Пристрій функціонального діагностування пристрою регулювання росту монокристалів

Пристрій функціонального діагностування пристрою регулювання росту монокристалів (МК), виконаний у вигляді діагностичного ядра, що містить з'єднані між собою запам'ятовувальний пристрій і блок керування, з'єднаний через інтерфейсну магістраль із багатопроцесорною системою керування процесом вирощування МК, а також блок контролю керуючої програми, з'єднаний з останніми, який відрізняється тим, що додатково містить блок діагностування по операторних нормах, який містить блок обчислень операторних норм, регістр еталонних значень операторних норм, виходи якого підключені до схеми порівняння, вихід якої з'єднаний з входом блока керування, а входи блока обчислень і регістра еталонних операторних норм з'єднані, відповідно, з виходами блока керування та запам'ятовувального пристрою. UA (21) a201011751 (22) 04.10.2010 (24) 10.11.2011 (46) 10.11.2011, Бюл.№ 21, 2011 р. (72) СУЗДАЛЬ ВІКТОР СЕМЕНОВИЧ, ЄПІФАНОВ ЮРІЙ МИХАЙЛОВИЧ, ДЕРБУНОВИЧ ЛЕОНІД ВІКТОРОВИЧ (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) UA 89312 C2, 11.01.2010 UA 90606 C2, 11.05.2010 SU 1527331 A1, 07.12.1989 RU 2184803 C2, 10.07.2002 US 3761692 A, 25.09.1973 EP 0310494 A2, 05.04.1989 WO 0060145 A1, 12.10.2000 JP 55140795 A, 04.11.1980 C2 2 (19) 1 3 відзначене підвищення якості контролю за рахунок високої чутливості ФД, стосовно параметричних і сигнальних дефектів. Недоліком є тривалість етапу підготовки моделювання, а також вибору режиму моделювання, пов'язаного з імітацією несправностей ОД. Результати комп'ютерного моделювання системи ФД, що включає перекручування матричної передатної функції ПФД, вектора вихідних сигналів ОД, навіть при наявності простої програми-сценарію реалізації алгоритма моделювання мовою пакета MATLAB, при використанні на реальних об'єктах викликають певні утруднення. Проведення комп'ютерних експериментів на етапі вибору режиму з використанням вхідних впливів, особливо у вигляді одиничного стрибка максимальної амплітуди, унеможливлює використання даного винаходу в процесі вирощування МК у результаті неприпустимості порушення системи керування подібними сигналами. Відомий пристрій ФД системи по нормах сигналів [Мироновский Л. А. Функциональное диагностирование динамических систем / Л. А. Мироновский. - Спб, 1998.-256 с.], що містить генератор еталонних сигналів (ГЕС), обчислювач норми (ОН) і пристрій порівняння (ПП), при цьому вихід (X) ГЕС з'єднаний із входом об'єкта діагностування (ОД), вихід (Y*) якого підключений до ОН, а вихід ОН (норма ||Y*||) підключений до першого входу ПП, інший вхід якого з'єднаний з нормою оператора ||Y*|| справного об'єкта, причому вихід () ПП є сигналом виконання контрольної умови  = ||Y|| ||Y*|| = 0 (відсутності дефектів у системі) при оптимальному вихідному сигналі Xopt ГЕС. Основною перевагою відомого пристрою є підвищення практичної ефективності за рахунок порівняно простого експериментального визначення норм, не потребуючого знання математичної моделі ОД, при цьому операторні норми допускають наочну геометричну інтерпретацію. Переваги отриманих діагностичних ознак по нормах особливо проявляються при роботі системи в екстремальних режимах, коли сигнали максимально збуджують систему, створюючи умови для максимального прояву дефектів, при цьому операторні норми (є параметричними інваріантами лінійних динамічних систем) допускають деталізацію й модифікацію, як за рахунок використання різних норм сигналів, так і за рахунок використання різних норм систем (наприклад, Н2, Н), що зіставляються об'єкту, що перевіряється. Недоліком є процедура вибору оптимального сигналу Xopt для виявлення діагностичних ознак з використанням ГЕС, що в екстремальних режимах призводить до порушення системи керування процесом вирощування МК експериментальними вхідними впливами, що ускладнює й робить неоднозначним одержання й аналіз цих ознак. Зазначені недоліки відомих пристроїв ФД систем не дозволяють одержати діагностичні ознаки при виникненні дефектів або необоротних змін у роботі керованого встаткування, у тому числі й ростового, що призводить до збільшення матеріальних втрат, а, у цілому, до зниження відмовостійкості СУ. 96531 4 Відомий пристрій функціонального діагностування пристрою регулювання росту МК [Пат. 90606 Україна, G06 F 11/28, G06 F 11/22, G06F 11/00, G01R 35/00], виконаний у вигляді діагностичного ядра, що містить зв'язані між собою запам'ятовувальний пристрій і блок керування, першим виходом сполучений через інтерфейсну магістраль із багатопроцесорною системою керування процесом вирощування МК, а також блоки контролю програмних переходів і часу, що містять, відповідно, регістри поточної й контрольної мітки, виходами з'єднані з першою схемою порівняння зазначених регістрів, і лічильник часу й перший регістр еталонних тимчасових сигнатур, виходами підключені до другої схеми порівняння зазначених блоків, при цьому інші виходи блока керування підключені до входів регістра поточної мітки й лічильника часу, інші виходи запам'ятовувального пристрою підключені до входів регістра контрольної мітки й першому регістра еталонних тимчасових сигнатур, а вихід першої схеми порівняння підключений до одного із входів блока керування. Пристрій також містить блок оптимального розміщення контрольних точок, що містить блоки обчислень і другий регістр еталонних тимчасових сигнатур, виходами підключені до третьої схеми порівняння вмісту зазначених блоків, а також логічний елемент АБО - НІ, входами підключений до виходів другої схеми порівняння блока контролю часу й третьої схеми порівняння, а виходом зв'язаний із другим входом блока керування, що одним з виходів зв'язаний також і із входом блока обчислень. Відомий пристрій за рахунок оптимального розміщення контрольних точок в керуючій програмі пристрою регулювання росту МК дозволяє мінімізувати латентний (схований) період виявлення нестійких несправностей типу, що перемежаються, і збоїв. Відзначено, що після відновлення працездатності програми в ході регулювання, до 90 % досвідів не вимагає зупинки процесу росту МК. Однак, найчастіше недоцільно застосовувати настільки складну процедур як для одержання діагностичних ознак, так і для їхнього аналізу. Визначення й завдання контрольних сум інтервалів програмного сегмента, що перевіряються, (еталонні сигнатури), контроль тимчасових характеристик функціонування ростового встаткування – еталонні значення розрахункового й максимально припустимого часу виконання цього сегмента програми, а також контроль оптимального розміщення контрольних точок з виконанням розрахунків, пов'язані із проходженням частини програми, що залишилася, сегмента програми, що перевіряється, вимагають більших витрат часу й старанності виконання як на етапі підготовки, так і етапі ФД у процесі вирощування МК. Зазначені недоліки відомого пристрою викликають труднощів визначення виконання системою заданих функцій при наявності відмов її елементів, особливо при несправностях регуляторів діаметра й температури, вимірника рівня розплаву, що призводить до помилок по керуванню діаметром МК, збільшенню тимчасових і матеріальних втрат, а, у цілому, до зниження відмовостійкості СУ. 5 Для простоти викладу, а також через те, що всі загальні вузли й блоки у пристрої, що пропонується, виконані аналогічними, блоки контролю програмних переходів, часу виконання й оптимального розміщення контрольних точок разом із пристроями, що складають ці блоки і їх зв'язками об'єднані в блок контролю керуючої програми. Як прототип нами вибраний останній з аналогів. В основу дійсного винаходу поставлена задача створення пристрою функціонального діагностування пристрою регулювання росту МК, що забезпечив би збільшення виходу готової продукції шляхом підвищення відмовостійкості роботи СУ. Рішення задачі забезпечується тим, що в пристрій функціонального діагностування пристрою регулювання росту монокристалів, виконаного у вигляді діагностичного ядра, що містить зв'язані між собою запам'ятовувальний пристрій і блок керування, з'єднаний через інтерфейсну магістраль із багатопроцесорною системою керування процесом вирощування МК, а також блок контролю керуючої програми, з'єднаний з останніми, відповідно до винаходу, додатково уведений блок діагностування по операторних нормах, що містить блок обчислень операторних норм, регістр еталонних значень цих норм, виходами підключені до схеми порівняння, вихід якої пов'язаний із входом блока керування, а входи блока обчислень і регістра еталонних операторних норм з'єднані, відповідно, з виходами блока керування й запам'ятовувального пристрою. Введення блока діагностування по операторних нормах дозволяє процес функціонування системи регулювання росту МК представити за допомогою оператора, що здійснює відображення вхідних сигналів системи (зміна температури Td донного нагрівача) у вихідні (помилка S керування діаметром кристала). Найбільш природною числовою характеристикою цього оператора є його норма, що чисельно дорівнює максимально досяжному відношенню норм вихідного ||S|| і вхідного ||Td|| сигналів. Тоді задання ФД у цьому випадку можна розглядати як задання перевірки правильності реалізації відповідної норми. У результаті спрощується завдання організації одержання діагностичних ознак у процесі регулювання росту МК і вибору найбільш інформативного з них. Введення блока обчислень операторних норм у блок діагностування дозволяє застосувати стандартну систему розрахунків (MATLAB), задану у вигляді програмного пакета в запам'ятовувальному пристрої функцією nоrm(х,р), де р - величина норми вектора х (або, точніше, його р-норма [В.П. Дьяконов MATLAB 7.*/R2006/R2007: М.: ДМК Пресс, 2008. -С.215]) за даними: вектор х - помилка S (норми ||S||1, ||S||2) і температура Td (норми ||Td||1, ||Td||2) у режимі функціонування системи регулювання росту МК. Блок обчислень, використовуючи стандартний програмний пакет, дозволяє автоматизувати проведення рутинних операцій визначення першої 1, другої 2 і змішаної 3 операторних норм системи регулювання (надалі позначення відхилень норм i, як і норм  і системи 96531 6 регулювання здійснено без заключения в дужки ||), які становили: S3 S1 S2 1  ; 2  ; 3  , Td 1 Td 2 Td 3 а, виходить, здійснити ФД ростового встаткування (регулятора діаметра, вимірника рівня) у процесі кристалізації. Крім того, блок обчислень у процесі нормального функціонування ростової установки дозволяє оцінити й вибрати найбільш оптимальну чутливість контролю по нормах шляхом задання різної кількості тактів знімання інформації (регульований розмір векторного вікна інформаційне вікно), що дозволяє збільшити інформативність діагностичних ознак, тобто забезпечити максимальні відхилення цих норм від припустимих значень. При цьому такт дорівнює одному циклу керування пристрою регулювання росту МК, що забезпечує синхронізацію ФД і функціонування пристрою. Наприклад, при виборі розміру векторного вікна в 8 тактів (цикл керування Tупр =240с), відхилення 1 першої операторної норми 1 від середнього значення (1cp30) при нормальному функціонуванні системи не перевищували 20 одиниць. Відхилення 2 операторної норми 2 від середнього значення при розмірі в 8 тактів не перевищували 30. Відхилення 3 при розмірності векторного вікна в 8 і 16 тактів давали аналогічні результати. Отже, блок обчислень у процесі нормального функціонування пристрою регулювання росту МК дозволяє обґрунтувати вибір припустимого відхилення операторних норм пристрою функціонального діагностування (у нашому випадку  icp  30-40 одиниць). Введення регістра еталонних значень операторних норм, з'єднаного із запам'ятовувальним пристроєм, забезпечує можливість задання параметрів функціонального діагностування ростового встаткування, зокрема, припустимого відхилення  icp операторних норм роботи окремих блоків СУ процесом вирощування МК, що підвищує її відмовостійкість. Введення схеми порівняння вмісту блоків обчислень операторних норм і регістра еталонних значень цих норм забезпечує вивід отриманих діагностичних ознак і оцінку їхньої чутливості, за результатами аналізу яких у пристрої приймаються рішення про продовження або припинення роботи. При цьому спрощується дотримання виконання контрольної умови при відсутності дефектів ( вихідний сигнал схеми порівняння), що, як правило, перевіряється на виконання рівності нулю різниці відхилення контрольованої норми і її припустимого відхилення  = i -  icp = 0. Крім того, спрощується аналіз діагностичних ознак, що припускає ідентифікацію сигнальних дефектів на входах (величина керуючого впливу Td) і виходах (величина помилки керування S) пристрою регулювання при виникаючих у процесі кристалізації несправностях у вигляді збоїв і виході з ладу рівнеміра, а також несправності в роботі регулятора діаметра вирощуваного МК. 7 Спрощення результатів аналізу дозволило, наприклад, при виборі розміру векторного вікна 8 тактів (32 хв.) і нульовому керуючому сигналі, несправність регулятора ідентифікувати по нормі 1, при цьому відхилення 1 досягали 100 (відсутність керуючого сигналу протягом часу більш, ніж 0,5 години неприпустимо через порушення діаметра МК). Несправності рівнеміра ідентифікувалися по нормі 2, більше чутливої до його несправностей при розмірі векторного вікна в 8 тактів, при цьому величина 2 досягала 600. Найбільшу чутливість показала норма 3, що при будь-якому розмірі вікна дозволила ідентифікувати несправності регулятора (відхилення 3p норми при несправності регулятора становили 3p ~ 150-200 одиниць), рівнеміра (при несправності рівнеміра у вигляді збоїв – 3pв1 ~ 250-300 одиниць), а при його відмові величина 3pв2 > 600. Отже, введення схеми порівняння забезпечує спрощення виводу результатів ідентифікації по нормах з максимальною чутливістю, за рахунок дотримання виконання контрольної умови підвищує правильність функціонування СУ що діагностується, тобто підвищується її відмовостійкість. З'єднання виходу схеми порівняння блока діагностування по операторних нормах із другим входом блока керування забезпечує з'єднання через інтерфейсну магістраль із системою регулювання росту МК, пристрій відображення якої попереджає оператора про перевищення припустимого відхилення операторних норм і якщо буде потреба включає сигналізацію з появою дефектів. Крім того, дане з'єднання забезпечує зв'язок із пристроєм контролю програми керування, що забезпечує умови відновлення працездатності керуючої програми, без зупинки процесу росту. У результаті підвищуються функціональні можливості системи діагностування і її якість. Таким чином, використання в системі ФД відносно норм вихідного й вхідного сигналів для ідентифікації несправностей СУ в екстремальних режимах роботи, забезпечується порівняно простим способом їхнього визначення, не потребуючого знання математичної моделі ОД, що підвищує практичну ефективність запропонованих засобів технічного діагностування пристрою регулювання росту монокристалів. На кресленні наведена структурна схема пристрою функціонального діагностування пристрою регулювання росту МК за заявлюваною пропозицією. Пристрій функціонального діагностування пристрою регулювання росту монокристалів (фіг.) виконано у вигляді діагностичного ядра, що містить блок 1 керування, третім входом/виходом пов'язаний із запам'ятовувальним пристроєм 2, і першим входом/виходом підключений до інтерфейсної магістралі 3, а також блок 4 контролю (програмних переходів, часу виконання й оптимального розміщення контрольних точок) керуючої програми, з'єднаний другим входом/виходом із блоком 1 керування, а входом – з першим виходом запам'ятовувального пристрою 2. У пристрій додатково уведений блок 5 діагностування по операторних нормах, що містить блок 6 96531 8 обчислень операторних норм, регістр 7 еталонних значень цих норм, виходами підключені до схеми 8 порівняння вмісту зазначених блоків, вихід якої пов'язаний із входом блока 1 керування, а входи блока 6 обчислень і регістра 7 еталонних операторних норм з'єднані, відповідно, з виходом блока 1 керування й другим виходом запам'ятовувального пристрою 2. Апаратна частина діагностичного ядра пристрою ФД побудована на основі матриці програмувальних внутрішніх з'єднань типу ALTERA МАХ ЕРМЗ 128. Діагностичне ядро через інтерфейсну магістраль 3 пов'язане з регулятором діаметра вирощуваного МК, рівнеміром, пристроєм відображення інформації й інших контролерів СУ (відомого пристрою регулювання росту МК, на кресленні не показані) двонаправленою напівдуплексною лінією передачі даних, обумовленою стандартом RS -485 (ЕІА/ТІА). Стандартний програмний пакет розрахунку операторних норм, застосовуваний у пристрої, що заявляється, ФД пристрою регулювання росту МК, розташований у запам'ятовувальному пристрої 2, при цьому керуюча програма пристрою написана мовою Си. Пристрій функціонального діагностування, що заявляється, сполучений через інтерфейсну магістраль із пристроєм регулювання росту МК на установці "РОСТ", працює в такий спосіб. У процесі вирощування МК CsI(Tl), діаметр якого становить 550 мм, а висота - 500 мм, здійснюють ФД регулятора діаметра вирощуваного МК, рівнеміра або інших, вхідних у СУ вирощуванням МК, контролерів, по операторних нормах. Для реалізації функціонального діагностування пристрою регулювання росту МК, відповідно до пропозиції: На етапі підготовки в запам'ятовувальний пристрій 2 діагностичного ядра (креслення.) завантажують програмний пакет розрахунку функції nоrm(х,р) (р - норма), по даних процесу кристалізації, а також підсистеми імітації дефектів і несправностей, аналізу отриманих діагностичних ознак у режимі функціонування системи регулювання росту МК. Шляхом з'єднань усередині діагностичного ядра організують передачу даних у блок 6 обчислень операторних норм, регістр 7 еталонних значень цих норм, а через інтерфейсну магістраль 3 – зв'язок з контролерами СУ. Як дані у блоці 6 обчислень операторних норм, з'єднаного через блок 1 керування із запам'ятовувальним пристроєм 2 використовують: S – помилка керування діаметром кристала; Td – зміна температури донного нагрівача; 3 – змішана норма системи регулювання; n1, n2 – кількість тактів знімання інформації (розміри векторного вікна даних). Такт ФД ТФД, Tупр = 240 с задають як один з параметрів регулювання (цикл керування) у регуляторі діаметра МК. Також задають у запам'ятовувальному пристрої 2 діагностичного ядра: 3cp – припустиме відхилення операторної норми, 3cp =40 од.; 3 р – відхилення норми 3 при несправності регулятора діаметра, 3p = 150 од.; 3pB1 – відхилення 9 при несправності рівнеміра у вигляді збоїв, 3pB1 = 250 од.; 3pв2 – відхилення при відмові рівнеміра, 3pB2 = 600 од. Виконання ФД у процесі регулювання росту МК починають із перезавантаження в блок 5 діагностування по нормах умісту запам'ятовувального пристрою 2, а через магістраль 3 і блок 1 керування з надходження діагностичних даних з виходу контролерів СУ в блок 6 обчислень (функція norm(x,p), S, Td, ni) і в регістр 7 еталонних значень операторних норм (відхилення 3cp, 3p, 3pBb, 3pB2). S3 Обчисленням норми 3  в блоці 6 обTd 3 числень визначають правильність функціонування регулятора діаметра, рівнеміра, при цьому для визначення несправності регулятора, на його виході протягом 8 циклів керування (0.5 години) установлюють нульовий або максимальний керуючий сигнал (±0.4 °C). Розмір векторного вікна встановлюють рівним – n1 = 8 або n2= 16 тактів знімання інформації. Аналіз правильності функціонування супроводжують перевіркою контрольної умови по нормах ( = 3 у - 3cp = 0 при відсутності дефектів) шляхом порівняння схемою порівняння 8 умісту блока 6 обчислень операторних норм (поточна величина норми 3i, величина відхилення 3i) із умістом регістра 7 еталонних значень операторних норм (відхилення 3cp, 3p, 3pB1, 3pB2). Вихідний сигнал схеми 8 порівняння через блок 1 керування й магістраль 3 використовують для виводу на пристрій відображення пристрою регулювання росту МК для попередження оператора про перевищення припустимого відхилення операторних норм і включення сигналізації з появою дефектів. Функціонування цього пристрою і його ФД по нормах 3i і відхиленням 3j цих норм Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 96531 10 здійснюють при розмірі векторного вікна n1 = 8 тактів знімання інформації. У випадку дотримання контрольної умови, тобто при відсутності дефектів, відображають на екрані дисплея криву ФД у вигляді незначних змін (не  5 од.) величини відхилення 3j змішаної норми від заданого в регістрі 7 еталонного відхилення 3cp (40 од.) у кожному циклі Tупр = 240с (дорівнює одному такту Тфд) керування пристроєм регулювання росту МК. У випадку виникнення дефектів, вихідний сигнал  схеми 8 порівняння, перевірений на виконання нерівностей 3j.> 3рв2 (відмова рівнеміра), 3y.> 3pB1 (збій рівнеміра), 3j.> 3p (несправність регулятора) відображають на кривій ФД у вигляді стрибків різної амплітуди щодо еталонного відхилення 3cp норми, які використовують або для включення сигналізації, або для попередження оператора із вказівкою виду несправності, що ідентифікована. Після виконання ФД по нормах, інформацію для визначення яких одержують із даних процесу кристалізації (S – помилка керування діаметром кристала; Td – зміна температури донного нагрівача) і аналізують у розмірі інформаційного вікна n1, переходять до наступного циклу збору інформації в процесі регулювання росту МК. Отже, пропонований винахід за рахунок підвищення практичної ефективності засобів технічного діагностування пристрою регулювання росту монокристалів дозволяє спростити процес одержання діагностичних ознак і забезпечити високу чутливість контролю по операторних нормах. Таким чином, використання пропонованого пристрою дозволяє підвищити відмовостійкість СУ процесом вирощування МК і вихід придатної продукції в цілому. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601