Сберегаем десятки часов в месяц или история об экономии времени и денег и автоматизации научной лаборатории

О чем эта статья

Michael Ushakov
4 min readMay 17, 2023

В этой статье я расскажу о том как мы (компания ООО «Висанс») смоги автоматизировать работу научной ядерно-физической лаборатории и как получили значимый в практическом плане результат, который может быть использован и при автоматизации других лабораторий/производств. Вкратце наша система автоматизации позволила сэкономить 14–16 часов рабочего времени, и деньги т.к. появилась возможность прогнозировать завершение измерений более оперативно, т.к. происходит распад источника и с каждой секундой активность становится меньше, после определенного соотношения сигнал/шум дальнейший набор статистики не имеет никакого смысла и даже является бессмысленным расходованием времени жизни источника излучения т.е. пустой тратой денег. TL;DR;

Объект управления / автоматизации

Исторически сложилось, что лаборатория, в которой, я являюсь, параллельно с моей компанией, научным сотрудником, проводит уникальные измерения интересных с научной точки зрения объектов методом мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением. Часть измерений проводится на наших (разработки компании Висанс) спектрометрах, а часть — на спектрометрах СМ-2201 поздней Советской разработки (1989), при этом СМ-2201 является до сих пор непревзойденным по характеристикам (наши новые спектрометры пока только приближаются к нему по характеристикам). Поскольку спектрометры СМ-2201 отлично работают и самое главное дают новый научный результат, то мы их активно эксплуатируем, но недостатком является невозможность автоматизации их работы имеющимися средствами (как собственное ПО так и любое сторонне). Эти спектрометры управляются MS-DOS программным обеспечением, запускаемым из под Windows 98, что, в принципе, на старте работ давало нам надежду на то, что это можно автоматизировать.

Что мы делаем и что хотели получить

До внедрения нашей системы автоматизации процесс контроля представлял периодическое и частое появление в лаборатории для проверки работы оборудования:

* проверка, что установка не отключилась (вообще такое бывает в зависимости от времени года од одного раза в полгода, до нескольких раз в месяц)

* даже при наличии питания на установке необходимо поверить состояние высокого напряжения на детекторе и наличие движения в каждом канале, в противном случае набора не будет ( в первом случае), либо будет набираться шум;

* перебросить спектры с компьютера, к которому подключен спектрометр, на тот, который подключен к сети интернет для последующей отправки тому сотруднику, который займется их обработкой.

В целом вся эта рутина занимает ок, 15–30 мин, а поскольку контролировать нужно несколько раз в день (как минимум 2), а также прибавить к этому времени время в дороге, то только такая минимальная процедура занимает от 5 до 12 часов времени в неделю, в случае сбоя оборудования перезапуск может занять до двух часов.

Мне сразу надоело тратить на это свое время, но были технические трудности, которые стояли на нашем пути.

Что сделали и что получили (как добились результата)

Первая сложнейшая проблема — MS-DOS, в процессе контроля и управления спектрометром мы сохраняем файл спектра и уже далее на компьютере с современной виндой его анализируем. Здесь есть 2 момента: первое — спектры по каждому из каналов необходимо считывать из оборудования и сохранять вручную, т.е. требуется ввод команд с клавиатуры, второе — часто бывает полезно иметь несколько спектров одного объекта, т.е. чтобы в случае сбоя можно было вернуться к промежуточному результату и продолжить измерение с этой точки. Ни одно готовое ПО не позволило управлять MS-DOS приложением, поэтому нам пришлось написать собственного агента и еще и драйвер в придачу, теперь мы можем манипулировать (любой ввод) MS-DOS приложениями из Windows. Агент это только часть этой системы, его задача периодически эмулировать ручной ввод и перемещать спектры в иерархическом виде в папку = имя спектра, а уже к конкретному файлу мы дописываем таймстэмп в виде год-месяц-день_час-минута-секунда (например, 1f120223/1f120223–2023–02–19_15–16–44.spc). Видео о том как работает наш агент можно посмотреть здесь. Внедрение агента позволило возвращаться к любой промежуточной точке измерения и отслеживать негативные процессы, но не избавило нас от необходимости появления в лаборатории для контроля, поэтому мы пошли дальше. Эти спектры нужно собирать и анализировать, для этого нужен дополнительный компьютер, а компьютер спектрометра должен быть подключен к внутренней локальной сети. В качестве такого компьютера был выбран одноплатный ПК Raspberry Pi, но вот незадача, он показывает невысокую стабильность при разного рода сбоях по питанию и не только, наверное, около 3 месяцев я только тюнинговал его, чтобы он мог работать стабильно и на сегодняшний день он работает 6 месяцев без сбоев и выключений, кому интересно вот ссылка на технические детали моего тюнинга. Поверх него было написано веб приложение на языке C# и платформе netcore которое занимается следующими вещами:

* собирает сохраненные спектры и анализирует периодичность, если произошел сбой, то автосохранение отсутствует, что приводит к генерации сообщения через Telegram, несколько раз в день (период настраивается) происходит отправка сообщений через электронную почту сотрудником лаборатории для анализа;

* автоматически архивирует (это не процесс сжатия) уже законченные измерения и перемещает спектры из шаредной папки в сетевое хранилище;

* автоматически провод анализ проблем (отсутствие набора между двумя сохранениями, увеличение шума в спектрах) и уведомляет через Telegram;

* доступ к информации о накапливаемых спектрах и к самим файлам спектров через Web API (в будущем появится полноценный Web-портал).

Дополнительно очень важно отметить, что для повышения стабильности работы мы установили ИБП с кабинетом аккумуляторов на 4 часа бесперебойной работы, что позволило защититься от внезапных сбоев по питанию, но другие аспекты контроля остались. Стоимость оборудования составила не более 200

В ближайшем будущем есть планы для подключения AI (искусственного интеллекта с машинным зрением) для контроля приборных стоек и криосистем.

Выводы

Спасибо всем, кто дочитал. Как вывод я могу сказать, что сотрудники лаборатории стали жить более расслабленно без страха сбоев и отсутствия необходимости проводить проверки оборудования, оперативно получать научные результаты (файлы спектров) и мы сэкономлено ~14–16 часов рабочего времени и просто времени жизни в неделю, мы смогли интегрировать довольно старое оборудование в современную систему. Как реклама, мы готовы автоматизировать работу любой другой лаборатории/производства и интегрировать самое разное оборудование в единую систему причем даже то, которое казалось бы невозможно автоматизировать, связь с нами через форму обратной связи на сайте — https://wissance.com .

--

--

Michael Ushakov

I am a scientist (physicist), an engineer (hardware & software) and the CEO of Wissance (wissance.com)