Мельников В.П. Системи автоматизації та контролю технологічних процесів / Лекційний курс

n1.doc (12 стор.)
Оригінал


  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

БІЛОРУСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра «Інформаційно-вимірювальна техніка й технології»

Лекційний курс з дисципліни: СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ ТА КОНТРОЛЮ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ.

Підготував: зав. лабораторією електричних і магнітних вимірювань ДНУ «Інститут електроніки НАН Білорусі» к.т.н., ст.н.с., 0,5 ст. професора Мельников В.П.
ЗМІСТ

1.Вступ.

2.Основні терміни та визначення.

3.Конструктівно-технологічні особливості поколінь електронної апаратури.

4.Сістемний підхід до технології виробництва ЕА і ієрархічні рівні виробництва.

5.Основние показники, що характеризують технологічні системи.

5.1.Моделі технологічних систем та їх основні показники.

5.2.Процесс функціонування технологічної системи.

6.Експерімент і математичне моделювання технологічних процесів.

6.1.Структура проведення експериментів.

6.2.Планірованіе експерименту та обробка результатів при дослідженні однофакторних залежностей.

6.3.Регрессіонний аналіз і повний факторний експеримент.

7.Основние завдання автоматизації.

8.Оборудованіе для автоматизації складальних операцій в мікроелектроніці.

9.Сістеми автоматизації наукових досліджень.

9.1.Структурное розвиток систем автоматизації експериментів.

9.2.Фізіко-технічні проблеми автоматизації наукових досліджень.

10.Мікроелектронная елементна база систем автоматизації.

10.1.Техніко-економічна ефективність і конкурентноздатність виробів, що випускаються НВО «Інтеграл».

11.Автоматізірованние системи управління виробничими і технологічними процесами.

11.1.Проізводственний процес як об'єкт управління.

11.2.Основние поняття про АСУ.

11.3.Класси структур АСУ.

11.4.Сістемний підхід.

11.5.Автоматізірованние системи управління підприємством.

11.6.Автоматізірованние системи управління технологічним процесом.

11.7.Сістеми автоматизованого управління установками іонної імплантації.

12.Управляющіе обчислювальні комплекси.

12.1.Прінціпи зв'язку УВМ з об'єктом управління.

13.Особенності автоматизації проектування, виготовлення та випробування БІС.

14.Гібкіе виробничі системи.

14.1.Потокі інформації в автоматичному виробничому процесі.

14.2.Інформаціонная база ІАСУ ГПС.

14.3.Промишленние мережі. Особливості побудови.

15.Інформаціонное забезпечення САПР РЕЗ.

15.1.Основи представлення даних в САПР.

15.2.Пакети програм автоматизації проектування РЕЗ.

15.3.Программи конструкторського проектування РЕЗ.

15.4.Программние системи для електродинамічного моделювання.

16.Інтеллектуалізація і штучний інтелект в інформаційних системах.

16.1.Основние напряму «інтелектуалізації» датчиків, сенсорів і мікросенсорних систем.

16.2.Функціі інтелектуалізації.

16.3.Обобщенная схема реалізації «інтелектуального« датчика.

16.4.Особенності реалізації деяких функцій інтелектуалізації.

17.Особенності формування та організації інтелектуальних сенсорних систем.

17.1.Організація інтерфейсів і зв'язок з різнорідними мережами.

18.Основная використана література.


ПЕРЕДМОВА
Предмет і зміст курсу. Метою вивчення дисципліни є формування знань на принципах системного підходу і сучасних тенденцій розвитку методів і засобів вирішення завдань створення автоматизованих систем наукових досліджень (АСНІ), специфічних систем автоматизованого проектування виробів мікроелектроніки (САПР), автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУ ТП), автоматизованих систем управління гнучкими автоматизованими виробничими системами (АСУ ГВС) різних рівнів ієрархії.

У ході вивчення курс студент повинен мати уявлення про проблеми аналізу і моделювання технологічних процесів як об'єктів автоматизації, дослідження їх математичних моделей, про перспективних гнучких автоматизованих виробництвах та їх структурним побудовою.

Знати і вміти використовувати методи побудови широкого класу систем контролю і управління технологічними процесами (стосовно технології виробництва виробів електронної техніки) і виробництвом, включаючи процеси інформаційного та управлінського характеру при створенні перспективних гнучких виробничих комплексів.

Мати навички проведення системного аналізу та синтезу технологічних процесів як об'єктів управління при створенні гнучких виробничих систем, розробляти технічні вимоги та завдання на створення та розробку систем автоматизації нових технічних інтелектуальних засобів автоматизації, використання досвіду і напрямків розвитку сучасних САПР в мікроелектроніці.
1.ВВЕДЕНИЕ
Автоматизація увазі інтеграцію верстатів та обладнання в повністю автоматичну, а в деяких випадках саморегулюючу систему. Передові країни приступили до автоматизації промисловості на початку 1950-х років. Зародившись, як концепція виробництва, сьогодні автоматизація означає багато більше, ніж координація функціонування ряду верстатів та обладнання. В даний час вона здійснюється на всіх рівнях підприємництва і виробництва. Навряд чи знайдеться вид діяльності - соціальної або економічної, не схильний в тій чи іншій мірі впровадженню автоматично керованих пристроїв або систем. Перелік напрямів автоматизації надзвичайно широкий включає, наприклад, запуск і автоматичне пілотування літальних апаратів, виробництво автомобілів, управління рухом транспорту та його маршрутизацію, медичну діагностику, гру в шахи і автоматичне оновлення банківського балансу відповідно до вказівок, які надходять від комп'ютера, який може знаходитися на відстані у багато кілометрів.

З технічної точки зору, автоматизація може розглядатися як останній етап промислової революції. Перший етап цієї революції можна було б охарактеризувати словом «механізація»: ключовим фактором на цьому етапі було використання механізмів і машин замість м'язів. Протягом одного століття частка фізичної праці людини і тварин у промисловості та сільському господарстві знизилася з 90% до приблизно 10%. Малоймовірно, що автоматизація змінить це співвідношення, тому що більшість людей більше не служать як в'ючних тварин або простих джерел енергії. Все частіше люди управляють механічною силою і енергією і діють як сполучна ланка між механізованими операціями, в яких автоматизація здійснила і ще буде здійсню-вати разючі зміни.

Зусилля по автоматизації деяких операцій потокового і дрібносерійного виробництв почалися з розробки верстатів з числовим програмним управлінням. Числове управління за допомогою попередньо запрограмованих перфострічок замінило настроюються вручну кулачки і храповики, які до того часу управляли роботою верстатів. З появою миникомпьютеров стало можливим пряме цифрове управління (ПЦУ). ПЦУ являє собою централізоване управління за допомогою комп'ютера групою верстатів і забезпечує роботу невеликих автоматизованих систем механічної обробки. Коли в середині 1970-х років стали доступні мікропроцесори, з'явилося комп'ютерне числове управління, що дозволило створити верстати, які управлялися окремим мікропроцесором, допускавшим перепрограмування, і виявилися економічно ефективними. У 1960-х роках стали доступні роботи - перепрограмувальні багатофункціональні маніпулятори. Роботи дозволяють забезпечити повну автоматизацію, особливо в таких видах діяльності, які є небезпечними або вимагають точності і високого ступеня повторюваності операції. Ці технології привели до значних успіхів в області обробки матеріалів, що, в свою чергу, послужило важливим чинником у розвитку автоматизації складського господарства.

Успіхи в інформаційній технології, особливо в інтерактивній графіці, зв'язку, системах управління базами даних і в прикладному програмному забезпеченні, дозволили розвинути два важливі напрямки - проектування за допомогою комп'ютерів (САПР) і виробництво за допомогою комп'ютерів (АСУП). Відповідні системи відкривають перспективу значного підвищення ефективності інженерно-технічного та промислового праці.

Майбутнє автоматизації. Хоча важко прогнозувати можливий вплив автоматизації на промисловість і сферу обслуговування, одне здається безсумнівним: тенденція створення та розповсюдження автоматизованих систем збережеться, щоб розробляти вузли та компоненти, а за тим їх погоджувати і будувати автоматичну систему, перевага буде віддана розробці самої системи. Конкретні області технології, а також різних технічних дисциплін, які розвиваються окремо, будуть зближуватися.

При сучасній швидкості змін важко, якщо взагалі можливо, передбачити, що станеться в найближчі 10 років, не кажучи вже про століття або тисячолітті. Нові відкриття і розробки можуть змінити сценарій так само радикально, як зробили це за останні 10 ... 20 років мікропроцесори і Internet. Так, до 2003 р. повинна завершитися реалізація розрахованої на 20 років - міжнародної програми складання детальних генетичних карт, яка дозволить встановити 50 ... 100 тис. генів людини. Це і подібні йому масштабні дослідження можуть внести суттєві зміни в наші фундаментальні уявлення про світ на самому початку нового тисячоліття.

Прийнято вважати, що розвиток технології визначають 3 закону:

1. Закон Мура, сформульований Гордоном Муром з компанії Intel на початку 70-х рр.. свідчить, що продуктивність мікросхем подвоюється кожні 18 місяців. Внаслідок цього швидкодія комп'ютерів зростає, і вартість одиниці обчислювальної потужності зменшується вдвічі за той же термін.

2. Закон Гілдер, запропонований Джорджем Гилдер - плідним автором і пророком нової технічної ери - стверджує, що загальна пропускна здатність систем зв'язку щороку збільшується втричі. Нові розробки свідчать, що збільшення пропускної здатності буде продовжуватися відповідно з цим законом.

3. Закон Меткалфа, приписуваний творцеві Ethernet і засновнику компанії 3COM, встановлює, що цінність мережі пропорційна квадрату числа вузлів. Внаслідок цього у міру розширення мережі цінність перебування в ній зростає експоненціально, тоді як питомі витрати на одного користувача залишаються незмінними або навіть знижуються.

Курцвайль (Kurzweil R. The age of Spiritual Machines. Viking Penguin, 1999) екстраполював закон Мура і передбачив появу до 2030 машин, інтелект яких буде перевершувати людський. Але сам Гордон Мур прогнозує незастосовність до інтегральних мікросхем названого його іменем закону приблизно після 2017 р. - Koгда їх розміри стануть порівнянними з розмірами атома.

Однак Lucent недавно оголосив про можливість розташовувати безліч транзисторів вертикально в кристалі кремнію. Це означає, що замість закону квадрата ми отримуємо закон куба, що забезпечує обумовлене подвоєння продуктивності протягом найближчих 20 років, перш ніж буде, досягнута межа по всіх трьох вимірів. На передній край неминуче вийдуть і інші технології, такі як біочіпи і нанотехнології, що діють подібно закону Мура.

Курцвайль пророкує, що вже в найближчому десятилітті багато людей стануть власниками пари сотень комп'ютерів, ушитих в їх одяг. Можна очікувати, що приблизно за той же проміжок часу практично всі промислові вхідні / вихідні пристрої і процесори будуть мати істотно розширений вбудований інтелект.

Сьогодні, коли групи "нерозумних" сенсорів пов'язані з тими чи іншими промисловими процесорами (ПЕОМ, ПЛК, РСУ), інтелект є, головним чином, прерогативою цього центрального процесора. У міру істотного зниження вартості обчислювальних потужностей вбудовані процесори буду проникати практично в усі пристрої введення-виведення (УВВ) даних, перетворюючи їх на інтелектуальні. Кожне інтелектуальний пристрій (датчик, виконавчий пристрій, пристрій вимірювання або управління) зможе накопичувати, зберігати і видавати інформацію про те, де і ким воно було виготовлено, придбано та встановлено, про робочі характеристики, специфікаціях, інструкціях з експлуатації та ремонту, результати діагностики, наявності запасних частин, можливостях заміни і т.д. Ідеологія "інтелектуальних пристроїв" стане частиною практично будь-якої продукції в сфері промислової автоматики.

Інтелект відкриває нові можливості для діагностики: не тільки після відмови, а й прогнозуючої, та консультативної (тобто з видачею вказівок з техобслуговування). Знання того, що відмова певного елемента системи можливий у найближчому майбутньому дуже корисно.

Важливу роль у діагностиці систем (на відміну від діагностики окремих пристроїв) грає моделювання великих подій, таких як відмови турбіни електростанції або атомного реактора, з розрахунком механізмів реагування. Відмови такого типу набагато простіше діагностувати не шляхом обчислень на великому центральному комп'ютері, а за допомогою методів, передбачають моделювання відмов і розпізнавання образів з відгуків декількох тисяч інтелектуальних точок введення-виведення складної адаптивної системи.

У найближчі кілька років персональні комп'ютери (промислові і вбудовані еквіваленти ПЕОМ) прийдуть на зміну промисловим логічним контролерам (ПЛК) у переважній більшості додатків, головним чином через можливостей програмування на більш високому рівні і менших витратах на під'єднання до ПЕОМ. ПЛК будуть служити для вироблення керуючих сигналів для механізмів і в якості комунікаційних процесорів вводу-виводу для мереж нижнього рівня. Великі розподілені системи керування (РСУ), в свою чергу, поступляться місце інтелектуальним польовим системам введення-виведення.

У найближче десятиліття підтвердиться неадекватність централізованих, ієрархічних структур управління та відімре повністю детерміноване управління. Вимоги до програмного забезпечення, (ПО) старих централізованих систем управління (СУ) стають все більш обтяжливими і, фактично, погано контрольованими. Сьогодні на заводі чи технологічної установці є кілька тисяч сенсорів, трансмиттеров, самописців, дисплеїв, контролерів, виконавчих пристроїв, клапанів і т.д. Стає очевидним, що ієрархічна, детермінована архітектура вже нездатна, підтримувати системи, в яких число позицій контролю та управління перевищує 50 ... 100 тис. (на багатьох великих підприємствах ця межа вже перевищено).

Очікується перехід від традиційного процедурного управління до децентралізованих систем з виробленням управлінь на основі правил. Коли всі точки вводу-виводу (ВВ) стануть інтелектуальними та взаємопов'язаними, управління будуть передаватися локально з інтелектуальних каналам між рівноправними сенсорами і виконавчими пристроями без втручання з боку зовнішнього центрального процесора. Крім підвищення ефективності локального управління зростаюча "зв'язаність" децентралізованих СУ вводить в дію закон Меткалфа (про експоненційному зростанні ефективності) і нову науку про складність СУ. У результаті з'являється абсолютно новий тип систем: складні адаптивні системи (complex adaptive systems) - САС.

Функціонування САС принципово відрізняється від функціонування традиційних детермінованих ієрархічних СУ. Незалежні, інтелектуальні, автономні УВВ та управління взаємодіють, використовуючи механізми, засновані на правилах (типу "якщо трапилося А, то робити В"). Принаймні ускладнення взаємодії система реагує і адаптується до зміни обстановки та вимог. Аналоги генетичних алгоритмів усувають неефективні операції і стимулюють вдосконалення системи.

САС володіють істотними перевагами за рахунок зменшення обсягу ПО, більш простий і швидкої установки, робастних характеристик, значно більшої гнучкості та здатності обробляти істотно більшу кількість імпульсів від УВВ. Традиційні концепції відмовостійкості застарівають, оскільки надмірність реалізується безпосередньо на рівні введення-виведення. САС робастного чинності незалежності їх роботи від відмови в одній чи навіть у декількох точках. Система пристосовується до роботи в умовах подібного відмови. САС може забезпечити значно вищі виробничі показники завдяки своїм можливостям самоорганізації та зміни поведінки. У найближче десятиліття такі системи з'являться в області промислової автоматики та управління.

Поняття про ПО, як про якийсь окремому, зовнішньому об'єкті в найближчі 10 років в значній мірі зникне. "Математика" просто станет частью соответствующего продукта (в отличие от сегодняшних программно-аппаратных средств). Внешнее ПО понадобится лишь для браузеров - все остальное будет представлять собой Java-апплеты и аналогичные клиентские задачи, запускаемые серверами при соединении или объектами, постоянно находящимися внутри продуктов.

Наибольший рост компаний-производителей ПО в последнее время происходил, главным образом, за счет человеко-машинных интерфейсов (ЧМИ) и приложений, обеспечивающих УВВ возможностями управления и отображения. По мнению многих авторов, большинство компаний, выпускающих в настоящее время ЧМИ и ПО для систем управления, будут "подниматься" к системам планирования материальных ресурсов (material resource pianning - MRP) и АСУП (manufacturing execution systems - MES), а большинство нынешних функций ПО "спустятся" на уровень встроенных программ и запускаемых самим продуктом апплетов.

В условиях современных предприятий "островки автоматизации" прошлого неуклонно растворяются по мере подключения практически всего возможного к централизованным сетям. Сегодня имеются сети трех уровней: устройств (нижний), СУ (средний) и предприятия (верхний). Стандарт fieldbus будет вытеснен благодаря появлению нескольких параллельных (или, возможно, перекрывающихся) стандартов, отвечающих нуждам конкретной отрасли промышленности и/или защиты окружающей среды. В качестве стандартов внешнего соединения системы или машины будут использоваться промышленные расширения Ethernet и TCP/IP. В ближайшие годы мы станем свидетелями продвижения Ethernet на все уровни при качественных (быстродействие и детерминизм) и стоимостных показателях, устраняющих необходимость в поиске альтернатив.

Коммуникационная инфраструктура быстро развивается в сторону подсоединения всего и вся к Internet не только через высокоскоростные цифровые абонентские линии и кабельные модемы, но и во все большей степени через системы беспроводной связи третьего поколе­ния. В ближайшие год-два кремниевые кристаллы позволят поддерживать беспроводную радиосвязь со скоростью передачи, превышающей ту, которую сегодня могут обеспечивать наземные линии связи на основе витой пары, и сравнимой со скоростью передачи по кабелю. Это окажет существенное влияние на промышленные СУ. Беспроводная связь третьего поколения, включающая новую технологию локальных сетей Blueiooth , позволяет просто, эффективно и экономично связать практически все УВВ и сделать их частью архитектуры САС.

Сдерживающим фактором внедрения беспроводной связи в промышленности является опасность несанкционированного доступа. Эта проблема решается с помощью современных методов криптографии, которые уже широко применяются в банковской и биржевой сферах. Приспособление этих методов для промышленной автоматики станет относительно несложным.

На сегодняшнем предприятии операторная - все еще центральный узел, вокруг которого вертится весь производственный процесс. Завтра управлять можно будет с помощью портативных беспроводных компьютеров, которые будет носить с собой обслуживающий персонал (как теперь носит мобильные телефоны). Эти персональные цифровые помощники (personal digital assistants ~ PDA) будут подключаться через Web ко всему необходимому для работы с тем или иным объектом (документацией по каждому продукту, аппарату, станку), а также общезаводскими службами техобслуживания, диагностики и ремонта.

Достижения последних лет стали результатом воздействия закона Мура (рост производительности компьютеров) в сочетании с законами Гилдера (расширение пропускной способности) и Меткалфа (возможности связи через Internet). В ближайшее десятилетие это воздействие будет стабильно распространяться в сфере промышленной автоматизации.
2.ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Из примерно 70 основных наиболее встречающиеся терминов можно выделить те , из которых производными являются большая часть остальных .(См. Термины и определения по ГОСТ 17194-71 .Автоматизированные системы управления технологическими процессами.).

Автоматика .

Отрасль науки и техники ,исследующая и применяющая теорию автоматического построения автоматических систем и технические средства образующие эти автоматические системы.

Алгоритм функционирования устройства (системы).

Совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технологического процесса в каком-либо устройстве (в совокупности устройств, составляющих систему).

Управляемый объект.

Устройство (совокупность устройств), осуществляющих технический процесс, которое нуждается в специально организованных воздействиях извне для осуществления его алгоритма функционирования.

Автоматическая система управления (автоматическая система, система автоматического управления)

Совокупность управляемого объекта (нескольких объектов) и автоматического управляющего устройства (нескольких устройств), взаимодействующих между собой.

Структура автоматической системы управления (части автоматической системы управления).

Совокупность частей автоматической системы управления, на которые она может быть разделена по определенным признакам, и путей передачи воздействий между ними образующая автоматическую систему (самостоятельную часть автоматической системы).

Алгоритмическая структура автоматической системы управления (части автоматической системы управления).

Структура автоматической системы управления (части автоматической системы управления),где каждая часть предназначена для выполнения оределенного алгоритма преобразования информации, являющегося частью алгоритма функционирования автоматической системы управления (алгоритм преобразования информации есть совокупность предписаний в отношении преобразования информации).

Функциональная структура автоматической системы управления (части автоматической системы управления).

Структура автоматической системы управления (части автоматической системы управления),где каждая часть предназначена для выполнения определенной функции ( под функциями можно понимать как основные функции автоматического управляющего устройства получение информации, переработка информации и т.п., так и более частные - передача сигналов, сравнение сигналов, преобразование формы представления информации).

Конструктивная структура автоматической системы управления (части автоматической системы управления).

Структура автоматической системы управления (части автоматической системы управления),где каждая часть представляет самостоятельное конструктивное целое.

Структурная схема автоматической системы управления (части автоматической системы управления).

Графическое изображение структуры автоматической системы управления (части автоматической системы управления).Схема, определяющая основные функциональные части изделия ,их назначение и взаимосвязи. Структурные схемы разрабатываются при проектировании изделий (установок) на стадиях, предшествующих разработке схем других типов, и используются при эксплуатации для общего ознакомления с изделием (установкой). Функциональная схема.

Схема, разъясняющая определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия (установки) или в изделии (установке) в целом. Функциональными схемами пользуются для изучения принципов работы изделий (установок),а также при их наладке, регулировке, контроле и ремонте.

Принципиальная (полная) схема.

Схема, определяющая полный состав, в элементов и связей между ними и как правило, дающая детальное представление о принципах работы изделия (установки).Принципиальные (полные) схемы служат основанием для разработки других конструктивных документов, например схем соединений (монтажных) и чертежей; пользуются ими для изучения принципов работы изделий (установок) а также при их наладке, регулировке и ремонте. Примечание .Если в состав изделия )установки) входят устройства, имеющие собственные принципиальные (полные) схемы ,то такие устройства в схеме изделия (установки) следует рассматривать как элементы. В этом случае детальный принцип работы изделия (установки) определяется совокупностью его принципиальной (полной) схемы и принципиальных (полных) схем этих устройств.

3.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
3.1. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Современная электронная аппара­тура (ЭА) представляет собой сложный комплекс технических устройств, объединенных общим управлением и предназначенных для автоматического приема, преобразования, обработки и передачи информации в соответствии с заданным алгоритмом.

С конструктивно-технологической точки зрения ЭА — это совокупность механических деталей, активных и пассивных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), интегральных микросхем (ИМС), объединенных в функционально законченные сборочные единицы, и их модульная компоновка.

Базовые конструкции аппаратуры имеют несколько уровней модульности, предусматривающих объединение простых модулей в более сложные. По мере развития ЭА элементная база и состав модулей изменяются, изменяется и технология их изготовления. Это удобно проследить, рассматривая поколения выпускаемой ЭА(рис. 3.1).

Первое поколение (20—50-е гг.) характеризовалось использованием электровакуумных приборов (ЭВП), электромеханических коммутационных элементов (КЭ) и объемных ЭРЭ. В качестве начального уровня использовался объемный модуль (ОМ), под которым подразумевалась часть схемы, выполняющая определенную функцию (формирование, усиление, преобразование сигнала) и имеющая законченное конструктивное оформление. Электрическое соединение ЭРЭ на всех уровнях осуществлялось вручную с применением проводного (объемного) монтажа. Аппаратура имела большие габариты и массу, низкую надежность, высокую трудоемкость сборки, низкую плотность монтажа (не более 2— 5 соед/см 2), потребляла большое количество электроэнергии (1—100 кВт).

При дальнейшем развитии ЭА возникло противоречие между стремлением конструкторов повысить плотность монтажа и большой мощностью, рассеиваемой ЭВП, которое разрешилось созданием новой элементной базы — полупроводниковых приборов (ППП).











III






Рис. 3.1. Структурные схемы поколений ЭА

Второе поколение (50—60-е гг.) характеризовалось широким применением дискретных ППП, микромодулей из объемных ЭРЭ, внедрением печатных плат (ПП) на этапе сборки функциональных ячеек. Межблочные соединения выполнялись жгутовым монтажом. Плотность монтажа увеличилась в 10 раз и составила 15—20 соед/см 2, в 10 раз увеличилась производительность процессов сборки за счет групповой пайки волной припоя, объем функциональных ячеек уменьшился в 20—25 раз, потребляемая мощность — в 10-20 раз.

Третье поколение (70-80-е гг.) характеризовалось использованием интегральных элементов и созданием типовых элементов сборки (ТЭС), которые отличались упорядоченным расположением элементов, что позволило использовать их механизированную установку на платы. ИМС стала модулем первого уровня, а плотность упаковки достигла 500 элем/см 2.

Вначале превалировали аналоговые ИМС на основе биполярных транзисторов. Начиная с 1975 г. большее распространение получили цифровые ИМС на основе МОП-структур (металл—оксид—проводник), которые обладали существенными преимуществами по возможности миниатюризации, энергопотреблению и высокому проценту выхода годных изделий. Объем блоков уменьшился в 20 раз, потребляемая мощность — в 15 раз, а производительность труда увеличилась в 3— 5 раз по сравнению со вторым поколением ЭА.

Для монтажа функциональных ячеек (ФЯ) стали применяться многослойные печатные платы (МПП), а внутриблочный монтаж проводили с помощью коммутационных печатных плат (КПП) и гибких печатных кабелей (ГПК). Межблочные соединения выполнялись методом накрутки с помощью эффективного полуавтоматического и автоматического оборудования. Это позволило достигнуть высокой идентичности и надежности аппаратуры и снизить ее себестоимость, широко применять автоматизацию производства.

В дальнейшем возникло новое противоречие: степень интеграции элементов в одном кристалле достигла 10 5 элементов, а габариты блоков оставались значительными из-за громоздких функциональных, коммутационных и других элементов.

Четвертое поколение (80-е гг.) характеризовалось использованием микроблоков, которые содержали микросборки частного применения, бескорпусные ИМС, большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС), акусто- и оптоэлектронные приборы, а также безвыводные поверхностно-монтируемые ЭРЭ и ИМС.

Основной конструктивной единицей оставался ТЭС, но для его изготовления использовались методы поверхностного монтажа, внутриблочный монтаж полосковыми линиями (ПЛ) и ГПК. Плотность монтажа увеличилась, объем монтажа уменьшился в 20 раз, потребляемая мощность — в 50 раз. производительность труда увеличилась в 40—50 раз по сравнению со вторым поколением.

Совершенствование элементов памяти на полупроводниковых структурах для внутренних запоминающих устройств (ЗУ) позволило в едином технологическом цикле на одной подложке создавать не только матрицы |памяти, но и схемы управления ЗУ.Таким образом были созданы микро- процессоры — устройства обработки цифровой информации, состоящие из памяти, операционной и управляющей частей. Быстродействие электронных приборов по сравнению со вторым поколением возросло на два порядка, что привело к расширению их функциональных возможностей в обработке информации с быстродействием до 1 Гбит/с.

Многие виды СБИС, например анализаторы и синтезаторы речи, ЗУ, удовлетворяли требованиям обработки больших объемов данных, свойственных эре информации. Так, в 90-х гг. до 50 % из всего работающего населения в США и 35—40 % в Западной Европе и Японии было занято в сфере информации. Успехи в развитии технологии СБИС как ключевого элемента систем обработки информации оказали глубокое влияние на всю мировую экономику.

Пятое поколение (90-е гг.) характеризуется использованием много-кристальных модулей (МКМ), сверхпроводниковых схем и элементов, вхождением в молекулярную электронику. Это потребовало создания новых материалов, сверхчистых и безлюдных технологий. Повышение степени интеграции изменило состав и структуру конструктивных уровней компоновки ЭА: увеличилась сложность элементной базы, уменьшилось число уровней, снизилась сложность конструкции устройств, т. е. микроэлектронные изделия заняли уровни более высокой функциональной сложности.

В XXI в. темпы внедрения инноваций в микроэлектронику будут еще выше. Так, программа развития национальной полупроводниковой промышленности США (National Technology Roadmap for Semiconductors) в 2001 г. предусматривает переход на топологический размер 0,15 мкм, плотность элементов достигнет 10 7 / см 2, алюминиевая металлизация будет заменена на медную.

Анализ развития ЭА позволяет не только установить особенности современной аппаратуры, но и наметить перспективные пути развития технологии ее производства.

К конструктивно-технологическим особенностям ЭА относятся:

• постепенное усложнение и переход от аппаратов к сложным комплексам и системам;

• прогрессирующая микроминиатюризация изделий;

• модульная компоновка из функционально законченных схем и блоков;

• изготовление отдельных модулей и последующая их сборка в более сложные единицы;

• автоматизация проектирования, изготовления и управления производством.

Таким образом, микроминиатюризация и повышение степени интеграции определяют комплексный подход к разработке ЭА, включающий во взаимосвязи решение системе-, схемотехнических и конструкторско-тех-нологических вопросов.
Навчальний матеріал
© ukrdoc.com.ua
При копіюванні вкажіть посилання.
звернутися до адміністрації