Автоматизация малых физических установок на основе встраиваемых многофункциональных контроллеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСКОРИТЕЛЕМ "ИОН-ЗОО" НА БАЗЕ МФК LOCUS.

1.1. Выбор системы или предыстория вопроса.

1.2. Основные подсистемы ускорителя "ИОН-ЗОО".

1.3. Распределенная система управления.

1.4. Многофункциональный контроллер LOCUS.

1.5. Программируемый модуль блокировок.

1.6. Аппаратура связи PC - LOCUS.

1.6.1. Шести - канальный последовательный интерфейс в PC.

1.6.2. Прямой и обратный преобразователь TTJI-сигналов в оптические.

1.7. Программные средства.

1.7.1. Помехоустойчивый протокол связи.

1.7.2. Микропрограмма для LOCUS- контроллера.

1.7.3. Библиотека PORT для работы с 6-ти канальным интерфейсом.

1.7.4. Библиотека оконной графики.

ГЛАВА 2. ПРОФИЛОМЕТР НА ОСНОВЕ СТРУИ ПАРОВ МАГНИЯ СО

ВСТРОЕННЫМ УПРАВЛЯЮЩИМ МФК МОДУЛЕМ.

2.1. "Второе рождение" профилометра.

2.2. Описание профилометра.

2.3. Общая схема управления профилометром и ее функциональные характеристики.

2.4. Аппаратные средства управления профилометром.

2.4.1. Микропроцессорный модуль (МФК модуль).

2.4.2. Термостабилизатор.

2.4.3. Высоковольтные источники питания.

2.4.4. Управление шаговым двигателем.

2.4.5. Средства помехозащищенности.

ГЛАВА 3. СРЕДСТВА ИНТЕГРАЦИИ ПРОФИЛОМЕТРА НА ОСНОВЕ СТРУИ ПАРОВ МАГНИЯ В ДЕЙСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

3.1. Структура управляющих программ.

3.2. Микропрограмма для i8051 (нижний уровень).

3.2.1. Главный цикл программы.

3.2.2. Взаимодействие управляющего компьютера и МФК-модуля.

3.2.3. Описание формата инструкций, реализованных в МФК-модуле.

3.2.4. Подпрограмма обработки прерываний по таймеру-0.

3.2.5. Подпрограмма обработки прерываний последовательного приемопередатчика.

3.2.6. Краткое описание служебных подпрограмм.

3.3. Управляющая программа под Windows (2-MeV CW RF Injector).

3.3.1. Общие сведения о программе.

3.3.2. Основные возможности программы.

3.4. Сервер - программа под VxWorks (CELSIUS).

3.4.1. Общие сведения о программе.

3.4.2. Описание таблицы внутренних параметров.

3.5. Образцы измерений и их точность (CELSIUS).

ГЛАВА 4. АКУСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНСНЫЙ СПЕКТРОМЕТР НА БАЗЕ

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЛЕРА.

4.1. Назначение спектрометра и выбор управления.

4.2. Конструкция и характеристики спектрометра.

4.2.1. Синтезатор и аппаратная развертка частот.

4.2.2. Фазовый детектор.

4.2.3. Система компенсации.

4.2.4. Встроенный контроллер.

4.2.5. Системы возбуждения.

4.3. Работа спектрометра.

4.4. Программные средства.

4.4.1. Микропрограмма для спектрометра.

4.4.2. Программа управления спектрометром для PC.

4.4.3. Интегрирование спектрометра в систему управления VGESCALAB

ГЛАВА 5. СРЕДСТВА ОТЛАДКИ ПРОЕКТИРУЕМЫХ СИСТЕМ.

5.1. Цель разработки.

5.2. Описание анализатора.

5.3. Контроллер анализатора.

5.4. Отслеживатели шины.

5.5. Работа с анализируемой шиной.

5.5. Программное обеспечение анализатора.

Изучение физики высоких энергий стало возможным благодаря проектированию и строительству для этих целей различных ускорительных комплексов. В ИЯФ СО РАН, занимающемуся исследованиями в этой области, существует целый ряд как действующих, так и строящихся электрофизических установок, отличающихся по степени сложности (малые, большие) и назначению (среди экспериментальных, ускорители для промышленности). Не смотря на различия, характерным для всех является наличие систем управления, "наследующим" от своих установок степень сложности.

С точки зрения системы управления, установки представляют собой набор параметров. Параметр - это абстрактный прибор, который может представлять собой что-нибудь типа источника питания для магнита или клапана вакуумной системы. Параметры могут иметь много атрибутных значений, представляющих, например, ток источника питания или его состояние вкл/выкл. Основной чертой малых установок, отличающих их от больших, является наличие в них меньшего числа управляющих параметров. Как правило, это число не больше нескольких десятков. С другой стороны, большие установки всегда можно разделить на функциональные подсистемы с соответствующими подсистемами управления. В результате, выделяется общее при рассмотрении вопросов автоматизации как просто малых установок так и некоторых из подсистем больших (например, диагностика пучка или вакуумная системы большой установки и т.д.). Именно в этом смысле будет в дальнейшем использоваться термин малая установка.

Основные требования, предъявляемые к создаваемым системам управления малых установок можно свести к следующим: функциональность;

4 надежность; помехозащищенность;

Ф разумная стоимость;

- 5

4 интегрируемость в действующие системы управления более крупных электрофизических комплексов, для которых она является лишь подсистемой.

Последний пункт не представляется чрезмерно специфичным, поскольку большинство разрабатываемого в институте оборудования и установок находит свое применение во многих научных и промышленных центрах всего мира. Как следствие от сюда, - повышение конкурентоспособности институтских разработок, что представляется немаловажным в условиях снижения финансирования.

Если предположить перечисленные требования обоснованными, то после их формулировки было бы, вполне, естественным задаться вопросом, насколько им соответствовали реальные системы управления малых электрофизических установок? Анализ публикаций на этот счет показал, что десять лет назад подавляющее большинство систем было связано с использованием крейтовых магистралей. Если говорить об институте и стране, то это, конечно же, был устаревающий КАМАК [1,2]. Причины, почему КАМАК перестал удовлетворять системных разработчиков, отображаются в 10-ой Главе диссертации [3]. Впрочем, на ряде зарубежных установок он, по прежнему как и у нас, продолжал использоваться [4]. Но, даже, на этапе создания своей системы, авторы [1] уже осознавали не оптимальность КАМАКа, делая замечания о "некоторой избыточности аппаратуры", но останавливали на нем свой выбор по причине наличия готовых модулей, а также возможности использования для этих модулей уже отлаженных программных блоков. То же самое можно отнести и к другим системам управления, но основанным уже на использовании шины И-41 (MULTIBUS) [5]. Подсистемы управления в этом случае "построены на базе стандартных программируемых контроллеров УВК СМ1810 и объединяются центральной ЭВМ типа CMJ820", а "аппаратура подсистем состоит из периферийных модулей". Т.е., по прежнему, присутствует магистрально-модульная архитектура, критикуемая за свою дорогостоимость и избыточность для некоторых приложений, которые не требуют больших скоростей при обмене данными. Вместе с этими подходами, только что стали появляться описания систем с использованием универсальных контроллеров сбора, накопления и обработки данных [6,7]. Этому способствовало появление в стране пер

- 6 вого микропроцессорного комплекта К580 и первых ЭВМ на его основе. Но, первые из этих отечественных систем больше напоминали слепок магистральной системы, поскольку имели вспомогательные платы расширения на базе микропроцессорной шины для обеспечения функций аналого-цифрового ввода-вывода. В более привилегированном положении находились их зарубежные аналоги, уже активно ставшие использоваться в промышленности и получившие название программируемых логических контроллеров (PLC - Programmable Logic Controllers), но также не получившие широкого распространения на экспериментальных установках [8].

Не преуменьшая значимости вышеописанных систем и, в особенности, традиционной для ИЯФ системы С AM АС, которая и по сей день используется на многих установках института, тем не менее, они не в полной мере стали удовлетворять потребностям для некоторых малых установок (например, промышленным ускорителям). С бурным развитием микроэлектроники и ее элементной базы, появлением как мощных САПРов для разработки электронных плат так и удобных оболочек с компиляторами для создания программ, проектирование и использование одноплатных многофункциональных контроллеров аналого-цифрового ввода-вывода (МФК) представлялось многообещающим по следующим причинам.

Во первых, возможностью располагать их в непосредственной близости от объекта управления и, тем самым, избегать одного из недостатков, присущего магистрально-модульным системам (в том числе и САМАС-у), а именно - чрезмерно громоздкого кабельного хозяйства. Помимо чисто экономического выигрыша, это ведет и к уменьшению, наводимых на кабелях, помех.

Во вторых, использование нескольких типовых или специализированных плат МФК на более сложных установках, позволяет строить распределенные системы управления.

В третьих, использование в МФК оптического интерфейса, позволяет размещать плату управления "под высоковольтным потенциалом", под которым находятся часть жизненно важных, и требующих контроля, узлов ускорителя, например - ионный ис

- 7 точник на имплантере. Дополнительный выигрыш от оптического интерфейса - защищенность от электромагнитных помех.

В четвертых, использование в МФК стандартного интерфейса связи с внешним компьютером (как правило, но не обязательно, это последовательный RS-232) обеспечивает совместимость управляемого этим контроллером оборудования или установки со многими (если не сказать со всеми) системами управления, будь они на основе САМАС, VME, MULTIBUS или, даже с недавних пор используемых, шин ISA, PCI и т.д. Тем самым, изначально обеспечивается возможность к интеграции этих установок.

В пятых, режим реального масштаба времени {real time), если это необходимо для работоспособности некоторых установок, обеспечивается микропрограммой в самом МФК.

Отличительной особенностью представленного материала является использование в описываемых системах управления встраиваемых многофункциональных контроллеров (МФК). Выбор, первоначально сделанный в результате смены системы управления для очередной серии имплантеров "ИОН" (Глава 1), в пользу управляющих одноплатных многофункциональных контроллеров вместо дорогостоящих и избыточных крейтовых систем (САМАС, MULTIBUS, VME и т.д.) нашел свое успешное применение впоследствии при автоматизации профилометра на основе струи паров магния (Главы 2 и 3) и акустико-резонансного спектрометра (Глава 4). Оправданностью такого выбора может служить следующие. Во первых, встраиваемые МФК позволяют дальнейшее, по мере надобности, гибкое развитие архитектуры конкретной системы управления путем добавления аппаратных или программных модулей (наглядно представлено в Главе 1 на примере автоматизации имплантеров "ИОН"). Во вторых, и самое главное, разработанная своими силами концепция автоматизации малых физических установок (в том числе и сложного экспериментального оборудования, например, для диагностики пучка), основанная на встраиваемых МФК, оказалась полностью в рамках общепринятой "Стандартной Архитектуры" [9]. Плюсы стандартного подхода трудно переоценить. Например, это позволило, как мы увидим при описании

- 8 профилометра на основе струи паров магния, интегрировать профилометр (со встроенным в него МФК) в разные системы управления действующих установок.

В данной диссертации представлено описание аппаратных и программных средств, примененных для автоматизации с помощью встраиваемых МФК: серии имплантеров для промышленности типа "ИОН" (на примере "ИОН"-300); профилометра на основе струи паров магния; акустического резонансного спектрометра (ЗАХУРБ-спектрометра);

Кроме этого, приводится описание универсального шинного анализатора и его программного обеспечения как инструмента отладки перечисленных аппаратных и программных средств.

Расположение материала в диссертации представлено в следующем виде. В первой главе представлено описание аппаратных и программных элементов распределенной системы управления ускорителями серии «ИОН». Вторая глава посвящена описанию профилометра на основе струи паров магния, а также его аппаратным средствам автоматизации. В третьей главе представлены средства интеграции профилометра на основе струи паров магния (программные разработки) в действующие системы управления В четвертой главе представлено описание резонансного акустического спектрометра для ЗАУ/ЯБ исследований а также спроектированной для него электронной управляющей аппаратуры и программного обеспечения. В пятой главе обсуждается аппаратура и программы универсального шинного анализатора, предназначенного для отладки микропроцессорных систем (в том числе и МФК). В приложении приводится принципиальная схема МФК-модуля, примененного для автоматизации профилометра на основе струи паров магния. В заключении аннотированы результаты работы.

- 9

Результаты работы могут быть использованы при разработке или совершенствовании систем управления других малых электрофизических установок.

В заключении следует отметить, что использование в системах автоматизации небольших установок относительно дешевых персональных компьютеров (PC) в качестве управляющих также существенно сокращает расходы на широко представленные для этого класса машин программные продукты (включая многозадачные операционные системы), как, например, коммерческие - QNX, Windows-95, LabWindows CVI, Lab View и не коммерческие - Linux. В настоящее время PC, все еще, не лишены различных ограничений по сравнению с рабочими станциями, однако, границы между первыми и вторыми, используемыми на верхнем уровне, постепенно размываются. В силу перечисленных причин, нацеленность на использование в системах управления персональных компьютеров, по мнению автора, представляется перспективным и оправданным в дальнейшем. Причем, с появлением UNIX - подобных операционных систем для PC, таких как LynxOS, Linux и т.д., открываются потенциальные возможности использования персональных компьютеров на верхних уровнях систем управления большими установками, традиционно занятыми рабочими станциями. В частности, в этом направлении начаты работы по созданию недорогой, но производительной версии EPICS [55,56] для PC. Кроме того, ориентация на замену избыточных и дорогостоящих крейтовых систем (САМАС, УМЕ) в автоматизации малых установок

- 107 и отдельных приборов интеллектуальными станциями аналого-цифрового ввода/вывода или, в случае когда ограниченное количество шинных разъемов для подключения плат ввода/вывода не является недостатком, то и самих ПК. Для повышения скорости обмена территориально-распределенных интеллектуальных станций с управляющим компьютером вместо RS232 можно было бы рекомендовать использование других стандартных интерфейсов RS-485 или ETHERNET, которые помимо повышенной скорости обмена (до 10Мбит/с) обладает еще такими преимуществами как подключение к одному кабельному каналу нескольких устройств и увеличение длины кабелей. Современная номенклатура микроэлектроники позволяет проектировать станции управления достаточно малогабаритными, с малым энергопотреблением и широким набором функциональных возможностей. Последнее достигается за счет использования программируемых логических матриц (например матрицы семейства FLEX 10К фирмы Altera имеют на кристалле от 10000 до 250000 вентилей) и микросхем аналогового ввода/вывода. Быстропрогрессирующее развитие микроэлектроники а также средств разработки программного обеспечения, очевидно, окажет сильное влияние на функциональные возможности средств автоматизации. Однако, принципы построения приборов и ряд оригинальных технических решений, выработанных в процессе их разработки и написания управляющих программ, по-видимому, будут полезны и в будущем.

Автору приятно поблагодарить своих руководителей В.В.Пархомчука и Б.Н.Сухину за ценные обсуждения деталей разработок, сотрудников лаборатории С.Н.Чумакова, В.П.Останина, П.А.Бака, принимавших участие в ряде совместных с автором работ, и выразить свою признательность сотрудникам 4 лаборатории В.М.Цуканову и А.А.Волкову за ценные консультации.

- 105 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Н.И.Айзацкий и др.„ Система управления сильноточного линейного резонансного ускорителя электронов для радиационных технологий, Труды XIII совещания по ускорителям заряженных частиц, 13-15 октября, 1992, стр.58, Дубна;

2. Э.Л.Неханевич, Аппаратура передачи данных распределенных измерительных систем в экспериментальных физических установках; Дисс. . канд. тех. наук. Новосибирск, 1997 - 114 с.;nd

3. H.Ruhl, M.Suter, Computer Control for 6 MV Tandem Accelerator, Proc. of 2 European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology, pp.37;

4. Н.Н.Алексеев, В.П.Пискунов, А.С.Рябцев, Организация распределенной системы управления на основе микропроцессорных модулей, Труды X Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, 21-23 октября 1986г., Дубна, т.1, стр.84;

5. S.Albrand, J.Ravel, Small can be beautiful, Nuclear Instruments & Methods In Physics Research, 1994, Vol.352, Nos. 1,2; pp.521;

6. Nuclear Instruments & Methods In Physics Research, 1994, Vol.352, Nos. 1,2; Bubley A.V., Chumakov S.N. et al., Automatic control systems for ion implanters. EPAC'94, London. Abstracts London,1994 p.183-184;

7. S.N. Chumakov, A.D.Goncharov, A.N.Malygin, V.P.Ostanin, B.N.Sukhina, V.S.Tupikov, Advances in power supply and control system for electrostatic accelerators, Proc. of PAC-95 Conference, Dallas, 1995;

8. Рафикузаман M. Микропроцессоры и машинное проектирование микропроцессорных систем. (Т.1);

9. Левенталь, Программирование на языке ассемблера для микропроцессора i8080 и i8085;

10. Particle Accelerators, 1976, V7, №4, pp.197-211;

11. Будкер Г.И. и др., Первые эксперименты по электронному охлаждению. В кн.: Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, (Москва, 1974). - М.: Наука, 1975, т.2, с309;

12. Пархомчук В.В. Физика быстрого электронного охлаждения: Дисс. . д-ра физ.-мат. Наук. Новосибирск, 1984, стр. 51;

13. Пархомчук В.В., Скринский А.Н. Электронное охлаждение: физика и перспективы применения, препринт ИЯФ, Новосибирск, 1990; MCS® 51 Microcontroller Family User's Manual, Intel, 1994; Interface Products Catalog, Sipex, 1996;

14. Справочник. Полупроводниковые БИС запоминающих устройств. «Радио и связь», 1986;

15. Analog Devices Inc., Data Book, 1996; Altera, Data Book, 1996;

16. SGS-THOMPSON Microelectronics, Data Book, 1996;

17. K.Gajewski, L.Thuresson, O.Johansson, Upgrading of the control system for the accelerators at the TSL. Proc. Int. Conf. on Accelerators and Large Experi-mental Physics Control Systems, Tsukuba, Japan, 11-15 November, 1991, 78;

18. A. Ingemarsson (ed.), TSL Progress Report 1994-1995, The Svedberg Laboratory

19. T. Bergmark et al., Activities at CELSIUS , Proc. 4 EPAC, London, U.K., 27 June 1 July 1994, 202;http://www3.tsl.uu.se/~edberg/tsl.htm

20. V.N.Brezhnev and V.S.Tupikov, Original Instrumentation for New Method of Surface Investigation, Appl. Surf. Sci., 1997, V.108;

21. Anal., Vol.22, 1994, (pp.585-589);

22. М.Кауфман, А.Сидман, Практическое руководство по расчетам схем в электронике, М. Энергоатомиздат 1991 (ст. 185);

23. Н. Wohltjen and R. Е. Dessy: Anal.Chem. 51, 1458 (1979);

24. С. Т. Chuang and R. M. White: IEEE Ultrasonics Symp.Proc., p. 159 (1981);

25. J. Janata: Principle of Chemical Sensors (Plenum, New York, 1989);

26. C. Campbell, Surface Acoustic Wave Devices and Their Signal Processing Applications, Academic Press, San Diego, 1989;

27. H. C. Tuan et al„ IEEE Ultrasonics Symp.Proc., p. 221 (1979);

28. О. E. Maltrat, Ultrasonic Transducer Materials, Plenum, New York, 1971;

29. B. A. Auld, Acoustic Fields and Waves in Solids, Wiley, New York, 1973;

30. R.W.Joyner, M.W.Roberts and K.Yates, Surface Sci. 87 (1979) pp.501;

31. A.I.Boronin, et al„ Surface Sci. 201 (1988) pp.195;

32. А.В.Бублей, А.Д.Гончаров, А.Н.Малыгин, Г.Г.Матюшин, В.П.Останин, Б.Н.Сухина, В.С.Тупиков и С.Н.Чумаков, Системы управления для ионных им-плантеров, труды XIV конференции по ускорителям заряженных частиц, Протвино, Россия, 1994;

33. Alinovsky N.I., Bubley A.V., Chertok I.L., Chumakov S.N. et al., Ion accelerator for industry ION-300, EPAC'94, London,1994 p.121;

34. A.V.Bubley, V.I.Kudelainen, V.V.Parkhomchuk, B.M.Smirnov, V.S.Tupikov, Magnesium Jet Profile Monitor, Proc.of HEACC'98, sept.7-12,1998, Dubna, Russia

35. A.D.Oreshkov et al., Project for developing low cost and high performance version of EPICS, Preprint Budker INP 98-19, Novosibirsk, 1998;

36. T.V.Salikova and A.D.Oreshkov, Status of porting EPICS to the LynxOS/Pentium platform, Preprint Budker INP 98-20, Novosibirsk, 1998;