Блок управления для исполнительных устройств в оптическом тракте лазерной системы

Введение

Оптический тракт (далее ОТ) – это система оптических элементов, которая используется для формирования, передачи и регистрации оптического сигнала. Он состоит из различных компонентов, включая линзы, зеркала, светофильтры, оптические волокна и др. Основной принцип работы оптического тракта основан на использовании светового излучения. Свет, как электромагнитная волна, имеет определённую частоту и длину волны.

Принцип работы ОТ заключается в том, что световой пучок проходит через оптические элементы, которые изменяют его характеристики. Например, линза может сфокусировать световой пучок, а зеркало может отразить его в определённом направлении. То есть элементы ОТ могут изменить направление, фокусировку и интенсивность светового пучка. Кроме того, ОТ может быть также использован для фильтрации света с помощью светофильтров. Светофильтры позволяют пропускать только определённые длины волн света, что может быть полезным в ряде приложений, например, в фотографии и спектроскопии. 

Важно отметить, что ОТ может быть достаточно сложной системой, где несколько оптических элементов работают вместе для достижения желаемого результата. Это требует точного расчёта и настройки каждого элемента, чтобы обеспечить оптимальную производительность ОТ как составной части оптической системы. ОТ также находит применение в медицине, фотографировании, астрономии, лазерной технике и других отраслях. В медицине, например, он используется для производства оптических микроскопов, эндоскопов и других инструментов для исследования внутренних органов и тканей пациента. В фотографировании оптический тракт играет роль в формировании изображения на фотоплёнке или в цифровой камере, а в астрономии он позволяет собирать и анализировать свет далеко находящихся объектов, таких как звезды и галактики.

В лазерных системах ОТ может выполнять следующие функции:

• реализация оптических резонаторов для получения лазерных излучений; 
• передача энергии излучения лазера до выходного зеркала (или опорно-поворотного устройства ОПУ);
• регулирование параметров излучения (например, в оптический тракт может быть встроена адаптивная оптическая система, предназначенная для адаптивной коррекции искажений лазерного пучка (внутренний контур) и атмосферной трассы (внешний контур), а также для введения упреждения;
• формирование светового пучка с высокой плотностью мощности (фокусировка);
• измерение и контроль параметров лазерного излучения (мощность, расходимость и др.).

Элементы ОТ лазерной системы – это юстировочные лазеры, поворотные зеркала, ирисовые диафрагмы, линзы, видеокамеры, экраны, затворы защитные, блоки светофильтров, триппель-призмы и др. Причём все вышеуказанные элементы могут функционировать постоянно или быть введены в оптический тракт на определённое время и при определённых условиях.

Общие требования к функциональному модулю 

Блок управления (далее БУ) для управления ОТ целесообразно рассматривать как составную часть автоматизированной системы управления АСУ всей лазерной системы, в которой ОТ тоже является составной частью. Поэтому основные требования к АСУ переносятся и на БУ. При этом учитываются требования по назначению, унификации, удобству эксплуатации и др. Вышеуказанные требования, как правило, приведены в ТЗ на изделие или в частном ТЗ на АСУ. 

Кроме того, разработчик, конечно же, учитывает свой и коллективный опыт разработки и эксплуатации разработанных и эксплуатируемых АСУ, встроенных в ранее разработанные или аналогичные изделия. Эти знания, требования и опыт трансформируются в следующие принципы:

• БУ должен быть выполнен на базе элементов и компонентов тех организаций, производственная политика которых предсказуема в долгосрочной перспективе. Например, нет смысла делать БУ на базе программируемого логического контроллера ПЛК, если он будет снят с производства через год. Ситуация ещё более усугубится, если на фирме-изготовителе не будет никакого технологического запаса. В идеале, изготовитель должен информировать потребителя о своей производственной политике и об изменениях в своей производственной программе, а также о технологическом запасе, который будет создан при изменении производст-венной программы;
• блочно-модульный принцип построения аппаратной части БУ с возможностью наращивания функций системы. Это сводится не только к банальному построению из идентичных блоков и модулей более сложных частей. Типовой модуль для решения локальной задачи в изделии представляет собой мини-аппаратно-программный комплекс, аппаратная часть которого может быть разбро-сана по шкафам УСО;
• построение БУ на единой программно-аппаратной базе;
• аппаратная часть измерительных каналов должна быть включена в гос-
• реестр средств измерений;
• построение профессионального поль-зовательского интерфейса, обеспечи-вающего обучение персонала; 
• использование типовой, универсальной, интегрированной среды разработки, дающей возможность:
  – применять готовые встроенные графические элементы для пользовательского интерфейса;
  – задействовать готовые и бесплатные библиотеки функций и функциональных блоков для часто встречающихся задач;
  – применять типовые драйвера и программы;
  – применять языки высокого уровня из стандарта МЭК 61131-3 (ST, IL, LD, FBD, SFC) и трансляцию разработанного приложения в исполняемый код процессора контроллера;
  – загружать приложения в контроллер, производить удалённую отлад-ку, и управление исполнением приложения в контроллере;
  – применять сервисные функции, включая диагностирование исполнения, загрузку и выгрузку файлов, трассировку значений переменных и т.д.;
  – отображать входные и выходные переменные разрабатываемого при-ложения на сетевые сообщения и каналы модулей ввода-вывода.

Выбор элементной базы для БУ

Задачи автоматизации становятся более сложными и комплексными, в связи с этим растут требования и к средствам автоматизации, в частности, к их коммуникационным возможностям, к удобству программирования и эксплуатации. При выборе средств автоматизации для распределённых систем управления на первое место выходят не только соотношение цена/качество, но и сроки поставки, гарантии поставщиков, сервисное обслуживание, техническая поддержка. Желательно, чтобы все комплектующие были отечественного производства. Конструктивно сложный ОТ можно разделить на отдельные участки. Каждый участок представляет собой оптический стол (оптическую сборку) с расположенными на нём оптическими элементами. Внешний вид оптического стола приведён на рис. 1.

Собственно, стол оптический и представляет собой объект автоматизации. Конечно же, наполняемость БУ, а конкретно шкафа управления (или шкафов управления), определяется типом и количеством исполнительных устройств на оптическом столе.

Одно из возможных решений – применение программируемых логических контроллеров ПЛК. Применение ПЛК – это использование готового решения для разработки и изготовления БУ, поэтому его выбор является первоочередной задачей. При разработке аппаратной части БУ, выбирая ПЛК, нужно учитывать все нюансы и обращать внимание буквально на всё. Решительно на всё. Даже на нюансы в конструкции ПЛК. Например, замена батарейки в ПЛК с выполнением демонтажа его корпуса – это неправильно. Разъём для интерфейса RS-232 типа RJ-45, а не DB-9 – это тоже неправильно. Целесообразно, чтобы все комплектующие, входящие в канал измерения, были заказаны у организаций, которые могут поставить откалиброванные каналы измерения с необходимыми нормативными документами (паспорта на комплектующие, сертификаты соответствия, свидетельство о поверке и т.д.).

Разработка и эксплуатация БУ будет значительно проще, если в применяемом ПЛК будет реализован принцип модульности. Совокупность модулей системы, связанных с конкретным объектом автоматизации, образует узел системы сбора и обработки данных. Такой узел может быть установлен в непосредственной близости от объекта автоматизации, что позволяет сократить длину соединительных проводов, упростить монтаж оборудования, а также устраняет необходимость применения кросс-панелей. Приведём самые применяемые, «самые ходовые» модули ввода-вывода, которые могут входить в состав ПЛК ЛК:

• контроллеры узла сети;
• модули дискретного ввода;
• модули дискретного вывода (модули релейного вывода);
• модули аналогового ввода;
• модули аналогового вывода;
• модули измерения температуры;
• модули сетевых интерфейсов;
• модули питания.

Рассмотрим построение БУ на базе ПЛК Fastwel (распределённая система ввода-вывода FASTWEL I/O, согласно ТУ [1]). При применении ПЛК Fastwel решается задача совместимости со многими имеющимися промышленными сетями передачи данных. На аппаратном уровне для перехода на любую сеть достаточно сменить контроллер узла сети, при этом модули ввода-вывода вместе с присоединёнными к ним датчиками не требуют замены и демонтажа. Идеология FASTWEL-I/O основана на предоставлении разработчику максимальных возможностей в конфигурировании, наращивании и обслуживании системы. Контроллеры узла сети обеспечивают возможность исполнения прикладных программ, реализующих алгоритмы сбора, обработки данных и управления, разработанных при помощи адаптированной среды разработки CoDeSys V3. Компания FASTWEL [2] поставляет 7 типов контроллеров узла сети с сетевыми интерфейсами CAN, RS-485, Ethernet, Profibus DP, MODBUS; 15 типов модулей дискретного ввода/вывода; 12 типов модулей аналогового ввода/вывода; 4 типа модулей питания; 4 типа вспомогательных модулей (модуль оконечной нагрузки шины, модуль интерфейсный RS-485 и др.). Номенклатура модулей FASTWEL I/O оптимизирована таким образом, чтобы быть минимально достаточной для большинства возможных применений. Модули обеспечивают подключение датчиков и исполнительных устройств, а также содержат цепи гальванической развязки и индикации состояния.

На рис. 2 приведена «батарея» контроллера узла сети с модулями ввода/вывода (ПЛК Fastwel), собранная для отладки СПО.

Узел сети состоит из контроллера узла сети, модулей ввода-вывода и вспомогательных модулей. Контроллер узла сети служит для исполнения прикладной программы, разработанной в среде CODESYS V3 [3] для обмена данными с модулями ввода-вывода, а также информационного обмена по внешней сети. Он интегрирует возможности программируемого логического контроллера и подчинённого узла сети. Контроллер узла сети имеет два основных интерфейса: внешний и внутренний. Внешний интерфейс учитывает особенности и обеспечивает выполнение требований конкретной полевой шины (CAN, MODBUS, MODBUS TCP). Внутренний интерфейс, специально разработанный для системы FASTWEL-I/O, – это шина FBUS. Он обеспечивает обмен данными и служебной информацией между модулями ввода-вывода и контроллером узла сети. Контроллер узла сети имеет также служебный интерфейс и индикаторы состояния. В узле сети реализована очень функциональная система подачи питающих напряжений на датчики и исполнительные устройства.

Управление более простых в функциональном отношении ОТ можно построить на базе программируемых реле. Например, на ОВЕН ПР200 или ОВЕН ПР205. На рис. 3 приведён внешний вид программируемого реле ПР205.

В ПР205 и ПР200 нет сетевого интерфейса RS-232, поэтому, применяя этот прибор, нельзя напрямую управлять оборудованием, имеющим подобный интерфейс управления. Для увеличения количества дискретных (аналоговых) входов и выходов к ПР200 и ПР205 можно подключать модули расширения ПРМ. 

На рис. 4 показан внешний вид ПР200 с подключёнными к нему модулями расширения ПРМ-24.1 и ПРМ-24.2.

Вышеуказанные приборы программируются в среде Owen Logic на языке FBD. Пользовательская программа записывается в энергонезависимую флеш-память. Приведём основные функ-ции ПР205: 

• работа по программе, записанной в память; 
• отображение данных и мнемосхем на ЖКИ; 
• ввод и редактирование данных с помощью кнопок на лицевой панели;
• работа в сети RS-485 по протоколам Modbus RTU/Modbus ASCII в режиме Master или Slave; 
• работа в сети Ethernet по протоколу Modbus TCP в режиме Slave;
• работа с удалённым сервисом Owen Cloud без дополнительного шлюза; 
• обработка входных сигналов от датчиков; 
• управление подключёнными устройствами с помощью дискретных или аналоговых сигналов.

Наличие графического цветного экрана с диагональю 2,4″ позволяет создавать удобные интерфейсы пользователей. Следует отметить широкие коммуникационные возможности ПР205. 

Выпускаются модификации с тремя сетевыми интерфейсами: Ethernet, 2×RS-485. Это позволяет встраивать их в распределённые системы сбора данных и управления, визуализировать процессы с помощью панелей операторов. Отметим также, что настройки входов и выходов в ПР205 осуществляются с помощью конфигуратора или в среде Owen Logic. Более подробно работа ПР200 и ПР205 приведена в [4].

БУ оптического тракта лазерной системы

Пожалуй, половина всех решаемых задач в ОТ лазерной системы – это управление устройствами, где присутствует шаговый двигатель. В линейных трансляторах, моторизованных держателях зеркал, моторизованных приводах, ирисовых диафрагмах присутствуют шаговые двигатели, которыми необходимо управлять. Задача поворота зеркала на заданный угол с заданной точностью сводится к задаче по управлению шаговым электродвигателем, к задаче поворота вала шагового двигателя на определённое количество шагов с заданным направлением вращения. Готовое решение – это применение контроллера шагового двигателя (далее КШД). Фирмы, реализующие на рынке шаговые двигатели, как правило, предлагают к ним блоки управления с законченными сетевыми интерфейсами управления: RS-485; CAN, USB, PROFIBUS, Ethernet и пр. КШД – это готовое решение с сетевым интерфейсом и коммуникационным протоколом (Modbus ASCII, Modbus RTU и Modbus TCP и др.). На рис. 5 приведён внешний вид КШД OSM-17RA. На рис. 6 приведён внешний вид КШД SMSD-4.2 RS-485. Структурная схема БУ ОТ на базе ПЛК FASTWEL CPM723-01 представлена на рис. 7.



CPM723-01 имеет интерфейс с модулями ввода-вывода (внутренняя шина FBUS), а также встроенный модуль питания, преобразующий входное напряжение 24 В постоянного тока в 5 В для электропитания цифровой части контроллера и модулей ввода-вывода, подключённых к шине FBUS. Модули ввода-вывода, подключаемые к внутренней шине контроллера, предназначены для организации связи контроллера с датчиками и исполнительными уст-ройствами объекта управления, а также для реализации портов асинхронного последовательного интерфейса RS-232C (модуль NIM742) и RS-485 (модуль NIM741). Порты последовательного интерфейса доступны прикладному программному обеспечению контроллера для организации сетевого обмена по протоколу MODBUS RTU или ASCII в режиме мастера или подчинённого уст-ройства либо для реализации собственных протоколов обмена с удалённым оборудованием средствами библиотеки SysCom, входящей в CODESYS V3.

Для управления элементами и системами оптического тракта ОТ лазера узел сети ПЛК Fastwel может состоять из следующих модулей:

• контроллер универсальный про-граммируемый CPM723-01;
• 2-канальный модуль ввода сигналов термопреобразователей сопротивле-ния AIM72501;
• 8-канальный модуль дискретного вво-да DIM76201;
• модуль интерфейсный RS-485 NIM74101;
• модуль интерфейсный RS-232 NIM74201;
• модуль питания ОМ75401;
• оконечный модуль ОМ75001.

К модулю AIM72501 подключаются датчики температуры (термопреобразователи сопротивления) для контроля температуры в оправах лазерных зеркал, ловушек излучения, лучепроводах и пр. Модули интерфейсные NIM74101 и NIM74201 задействованы для подключения элементов оптического тракта с сетевыми интерфейсами.

На рис. 8 приведён внешний вид твердотельного лазера DTL-413, который задействован при юстировке ОТ. 

На рис. 9 приведён внешний вид модуля управления измерителя мощности ЕА-1 и преобразователя измерительного термоэлектрического лазерного излучения L50(150)A-BB-35 (первичный датчик).

Применение ПЛК Fastwel в управлении оптического тракта позволяет решать такие задачи, как автоматизированная или автоматическая юстировка ОТ, автоматизированный контроль параметров лазерного излучения. Структурная схема БУ ОТ на базе программируемого реле ОВЕН ПР205 представлена на рис. 10.

Конечно, аппаратные и программные ресурсы ПР гораздо скромнее, чем у ПЛК. Но в небольших оптических сборках с определённым набором исполнительных устройств их применение вполне уместно. На рис. 11 приведён скриншот управляющей программы для управления моторизованным приводом 8CMA28-10 в среде OWEN Logic для модификации ПР200-24.4.2.

Заключение

ОТ лазерной системы – это система оптических элементов, используемая для формирования, передачи и регистрации лазерного излучения. Его принцип работы основан на использовании светового излучения и изменении его характеристик с помощью оптических элементов. ОТ может использоваться для различных целей, и его производительность зависит от точного расчёта и настройки каждого его компонента на оптической сборке.

Значимость ОТ в современных технологиях, в том числе и в лазерной технике, – очевидна. 

Без ОТ многие современные технологии были бы невозможны или значительно менее эффективны. Автоматизация ОТ значительно упрощает процесс его разработки и эксплуатации в различных областях науки и техники. Автоматизация позволяет достаточно быстро наращивать его функциональность и добавлять новые опции. Это особенно актуально в научных исследованиях, когда нужно оперативно изменить оптическую схему установки под конкретные задачи.

В настоящее время на российском рынке имеются все необходимые средства автоматизации, в том числе ПЛК и программируемые реле для реализации АСУ лазерных систем на достаточно высоком техническом уровне. Отметим некоторых российских производителей средств автоматизации, в частности, производителей ПЛК, это: Контар, Овен, Segnetics, Fastwel и др. 

Можно привести несколько аргументов в пользу отечественных компаний – изготовителей средств автоматизации.

• Проблема совместимости импортных ПЛК с отечественными инженерными решениями. Например, отечественная промышленность выпускает датчики с выходным токовым сигналом 0…5 мА. У импортных систем ввода/вывода отсутствуют модули ввода под вышеуказанный сигнал. Это не всегда приемлемо.
• Условия применения. Здесь нужно учесть географию и условия применения в нашей стране, а также ментальность пользователей и персонала, эксплуатирующего изделие с АСУ (здесь имеются в виду организации, осуществляющие техническое обслуживание, плановый ремонт изделия и т.д.).
• Разобщённость покупателя и производителя. Большинство официальных дилеров известных зарубежных компаний работает (работало) по принципу: «продал и забыл». Техническая поддержка сведена к минимуму (хотя есть и приятные исключения). Серьёзные проблемы для исполнителя (непосредственного разработчика АСУ и эксплуатационных организаций) появляются на этапе разработки КД и эксплуатации системы, так как для разработки и эксплуатации изделия с АСУ нужна реальная техническая поддержка. 
• Наличие полноценной технической документации. Для отечественного разработчика, который работает в системе «ЕСКД», очень важно, чтобы на все комплектующие АСУ была необходимая техническая документация. А это значит, что на все элементы АСУ должны быть технические условия (разработанные по ГОСТ 2.114-95), должна быть эксплуатационная документация в соответствии с ГОСТ 2.601-2006 и ГОСТ 2.610-2006. 

Всё это можно требовать только от отечественного производителя, который выпускает серийную продукцию в необходимом объёме. ●

Литература

1. Распределённая система ввода-вывода FASTWEL I/O ТУ-4013-00852415667-05.
2. URL: http://www.fastwel.ru.
3. URL: http://CODESYSE.COM.
4. URL: http://www.owen.ru.

© СТА-ПРЕСС, 2024