Разработка аппаратуры унифицированных контроллеров оборудования для систем управления электрофизическими установками ускорителей

• Автор: Матюшин, Александр Андреевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Протвино
• Количество страниц: 97 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
Широкая программа научных исследований в области фундаментальной физики, а также в прикладных областях медицине, биологии, химии, материаловедении, проводимая в физических центрах мира, предъявляет высокие требования к ускорителям частиц основному инструменту исследователей. Достижение рекордных характеристик, многорежимность, стабильность параметров и наджность работы немыслимы без использования компьютеризированных систем управления. Системы управления современных ускорителей представляют собой многоуровневые комплексы аппаратнопрограммных средств, имеющие схожие принципы построения, но отличающиеся подходами к решению задач управления, степенью использования вычислительных средств, применяемой аппаратной базой, а также временем создания.
Применение компьютеров для управления ускорителей началось в е годы 1. Но лишь наджные и быстродействующие миникомпьютеры х привели к более широкому внедрению вычислительной техники в СУ 2. В это время были созданы такие известные внутренние аппаратные стандарты как МРХ 3, 4 и другие, сохранившиеся до сих пор. В период гг. аппаратура в международном стандарте САМАС 5 доминировала в системах управления ускорителей 6,7. Широкое внедрение микропроцессоров в СУ ускорителей в е годы 8,9, продлило жизнь стандарта САМАС, но и показало присущие ему ограничения. Поэтому начались поиски преемника стандарта САМАС с многопроцессорной, магистральномодульной архитектурой. Подобная работа проводилась в ряде международных организаций I, I, в отечественных научных центрах, в том числе и в ИФВЭ, где изучалась возможность реализации стандартов II и 1 . В проектах систем управления начала гг. стали появляться коммерческие магистральномодульные системы 6,, из которых международный стандарт V получил наибольшее распространение. Каркас V с процессорами семейства МСххх заменил компьютеры переднего края архитектуры х ,. Аппаратура в стандарте V стала использоваться для измерения параметров пучка и токов магнитов ,, в системах со сложными алгоритмами управления, в том числе в петлях обратной связи или как системы сбора данных общего назначения . Для СУ новых ускорительных установок, например , стандарт УМЕ
стал базовым аппаратным стандартом ,. Возможность модификации, а не разработка новой системы, сделали V привлекательным в проектах, рассчитанных на длительный срок эксплуатации . Применение аппаратуры в стандарте V продолжало возрастать благодаря хорошей поддержке на рынке и отслеживанию передовых технологий . Одной из новинок явилось введение в V так называемых мезонинных технологий. Сменные мезонинные платы расширяют функциональные возможности стандартных процессорных модулей носителей и позволяют скомпоновать требуемую для каждого конкретного применения конфигурацию . Для применения совместно с V комитет VI рекомендовал стандарт I I, пользующийся широкой поддержкой производителей электронной аппаратуры .
Одновременно с развитием элементной базы архитектура систем управления изменялась от централизованной, до распределнной и многоуровневой. Независимо от разнообразия ускорительных установок в архитектуре СУ каждой из них наблюдаются общие черты. В результате к середине х годов было выработано единое понимание составных частей и функций так называемой стандартной архитектуры СУ ускорительной установки . В зависимости от размеров и сложности стандартная модель СУ насчитывает 2 или 3 уровня. На нижнем уровне стандартной архитектуры находятся контроллеры оборудования КО, которые встраиваются или максимально приближаются к объекту управления. В общем случае под контроллером оборудования понимают многомодульный каркас или отдельный специализированный блок, которые непосредственно подключаются к управляющему оборудованию и имеют унифицированный интерфейс с системой управления. Различают унифицированные КО, выполненные в стандартах V, САМАС, 1, СУММА ВЕКТОР, , МРХ, и т.д., и специализированные, обычно встраиваемые в оборудование контроллеры , 8 и др Основные функции, выполняемые контроллерами оборудования в СУ ускорителей, следующие

преобразование входных сигналов и сбор данных в реальном времени

буферизация преобразованных данных для последующей обработки

допусковый щелевой контроль входных сигналов

выработка управляющих воздействий

генерация функциональной зависимости

регулирование в петле обратной связи

набор статистических данных
надзор за управляемым оборудованием и выработка аварийных сообщений
синхронизация с другими системами
поддержка протокола обмена с верхним уровнем
предварительная обработка и сжатие данных и др.
В данной работе рассматриваются подходы и технические решения, использованные автором при разработке аппаратуры унифицированных контроллеров оборудования, выполненных в стандартах V, СЛМАС, 1 и СУММА ВЕКТОР, для систем управления электрофизическими установками ускорителей.
Актуальность


Одновременно с развитием элементной базы архитектура систем управления изменялась от централизованной, до распределнной и многоуровневой. Независимо от разнообразия ускорительных установок в архитектуре СУ каждой из них наблюдаются общие черты. В результате к середине х годов было выработано единое понимание составных частей и функций так называемой стандартной архитектуры СУ ускорительной установки . В зависимости от размеров и сложности стандартная модель СУ насчитывает 2 или 3 уровня. На нижнем уровне стандартной архитектуры находятся контроллеры оборудования КО, которые встраиваются или максимально приближаются к объекту управления. В общем случае под контроллером оборудования понимают многомодульный каркас или отдельный специализированный блок, которые непосредственно подключаются к управляющему оборудованию и имеют унифицированный интерфейс с системой управления. Различают унифицированные КО, выполненные в стандартах V, САМАС, 1, СУММА ВЕКТОР, , МРХ, и т. В данной работе рассматриваются подходы и технические решения, использованные автором при разработке аппаратуры унифицированных контроллеров оборудования, выполненных в стандартах V, СЛМАС, 1 и СУММА ВЕКТОР, для систем управления электрофизическими установками ускорителей. Актуальность выполненных работ определялась необходимостью создания аппаратнопрограммных средств для эффективного решения задач управления и сбора данных в системах управления действующих ускорителей с целью освоения новых режимов или в процессе модернизации систем управления. Представленная в диссертационной работе аппаратура была разработана для СУ электрофизическими установками ИФВЭ канат медленного вывода, каналы вторичных частиц, канал инжекции УНК, в процессе модернизации СУ , системы управления криогенным оборудованием ускорителя , задающего генератора бустера I. Несмотря на возможность использования в СУ коммерческой аппаратуры , , , потребность в собственных разработках сохраняется, по крайней мере, по трм причинам. Вопервых, существуют уникальные требования для СУ ускорителей, особенно для аппаратуры, связанной с пучком , . Втретьих, необходимость обеспечения высокой доступности и наджности СУ при наименьших эксплуатационных затратах приводит к периодической модернизации систем управления . Чаще подвергаются модернизации вычислительные средства, находящиеся на уровнях 1 и 2 обобщнной модели СУ, при сохранении аппаратуры нижнего уровня . Таким образом, независимо от типа ускорительной установки и времени е существования разработка аппаратуры контроллеров оборудования, обеспечивающих долговременную, наджную и эффективную работу ускорительного комплекса является крайне актуальной задачей. Основной целью работ, входящих в диссертацию, является разработка и внедрение в системы управления электрофизическими установками ускорителей унифицированной аппаратуры для построения контроллеров оборудования, обеспечивающих высокую производительность сбора данных и эффективное выполнение задач управления в СУ ускорителей ИФВЭ, , и . При разработке аппаратуры предложены и внедрены новые технические решения, позволившие более эффективно с меньшими затратами, но с улучшенными характеристиками построить контроллеры оборудования с заданными параметрами. Предложен и реализован в аппаратуре сбора данных АЦП и АК8 метод сквозного управления переключением каналов, что уменьшило число обращений по магистрали, и, соответственно, упростило программное обеспечение. В результате в многоканальном контроллере сбора информации о параметрах медленного вывода, общее время сбора данных приблизилось к предельно минимальному для последовательного опроса, равному произведению времени преобразования АЦП на число каналов. Предложена и реализована модификация известного метода доступа к двухпортовой памяти с разделением цикла. В качестве источника тактового сигнала использованы синхросигналы одного из устройств, подключнных к ДПЛ, что обеспечивает прозрачный доступ для этого устройства САМАС 2. Преимуществами такой организации цикла является отсутствие задержки доступа к ресурсам ДГГП у основного порта и гарантированный доступ для подчиненного порта.