня, совокупность кластеров нижнего уровня образует кластер верхнего уровня, содержащий, например, десять кластеров нижнего уровня, каждый из коммутаторов блока индикации и управления кристаллизационных установок нижнего уровня подключен к коммутатору верхнего уровня, который подключен к центральному серверу и автоматизированным рабочим местам, служащим для загрузки и редактирования технологической программы в каждую кристаллизационных установку и контроля за функционированием кластеров нижнего уровня, входящих в состав кластера верхнего уровня любой из кристаллизационных установок, входящих в кластер. При этом кластеры нижнего уровня могут быть дистанционно размещены на значительном расстоянии друг от друга, например, в разных городах. Коммуникация между кластерами нижнего уровня и коммутатором верхнего уровня возможна по сети интернета.
Существо изобретения поясняется с помощью изображений и схем, приведенных на фигурах.
Фиг. 1. Схематическое изображение отдельной кристаллизационной установки, входящей в кластер;
Фиг. 2. Схема кластера установок для выращивания водорастворимых кристаллов;
Фиг. 3. Схема подключения кристаллизационных установок кластеров нижнего уровня к блокам индикации и управления кристаллизационных установок нижнего уровня.
Каждая из кристаллизационных установок 1 (Фиг. 1), входящих в каждый кластер, содержит резервуар 2, заполненный дистиллированной водой и выполняющий функцию термостата, внутри резервуара 2 установлен корпус 3 кристаллизатора, внутри которого находится платформа 4, предназначенная для размещения выращиваемого кристалла. В полости резервуара 2 установлены два датчика температуры 5, контролирующие температуру жидкости внутри резервуара 2. Для нагрева жидкости внутри резервуара 2 и поддержания ее в требуемом температурном диапазоне в полости резервуара установлены два термоэлектрических нагревателя - (ТЭН) 6. Одна мешалка 7, приводимая во вращение двигателем 8, служит для перемешивания жидкости внутри термостата. Вторая мешалка 7, приводимая во вращение двигателем 10, используется для перемешивания маточного раствора внутри корпуса 3 кристаллизатора. Уровень жидкости внутри термостата контролируется датчиком уровня 9, а для контроля за вращением двух мешалок 7 применяются датчики Холла.
Кристаллизационная установка функционирует следующим образом. В стеклянный корпус 3 помещают платформу 4, на которой предварительно закрепляют затравочный кристалл. Корпус 3 кристаллизатора помещают в стеклянный резервуар 2 с дистиллированной водой (термостат). В кристаллизатор 3 заливают маточный раствор. В термостате поддерживают температуру по заданной технологической программе (ТП) путем управления тепло-электрическими нагревателями. Одновременно с выполнением ТП для обеспечения равномерного распределения температуры внутри термостата осуществляют вращение первой мешалки 7 при помощи электропривода 8. Для обеспечения равномерного омывания растущих граней кристалла маточным раствором производят перемешивание самого маточного раствора второй мешалкой 7 из оргстекла или фторопласта. Процесс роста (длительность выполнения ТП) может длиться от двух недель до нескольких месяцев. Это время определяется типом выращиваемого кристалла. На всем протяжении процесса роста кристалла отклонение температуры воды в термостате от температуры, заданной в ТП, не должно превышать 0,05°С, иначе в кристалле образуются дефекты, которые отрицательно сказываются на его качестве, что может сделать невозможным его применения как оптического фильтра. Все параметры технологического процесса контролируются с помощью соответствующих датчиков, указанных выше.
Налаживание массового производства кристаллов возможно только в случае обеспечения одновременного функционирования большого количества отдельных кристаллизационных установок. На фиг. 2 приведена схема кластера установок для выращивания кристаллов из раствора, посредством использования которого решается проблема массового производства кристаллов в промышленных масштабах. Каждый отдельный кластер 11 нижнего уровня, выделенный на фиг. 2 штриховой линией, содержит несколько кристаллизационных установок 1. На фигуре 2 показаны исключительно с целью иллюстрации только два кластера нижнего уровня. Таких кластеров может быть несколько десятков. В частности, на схеме (фиг. 2) в верхнем правом углу показан кластер 11, содержащий десять кристаллизационных установок с номера 1 по номер 10, а в нижнем правом углу схемы кластер 11, содержащий кристаллизационные установки с номера 211 по номер 220.
Совокупность кластеров нижнего уровня образует кластер 12 верхнего уровня, обозначенный штрих пунктирной линией.
Все кристаллизационные установки каждого из нижних кластеров подключены к блоку 13 индикации и управления каждого из нижних кластеров. Блок индикации и управления представляет собой модульную систему, обеспечивающую в комплексе сбор информации и управление каждой отдельной кристаллизационной установки каждого из кластеров. Блок 13 индикации и управления содержит контроллер 14 и табло индикации и управления 15 (жидкокристаллическая (ЖК) панель). С целью обеспечения резервирования возможно применение двух взаимозаменяемых контроллеров 14 и двух взаимозаменяемых табло индикации и управления 15. Наличие двух контроллеров и двух ЖК панелей в каждом блоке 13 повышает надежность работы. В случае неполадки с одним контроллером автоматически осуществляется переход на работу с другим. Блок 13 обеспечивает выполнение ряда функций управления кристаллизационными установками 1, но не позволяет изменять технологическую программу управления каждой кристаллизационной установки. Контроллер 14 и табло управления 15 каждого из кластеров подключены к коммутатору 16 нижнего уровня, например, коммутатор Ethernet EKI-3528.
Каждый из коммутаторов 16 каждого из кластеров 11 нижнего уровня по сети Ethernet подключен к коммутатору 17 кластера 12 верхнего уровня. Названный коммутатор 17 подключен к серверу 18 и автоматизированным рабочим местам (АРМ) 19 по сети Ethernet.
Функционирование кластера установок для выращивания кристаллов из раствора осуществляется следующим образом.
В каждой кристаллизационной установки процесс роста кристаллов проводят по разработанной технологии при условии контроля за процессом в каждой из кристаллизационных установок с помощью датчиков температуры 5 (фиг. 3), датчика 9 уровня жидкости в термостате, датчиков Холла 21, контролирующих работу мешалок 7. В зависимости от информации, поступающей от датчиков в блок управления и индикации 13,с использованием контроллера 14 и табло управления 15 производится управление термоэлектрическими нагревателями 6 с помощью программы, записанной в контроллер 14. Вся информация о функционировании каждого из кластеров 11 нижнего уровня и последующих выработанных в них управляющих сигналах поступает через коммутатор нижнего уровня 16 в коммутатор верхнего уровня 17.
Таким образом, каждый блок управления и индикации 13 каждого кластера нижнего уровня, который с целью резервирования может состоять из двух взаимозаменяемых контроллеров 14 и двух взаимозаменяемых табло оператора 15 (жидкокристаллических панелей) выполняет следующие функции:
- измерение температуры воды в термостате с использованием термопреобразователя сопротивления;
- отображение результатов измерений, вычислений и прочей информации на табло оператора (ЖК панели);
- ввод команд оператора;
- оповещение и индикацию при возникновении аварийной ситуации;
- пропорционально интегрально дифференциальное регулирование температуры раствора по фиксированной установке или заданной технологической программе;
- управление ТЭН термостата;
- управление вращением мешалок воды в термостате и в резервуаре с маточным раствором;
- регистрация значений температуры, состояния системы, действий оператора во внутреннюю энергонезависимую память;
- связь с автоматизированным рабочим местом (АРМ) 19 оператора по интерфейсу Ethernet;
- поддержание функционирования системы при аварийном отключении питания.
Наличие двух контроллеров и двух ЖК панелей в каждом блоке управления и индикации (резервирование) обеспечивает повышение надежности работы. В случае неполадки с одним контроллером осуществляется переход на работу с другим. Названный блок позволяет выполнять ряд функций управления кристаллизационными установками, но не позволяет принципиально изменять технологическую программу управления каждой кристаллизационной установки каждого кластера нижнего уровня.
Блок индикации и управления регистрирует параметры и управляет исполнительными устройствами кристаллизационных установок по слаботочным линиям связи - это аналоговые и дискретные сигналы.
Вся информация о функционировании каждой из кристаллизационных установок каждого из кластеров нижнего уровня от коммутаторов 16 поступает в коммутатор 17 кластера 12 верхнего уровня, а затем на центральный сервер и на каждое АРМ 19 посредством промышленного Ethernet.
Следует указать, что кластеры нижнего уровня могут быть дистанционно размещены на значительном расстоянии от автоматизированных рабочих мест, осуществляющих управление работой кристаллизационных установок и в этом случае коммуникация может осуществляться по сети интернета.
С автоматизированных рабочих мест 19 операторы с использованием разработанного программного обеспечения получают следующие возможности:
- получение на экране монитора технологических параметров функционирования кристаллизационных установок каждого из кластеров;
- допусковый контроль выхода значений за предупредительные и аварийные диапазоны;
- визуальную (на экране) сигнализацию о наступлении нештатной или аварийной ситуации в работе любой из кристаллизационных установок;
- вывод на экран и просмотр текущих параметров кристаллизационных установок в виде графиков;
- автоматическое накопление и хранение информации о функционировании систем, ведение базы данных, временных трендов технологических параметров. Вывод на экран и просмотр архивных графиков;
- ведение журнала нештатных и аварийных ситуаций, действий оператора;
- анализ состояния программно-технических средств и коммуникационных каналов;
- контроль прав доступа к сервисным функциям системы.
С целью проверки практической реализации изобретения был создан кластер из 22-х кластеров нижнего уровня, каждый из которых содержал десять отдельных кристаллизационных установок.
Технические характеристики блока индикации и управления каждого из кластеров нижнего уровня представлены в таблице.
На табло оператора блока индикации и управления выводится информация по всем 10 кристаллизационным установкам. При этом оператор имеет возможность выбора конкретной кристаллизационной установки из 10 кристаллизационных установок и получения на табло более подробной информации о параметрах технологического процесса на выбранной кристаллизационной установке.
С автоматизированного рабочего места 19 осуществлялись следующие режимы функционирования:
автоматический - в данном режиме выполняется регулирование температуры в соответствии с заложенной технологической программой (ТП);
пауза - в данном режиме приостанавливается выполнение заложенной ТП;
ручной - в данном режиме поддерживается установка, которая задается оператором;
стоп - в данном режиме система находится в режиме бездействия или выполняет команды оператора;
мешалка - в данном режиме осуществляется управление вращением мешалки кристаллизатора;
прогрев - в данном режиме поддерживается установка, задаваемая оператором, но управление вращением мешалки не осуществляется;
сервис - данный режим аналогичен режиму СТОП, при этом никакого регулирования не производится и выполняется отключение контроля аварий. Данный режим используется для вывода из работы какой-либо из кристаллизационной установки.
Экспериментальная проверка функционирования кластера показала его промышленную применимость с целью обеспечения массового производства оптических кристаллов для оптико-электронных приборов.