ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 45-50
_ ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ _
- ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ -
УДК 533.9.07:681.5
СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ УСТАНОВКИ "ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА"
© 2004 г. Д. Н. Степанов, А. Н. Шукаев, П. А. Багрянский, А. А. Лизунов, А. В. Аникеев
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Описаны основные задачи по автоматизации установки "Газодинамическая ловушка". Рассмотрены принципы реализации существующей и проектируемой систем управления установки, дан обзор построения системы сбора данных на базе РС-совместимых э.в.м. с поддержкой приборов, выполненных в различных технологических конструктивах. Описано построение системы управления атомарной инжекцией на основе существующей системы сбора данных.
С 1986 г. в Институте ядерной физики СО РАН работает установка "Газодинамическая ловушка" (ГДЛ) [1], на которой проводятся эксперименты по удержанию ионно-горячей плазмы с высоким давлением. Основная задача этих исследований -проектирование источника нейтронов 14 МэВ [1] для материаловедческих и других целей. На установке имеется ряд систем диагностики для измерения профиля плотности плазмы, электронной и ионной температуры, энергосодержания, радиационных потерь и др., данные с которых необходимо собирать и накапливать в едином месте для дальнейшей обработки. Элементы диагностики распределены по всей площади установки и обслуживаются десятками измерительных приборов; регистрирующая база составляет 150-200 измерительных трактов. Периодичность запусков ("выстрелов") ГДЛ составляет 2-5 мин при продолжительности самого "выстрела" примерно 150 мс. Основной регистрирующей аппаратурой являются приборы стандарта КАМАК [2]. Общий объем данных, собираемых в одном "выстреле", составляет от сотен килобайт до нескольких мегабайт.
Программно-аппаратный комплекс предназначен для решения следующих задач:
1) выработка последовательностей управляющих импульсов для подсистем и узлов установки (плазменная пушка, катушки магнитных полей, диагностические и нагревные инжекторы, электродуговые распылители титана, конденсаторные батареи), обеспечивающих цикл работы установки;
2) инициализация, тестирование, сбор данных с регистрирующей аппаратуры, долговременное хранение, визуализация и обработка полученных экспериментальных данных;
3) средства реагирования на потенциально аварийные ситуации и обеспечения безопасности работ на установке;
4) средства наладки и тестирования.
Исходя из этих задач, программное обеспечение установки делится на две основные части: систему управления и систему сбора данных. Средства наладки и тестирования входят в состав этих систем, также существуют и отдельные утилиты для проверки аппаратуры вне экспериментального цикла. Под средствами обеспечения безопасности понимаются проверки, предотвращающие перезарядку батарей, доступ людей к опасным частям установки во время проведения эксперимента и т.п.
По мере совершенствования установки ГДЛ, аппаратной и измерительной базы и роста возможностей э.в.м. в целом на установке вводились в строй различные варианты систем автоматизации. Первая система автоматизации (1987-1994 гг.) была построена на основе нескольких э.в.м. "Электроника 60" (позднее "Электроника МС 1212") под управлением операционной системы RSX-11M [3]. Второе поколение систем автоматизации (с 1995 г.) включало построение управляющих элементов КАМАК на базе интеллектуальных транспьютерных крейт-контроллеров, также впервые была реализована распределенная архитектура со связью IBM PC-совместимых машин по сети Ethernet, что позволило оборудовать более удобные рабочие места для экспериментаторов. Элементы этой системы работают и сейчас. В настоящее время происходит внедрение третьего поколения систем автоматизации, обсуждению нового программно-аппаратного комплекса и посвящена данная статья.
Коротко опишем работающую сейчас систему управления. Система основывается на приборах
конструктива КАМАК, среди них можно выделить следующие управляющие элементы. Во-первых, это генераторы временных интервалов, формирующие импульсы запуска различных узлов, таких как диагностические и нагревные инжекторы, катушки полей и др. Во-вторых, это преобразователи код-скважность, управляющие зарядкой конденсаторных батарей. В третьих, это управляющие реле, служащие для включения/выключения различных механических узлов и датчики, контролирующие их состояние. Также в системе управления используется некоторое количество а.ц.п. для систематического контроля сигналов, например, инжекторной подсистемы. В КАМАК-крейтах установлены транспьютерные крейт-контроллеры, разработанные в Институте ядерной физики СО РАН. В контроллеры загружаются программы, реализующие этапы экспериментального цикла; таким образом, набор крейтов КАМАК является достаточно самостоятельной системой, способной контролировать работу функциональных узлов установки без управления извне. Транспьютерные контроллеры связаны с головной э.в.м. системы управления и получают от нее текущие параметры эксперимента, команды на включение тех или иных подсистем и проведение выстрела в целом; на головную э.в.м. возвращаются импульсные осциллограммы, отображающиеся в виде графиков и позволяющие судить о правильности прохождения экспериментального цикла.
Система управления в описанном виде проработала 7 лет. К сожалению, c момента ввода этой версии системы управления транспьютерные системы в целом не получили развития; применяемые в крейт-контроллерах системы управления процессоры фирмы INMOS были сняты с производства, в связи с чем в последнее время наблюдаются трудности с обслуживанием и ремонтом данного компонента системы, отсутствует и должная программная поддержка таких контроллеров. В настоящее время появились благоприятные возможности для существенной переработки аппаратно-программного комплекса системы управления установкой.
Новая аппаратура системы управления ГДЛ разработана также в Институте ядерной физики СО РАН в 2001-2003 гг. Функционально она содержит такие же конечные базовые элементы для управления электроникой установки, как и упоминавшиеся модули КАМАК, т.е. генераторы временных интервалов, преобразователи код-скважность и др., однако выполнены они иначе.
Основой управляющего комплекса системы являются два периферийных контроллера общего назначения, один из которых находится в помещении высоковольтного модуля конденсаторных батарей, а второй - на экспериментальной площадке. Оба
контроллера имеют идентичную схему построения и содержат коммуникационный процессорный модуль IP302 [4] на базе микроконтроллера Motorola MC68EN302 с поддержкой канала связи Ethernet 10baseT под управлением операционной системы RTEMS. К процессорному модулю подключены многоканальный генератор импульсов синхронизации и набор сменных устройств ввода/вывода. Устройствами ввода/вывода контроллера общего назначения могут служить регистры ввода/вывода с трансформаторной и оптронной гальванической развязками, многоканальные преобразователи код-скважность для формирования опорных напряжений соленоидов магнитных полей, а также многоканальный цифровой вольтметр для измерения напряжений на батареях, контроля вакуумных условий и температур конструктивных элементов установки.
К контроллерам общего назначения присоединяются шесть вспомогательных контроллеров инжекторов, также базирующихся на процессорном модуле IP302 и конструктивно разделенных на базовую и выносную части. Базовая часть содержит собственно коммуникационный модуль IP302, 16-канальный 12-разрядный а.ц.п. AD7490 с буферным запоминающим устройством (32K байт), предназначенный для контроля импульсных сигналов на элементах инжектора и параметров формируемого ими атомарного пучка, а также генератор временных интервалов на основе программируемой логической интегральной схемы Altera для формирования временной диаграммы запусков инжектора. К базовой части через оптоволоконный последовательный интерфейс связи подключен выносной модуль, управляющий источниками питания инжекторов. Он основан на управляющем микроконтроллере Atmel AT90S8535 со встроенным 8-канальным 10-разрядным а.ц.п., используемым для циклического контроля квазистационарных напряжений источников питания. Также в состав выносного модуля входит 4-каналь-ный 12-разрядный ц.а.п. MAX504, формирующий опорные напряжения источников питания, 8-ка-нальный входной регистр с оптронной гальванической развязкой и 8-канальный регистр управления с выходными каскадами на базе твердотельных реле. Регистры ввода/вывода используются для включения механических подсистем инжектора и контроля исполнения команд.
Контроллеры общего назначения связываются с головной э.в.м. системы управления непосредственно в рамках локального сегмента сети Ethernet, а для синхронизации между собой имеют два вспомогательных канала связи и общую линию блокировки, предназначенную для возвращения аппаратуры в исходное состояние при нештатных ситуациях. Особенность новой аппаратуры заключается в широком использовании оптоволоконных линий связи и дифференциаль-
ных линий с оптронной гальванической развязкой, что позволяет существенно повысить устойчивость системы к внешним электромагнитным наводкам и отказаться от применения дополнительного экранирования.
В системе сбора данных установки ГДЛ за последние три года транспьютерные контроллеры были заменены на персональные э.в.м. Рассмотрим основные принципы построения системы.
С аппаратной точки зрения система сбора данных ГДЛ является трехуровневой: нижний уровень составляют собственно измерительные приборы, на среднем уровне находятся э.в.м., стоящие в непосредственной близости от измерительных приборов на установке. Необработанные сигналы, собираемые машинами среднего уровня, по сети Ethernet передаются в головную э.в.м. верхнего уровня, производящую унификацию и обработку данных и запись в архив эксперимента. Полученная информация в необходимой мере сразу же визуализируется, позволяя судить о ходе эксперимента и вносить необходимые к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.