Автоматизированные системы контроля и управления ускорительно-накопительными комплексами ИЯФ им. Г. И. Будкера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

п в ид

1 я АПР ¡033

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. ГЛ.БУДКЕРА

На правах рукописи

КУПЕР Эдуард Адольфович

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ УСКОРИТЕЛЬНО-НАКОПИТЕЛЬНЫМИ КОМПЛЕКСАМИ ИЯФ ИМ. Г.И. БУДКЕРА

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук (в форме научного доклада)

НОВОСИБИРСК - 1993

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера Сибирского отделения Академии наук России.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ Диканский Николай Сергеевич

Золотухин Юрий Николаевич

Мозин Игорь Васильевич

- член-корреспондент РАН Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера г.Новосибирск.

- доктор технических наук, Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г.Новосибирск.

- доктор технических наук, НИИЭФА им.Д.В.Ефремова, г.Санкт-Петербург.

Ведущая организация: Институт физики высоких энергий (Протвино)

Защита состоится " 1993 г. в " часов

-на заседании специализированного совета Д.002.24.02 в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН по адресу: г.Новосибирск-90 пр. Академика Лаврентьева М.А., 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СО РАН.

Автореферат разослан " 2-" (Х/^р 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета ^__

академик ! '¿^

Чириков Б.В.

общая характеристика работы.

Актуальпость темы.

В Институте, ядерной физики им. Г.И.Будкера с 1965 года ведутся эксперименты в области физики высоких энергий на установках со встречными пучками. Целесообразность и научная эффективность метода были подтверждены первыми же экспериментами. За прошедшие годы метод встречных пучков завоевал всеобщее признание, В России, США, Франции, ФРГ и других развитых капиталистических странах были построены и продолжают строиться новые установки на все более высокие энергии и с более высокой светимостью.

Современные ускорительно-накопительные комплексы это сложные, уникальные и дорогостоящие сооружения, ' создание которых требует усилий больших коллективов в течение многих лет. Поэтому Особенно актуальна надежность работы физического оборудования и эффективность его использования. Как показывает отечественный и зарубежный опыт работы на больших экспериментальных установках, одним из необходимых условий решения данной проблемы является создание соответствующей системы автоматизированного. управления при помощи ЭВМ. Задачей такой системы является обеспечение взаимодействия между отдельными установками, входящими в состав комплекса, перестройка рабочих режимов, контроль и управление большим количеством различных физических параметров, организация простых и удобных процедур при общении оператора с оборудованием, диагностика неиправностей и т.д.

С начала 70-х годов все крупные ускорительные установки Института сооружаются совместно с системами автоматизированного управления. За прошедшее время естественньм образом сменилось несколько поколений как управляющих ЭВМ, так и электронного оборудования систем автоматизации. Соответственно изменялись возможности и требования к системам управления. Достаточно очевидным является факт взаимного влияния системы управления и основного оборудования ускорительной установки. С одной стороны рост функциональных возможностей системы, повышение точности управления и измерения физических параметров дает возможность уменьшить стоимость и трудоемкость изготовления установки. С другой стороны непрерывно возрастающие сложность, энергонасыщенность, размеры ускорительных комплексов стимулируют развитие как существующего аппаратно-программного обеспечения систем автоматизации, так и появление новых разработок и методик.

В настоящее время в Институте .разработана функционально полная номенклатура радиоэлектронного оборудования с параметрами адекватными разнородным требованиям физических установок. Это'.особо точные помехоустойчивые многоканальные измерительные и управляющие системы 'для устройств питания магнитных элементов комплекса, приборы для цифровой регистрации формы сигналов в широком временном диапазоне, устройства визуализации графической, информации, приборы для контроля технологических- параметров установок и т.д. Все разработанные' устройства могут быть включены , в единую информационно;-управляющую структуру с возможностью оперативной.реконфигурации и дальнейшего развития* • ,

Полученный опыт создания систем автоматического управления крупными.ускорительно-наколительными установками и разработанный. комплект аппаратуры'позволили существенно упростить проблемы автоматизации термоядерных установок ИЯФ, промышленных ускорителей,- экспериментов с использованием синхротронного' излучений. ; " , ■ . •

Системы автоматического, управления позволили реализовать принципиально новый уровень научных исследований, существенно улучшив технические и экономические показатели установок. Благодаря широкому применению систем автоматизации значительно-возрастают эффективность и научно'информационный потенциал физического' эксперимента. В то же время, сложность как самих установок,так и анализируемых с их.помощью^ процессов, также, ■имеет тенденцию к непрерывному росту. Поэтому дальнейшее развитие, совершенствование и распространение систем автоматизированного, контроля и управления является актуальной задачей.

Цель работы. ' •

Научный доклад посвящен проблемам разработки управляющих и измерительных систем для автоматизации управления ускоритель--но-накорительными комплексами ИЯФ СО АН России .в период с 1975 по 1991 год.

Научная новизна. ,

1. На.основе анализа требований и условий работы ускори- ■ тельно-накопительных комплексов, предложены, обоснованы и разработаны многоканальные- управляющие и . информационно-и'змери-тельные системы. , , '

2. Предложена-и реализована система управления с • частич-но-распределенной структурой. Система построена на 'основе автономных функциональных узлов, реализующих, задачи одновремен-

ного. распределенного контроля и управления многочисленными ..подсистемами крупного ускорительного комплекса.

• 3. Впервые разработан и внедрен функционально полный комп- -лект измерительной, управляющей и визуализирующей Аппаратуры, ориентированный на создание систем, автоматизированного управ-: ления различными электрофизическими установками: ' •

- сформулированы и внедрены новые принципы создания пре-' цизйонных (0.001%) помехозащгаценных многоканальных управляющих., и измерительных систем; ' "■'.'.

- предложены и реализованы' методы построения' унифицированного ряда ■ многоканальных цифровых.регистраторов формы импульсных процессов; -

- предложены, разработаны и внедрены метод'и аппаратура для регистрации оптических и рентгеновских .изображений на ' основе твердотельных многоэлементнйх полупроводниковых прием-. . ников; ...

- предложены й реализованы методы построения и•структура . устройств для помехозащищенной передачи широкополосной анало- ■ говой- информации по оптоволоконным линиям связи;.

- .предложены принципы построения и разработан ряд графических цветных и черно-белых дисплеев высокого разрешения.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора системы управления ускорительно-накопительными комплексами используются на установках"ВЭПП-2М, ВЭПП-4; "Си-. бирь-2". "Сибирь-2"- специализированная установка для экспериментов с использованием синхротронного излучения. Разработана и изготовлена в ИЯФ для,ЙАЭ им. И.В.Курчатова. Первая очередь установки- "Сибирь-1" успешно работает в ЭДАЭс 1983 г.

2. Предложенные автором мбтоды построения многоканальных измерительных и управляющих систем широко применяются в системах автоматизированного управления электрофизических установок

ИЯФ. ■'. ■ '

' 3. .Разработанная и созданная под руководством и при не- • посредственном участии автора система управления с частич-но-распределенной структурой явилась основой для автоматизированного управления крупнейшим в стране ускорительно-накопи-■ тельным комплексом ВЭПП-4 в 1977-1985 годах. '

4. Разработанный и освоенный на опытном, производстве ИЯФ комплект управляющей и измерительной аппаратуры включает в себя около1100 наименований блоков КАМАК. Функциональная полнота комплекта и.достаточно большой выпуск модулей (до 2000 шт. в

год) позволили решить задачи автоматизации не. только крупных-электрофизических установок, но и оборудовать многочисленные экспериментальные стенды, автоматизировать промышленные ускорители, установки ионного легирования, * а также'организовать автоматизированные рабочие места для инженеров разработчиков и наладчиков радиоэлектронного оборудования.

Ряд модулей передан для производства'на Опытный' завод СО АН и ЭЗНП.АН России (г. Черноголовка). В соответствии с заключенными соглашениями на объединении "Полон" . (Польша) ведется работа по организации серийного выпуска, ряда приборов, разработанных в ИЯФ. Первый из них- ADC 709, интегрирующий анало-' го-цифровой преобразователь класса 0.01% выпущен опытной.парт тией.

Многие приборы и модули, разработанные и изготовленные в ЙЯФ, широко используются в научно-исследовательских, учебных и промышленных организациях страны: ИФВЭ (Протвино), НШЭФА им. Д.В. Ефремова, Радиевый Институт (С.-Петербург), ИАЭ им.И.В. Курчатова (Москва), ИПФ (Нижний Новгород), Институт космических исследований и аэрономии (Якутск),. ИТФ СО РАН,. НИОХ СО РАН, ИГД СО РАН, завод МЭЛЗ (Москва), -ПО Курганприбор, НТО РАН (С.-Петербург), ХФТИ (г. Харьков), НГУ, НЭТИ и др.

Заметное количество модулей, входящих в состав систем управления промышленными.ускорителями и различными измерительными экспериментальными стендами, поставлено за рубеж: в Китай, ■ Японию, США, Чехословакию, Румынию и другие страны. ■

5. Схемные и структурные решения, 'первоначально примененные в аппаратуре систем автоматизированного управления, послужили основой для ряда приборов, разработанных в ИЯФ и затем переданных в промышленность для серийного.выпуска:

-цифро-аналоговый преобразователь для мощных (100. кВт) источников стабилизированного тока типа-ИСТ-2500, выпускается заводом ТЭЗ им. М.И.Калинина, (г. .Таллинн);.

-интегрирующий вольтметр Щ-1516 и его модификации- выпускаются объединением "Вибратор" (г. Санкт-Петербург), прибор был первым в*стране интегрирующим вольтметром класса 0.01%;

-жидкостный-микроколоночный хроматограф- "Обь-4", создан, совместно с Институтом биоорганической химий СО АН,, в ИЯФ разработан электронный блок прибора, по основным характеристикам хроматограф на несколько лет опередил аналогичные разработки за рубежом, в настоящее время по .своим возможностям он стоит в одном ряду с лучшими приборами ведущих фирм мира, выпускается ПО Научприбор (г. Орел), работа отмечена Государственной премией СССР 1985 года.

6. Серия унифицированных многоканальных цифровых регистраторов импульсных сигналов широко используется в Институте и других исследовательских организациях страны. Приборы, входящие в состав серии, перекрывают частотный диапазон входных сигналов от 0 до 250 МГц. Наиболее быстродействующий из них АФИ-1700 имеет шаг квантования по времени 1 не. В настоящее время совместно с предприятием "Авангард" ведется работа по переводу его в гибридное исполнение.

7. Применение многоэлементных полупроводниковых приемников рентгеновского изображения при проведении экспериментов с использованием синхротронного излучения позволило получить качественно новый тип детектора с высоким пространственным разрешением.

8. Предложенные и разработанные устройства для передачи аналоговых сигналов в полосе частот до 15 МГц по оптоволоконным линиям связи открыли принципиально новые возможности при работе с источниками сигналов, находящимися под высоким потенциалом, и позволили решить проблему передачи аналоговой информации практически при любом уровне электромагнитных помех.

9. Для систем визуализации экспериментальной информации и результатов расчетов, для организации удобного интерактивного общения оператора с системой автоматизированного управления установкой, для работы с различными системами проектирования разработан ряд графических дисплеев. Наиболее популярный из них цветной графический дисплей ЦДР-2 (разрешение по экрану 256*256 точек, 8 цветов ) только в ИЯФ выпущен тиражом более 600 шт. Для задач, требующих повышенного разрешения применяются дисплеи ЦДР-3 (640*400 точек, 256 цветов) и ЦДР-4 (1280*1024 точек, 256 цветов). Для автоматизации проект-но-конструкторских работ разработан черно-белый графический дисплей высокого разрешения (1024*768 точек).

Апробация работы.

Основное содержание работы докладывалось на 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12 Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Москва-1970, 1972, 1974, 1990 гг., Дубна-1976, 1978, 1980, 1982, 1984, 1986, 1988, 1990гг.), на 1, 2 Всесоюзных совещаниях по автоматизации исследований в ядерной физике и смежных областях (Душанбе 19С0 г., Новосибирск 1982 г.), на Всесоюзных конференциях "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ" (Новосибирск 1977, 1979, 1981, 1983, 1985гг.), на 9-м Международном симпозиуме по ядерной электронике (Болгария, Варна 1977 г.), на 13 Междуна-

родной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий (СССР, Новосибирск 1986 г.),на Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Италия, Рим 1988 г.), на Европейской конференции по системам управления в экспериментальной физике (Швейцария, Женева, 198? г.), на Международной конференции по управляющим системам для ускорителей и больших экспериментальных установок (Япония, Цукуба, 1991 г.), на семинаре по источникам синхротронного излучения (Индия, Индор 1989 г.), на Всесоюзных симпозиумах "Модульные информационно-вычислительные системы" (Москва 1980 г., Кишинев 1985 г., Новосибирск 1989 г.), обсуждалось на Всесоюзных школах, семинарах и научных конференциях.

Публикации.

Основные разработки, положения и результаты по теме научного доклада опубликованы в сборниках трудов Всесоюзных и Международных семинаров, совещаний, симпозиумов и конференций, в препринтах, в советских и зарубежных журналах. Всего по теме научного доклада опубликовано 90 работ, 77 из них приведены в списке литературы.

1. Развитие систем управления на ускорительно-накопительны х установках ИЯФ 1.1. История и идеология.

[6,7, 8,15]*

Отечественная и зарубежная практика создания ускорительно-накопительных и других крупных физических комплексов однозначно свидетельствует о значимости роли систем автоматизированного управления как на этапах проектирования, сооружения, так и во время эксплуатации этих установок [1, 2, 4, 5].

Первые работы по использованию ЭВМ для целей автоматизации управления ускорителями в ИЯФ были начаты в 1970 г. на накопителе ВЭПП-3, когда решалась задача повышения светимости накопителя с помощью перестройки магнитной системы экспериментального промежутка при наличии циркулирующего пучка [6, 7]. Это потребовало высокой точности и взаимосогласованности изменения характеристик элементов магнитной структуры. Выло необходимо с погрешностью порядка 0.1% выдержать законы изменения токов в квадрупольных линзах прямолинейного промежутка с учетом индивидуальных характеристик электромагнитов во всем динамическом

*) Номера работ автора, относящихся к теме данного раздела.

диапазоне изменения магнитных полей. Количество элементарных операций для сохранения заданной точности было равно примерно 10 ООО. Понятно, что проблема могла быть решена только применением ЭВМ с соответствующими системами ввода и вывода информации. Тогда и была создана первая в ИЯФ система автоматизированного управления с использованием ЭВМ 2-го поколения "Минск-22". Программное обеспечение для этой системы было написано в кодах ЭВМ. Передача управляющих воздействий на системы питания магнитов накопителя осуществлялась при помощи простейшей параллельной магистрали, объединяющей около 20-ти цифро-аналоговых преобразователей, специально разработанных для этой цели. Сопряжение с каналом ввода-вывода ЭВМ производилось также в параллельном виде через буферный блок посредством 50-парного телефонного кабеля. Расстояние от ЭВМ до системы управления было около 500 метров. Для устранения синфазных помех была предусмотрена потенциальная развязка всех адресных и информационных каналбв при помощи согласующих трансформаторов.

Хотя работа системы, что понятно из вышесказанного, без ЭВМ невозможна, для проведения отладочных работ.в системе питания и проверки простейших режимов на накопителе было создано дублирующее ручное управление. Психологический барьер потери ручек управления на пульте не смогли преодолеть ни разработчики системы управления ни физики-операторы.

С позиций сегодняшнего дня эта система выглядит достаточно примитивно - подобная задача решается оборудованием, занимающим менее третьей части крейта КАМАК. Но эта первая в ИЯФ автоматизированная система дала возможность успешно решить сложную задачу и опыт, приобретенный во время ее разработки и эксплуатации, позволил сформулировать ряд принципов, которые оказались весьма полезными в дальнейшем.

Стало ясно, что для продолжения работ по управлению УНК рациональнее использовать не ЭВМ общего пользования, каковой в то время являлась машина "Минск-22", а специальную ЭВМ. Выбор в 1971 г. для системы управления ВЭПП-3 ЭВМ "0дра-1304" был в значительной степени делом случая, . однако, использование этой ЭВМ оказало существенное влияние на дальнейшее развитие систем управления в ИЯФ.

Машины серии "0дра-1300" являются аналогами известного семейства 1СЬ-1900, разработанного во второй половине-60-х годов, практически одновременно с семействам 1ВМ-360. Они относятся к классу так называемых универсальных ЭВМ, и обладают существенно лучшими по сравнению с распространенными в 70-х

годах миниЭВМ параметрами. Использование в системе управления достаточно мощной ЭВМ позволило сразу выйти на высокий уровень, качественно отличный от обеспечивавшегося доступными тогда миниЭВМ. Значительный по тем временам объем оперативной памяти и высокое быстродействие дали возможность создавать необходимое программное обеспечение систем управления исключительно на языках высокого уровня, что, в свою очередь, позволило привлечь к созданию программного обеспечения тех самых людей, которым предстояло им пользоваться в дальнейшем - физиков, работающих на установке, инженеров, разрабатывающих аппаратуру и ведущих наладку комплекса и даже студентов-практикантов.

Отмеченный здесь открытый характер наиболее динамичной компоненты систем управления - программного обеспечения, возможность его расширения и модификации персоналом, эксплуатирующим установку, является типичным для большинства систем управления в ИЯФ. Это позволяет сформулировать важный принцип построения систем управления: прикладное программное обеспечение таких систем должно создаваться теми людьми, которым предстоит с ним работать, а для этого необходимо обеспечить возможность использования языка высокого уровня в рамках доступной и простой в освоении системы подготовки программ.

В ходе создания и эксплуатации системы управления появилась необходимость в оперативной реконфигурации существующей системы, расширения ее путем включения новых объектов управления. Также была обнаружена недостаточная помехозащищенность устройств передачи цифровой информации. Поэтому другим важнейшим принципиальным шагом, сделанным также в начале 70-х годов, было создание иерархической структуры управления с передачей данных в последовательном виде [8, 13-15].

Управляющая ЭВМ посредством блока связи через трехступенчатую систему магистральных станций была связана с периферийным оборудованием. Подключение любого оконечного устройства осуществлялось при помощи единообразного интерфейсного узла по двум коаксиальным кабелям с использованием двухполярного самосинхронизирующегося кода. Амплитуда сигнала в линии 12 вольт, скорость передачи до 50 килобайт в секунду, гальваническая развязка осуществлена при помощи трансформаторов. Во всех приемниках информации предусмотрен контроль кода по признаку четности. Сигналы прерываний от периферийных объектов передаются в ЭВМ через дополнительные линии связи. Создание структуры с последовательной передачей данных позволило приступить к разработке автоматизированного управления для

всех основных систем и подсистем ускорительно-накопительных комплексов. Высокая помехозащищенность последовательных линий связи В: сочетании со сравнительно малой стоимостью дали возможность, охватить системой контроля и управления большое количество территориально разнесенных объектов. Следует заметить, что в процессе этого роста отмечается непрерывное .. уменьшение доли систем ручного управления. Так, система управления комплекса В.ЭПП-4 в середине 70-х годов проектировалась уже с ориентацией на полностью машинное управление. Затраты на дублирующие ручные подсистемы управления на комплексе такого масштаба оказываются весьма значительными. В то же время отсутствие возможности воздействия на систему без помощи ЭВМ приводит к специфичному требованию на аппаратуру управления - однажды заданные значения должны сохраняться в ней вне зависимости от . работоспособности управляющей ЭВМ.- На ранних этапах развития систем управления,. когда надежность работы ЭВМ не была доста- . точно высокой, возможность продолжать работу комплекса в заданном режиме была очень полезной.

Отсутствие дублирующих подсистем управления является характерным для современных систем управления в ИЯФ, что дало возможность сформулировать следующий принцип: не следует делать "ручками с пульта" то, с чем.справляется система управления через ЭВМ.

Входе создания и эксплуатации системы управления,... естественно, приходилось привыкать к активному использованию ЭВМ. Зачастую обнаруживается, что машине.доверено слишком мно- ■ . roe, что автоматизация и компьютеризация начинают мешать в работе. Поэтому чрезвычайно важно критически, с осторожностью относиться к новым возможностям, которые могут быть, в принципе, обеспечены ЭВМ. Задача автоматизации состоит прежде всего в освобождении оператора от рутинной и утомительной работы по занесению сотен значений режимов элементов и их постоянного контроля, в рациональной организации удобных и эффективных измерительных процедур, в простом и доступном для оператора представлении информации на языке значений физических и технологических величин, в обеспечении средствами визуализации протекающего на установке процесса и лишь после этого - оптимизация режимов установки и введение обратных связей через ЭВМ. Относительный успех систем, управления в ИЯФ в значительной степени определяется рациональным совмещением общности, универсализма подхода с конкретностью требований реальной жизни.

Таким образом, может быть сформулирован еще один принцип, которым руководствовались создатели систем управления: уни-

версальность, глобализм требований к системе управления.часто исключают даже возможность ее создания. Поэтому, включение в систему на этапе проектирования возможностей, которые могут, понадобиться лишь в необозримом будущем, чаще всего, неоправданно. С другой стороны, система должна допускать возможность ее непрерывного расширения и модернизации без-существенного, изменения структуры и идеологии. •

1.2. Развитие аппаратных средств систем управления УНК ИЯФ.

[9-12,16,18-22,24-29,32,33, ЗМ2,51,5?,5в; 63,,65,72-76,82-85] '. , ■

При решении проблемы, сопряжений . ЭВМ...с -. экспериментальным оборудованием был пройден ряд эволюционных этапов. Непрерывно . возрастающая сложность как самих ускорительных установок,. .так и проводимых на них экспериментов,' предъявляет специфические требования к параметрам и структуре разрабатываемого электронного оборудования. . Метрологические характеристики, : быстродействие и помехозащищенность аппаратуры должны.быть адекватны условиям работы.установки, тогда как структурные и схемные.ре- ■ шенкя должны, обеспечивать -.эффективное'..' использование : вычисли- • тельного потенциала примененных в системе ЭВМ. ■'•'••

Для иллюстрации динамики развития и основных подходов к"ре-, шению• проблем построения' автоматизированных систем управления ускорительно накопительными установками : Института рассмотрим ' системы' 2-х поколений.. Первая . из них создавалась и успешно эксплуатировалась с середины 70-х годов до 1985 года на комплексе ВЭПП-4. Вторая -система управления комплексом ВЭШ1-3 после модернизации, которая функционирует сейчас.

ВЭПП-4 - крупнейший в стране ускорительно-накопительный комплекс со встречными электрон-позитронными пучками на энергию 2*7 ГэВ. В состав комплекса того времени входили позитрон-ный источник, включающий линейный ускоритель и импульсный высокочастотный генератор, синхротрон Б-4, промежуточный нако1 питель ВЭПП-3, каналы транспортировки заряженных частиц, мощный непрерывный высокочастотный генератор Гирокон и, собственно, накопительное кольцо ВЭПП-4 [26, 28, 40].

Как объект управления комплекс ВЭПП-4 отличают следующие особенности [22]:

-большое количество разнообразных точек управления и контроля (около 2000 точек управления и более 4000 измерения);,

-широкий спектр аналоговой информации, подлежащей,измерению (постоянные токи и напряжения, импульсные сигналы, темпе-

ратура, давление, уровень радиации, оптические измерения и т.д.); •

. -большой Динамический .диапазон контролируемых сигналов (например, диапазоны измеряемых токов в разных подсистемах одной. установки.могут.изменяться от долей пикоампера до десятков килоампер, напряжений от микровольт до мегавольт и т.д.);

-сложное взаимодействие при работе отдельных установок и .устройств.* необходимость одновременного взаимосогласованного изменения многих.параметров с высокой точностью;

-территориальная разнесенность (до 500 метров) и, отсюда, необходимость передачи аналоговой и цифровой информации на большие расстояния,- что накладывает особые требования к помехозащищенности электронного, оборудования и линий связи; \ - -многие, системы работают в импульсном режиме, что потребовало разработки специализированных управляющих и измерительных устройств;

-период повторения работы отдельных систем может достигать десятков минут,,поэтому для экономии времени при настройке режима либо при поиске неисправности необходимо иметь исчерпывающую информацию о работе этих систем в каждом цикле;

-эксперименты на ускорительно-накопительной установке требуют длительного времени работы с накопленными пучками по своей сути, выход из строя или сбой в системе управления приводит к большим потерям времени, это обстоятельство предъявля-, ет повышенные требования к помехоустойчивости и надежности аппаратуры.

В качестве управляющих ЭВМ на комплексе ВЭПП-4 были ' использованы "универсальные" ЭВМ третьего поколения Одра-1325 [19, 20]. С одной стороны это позволило сразу выйти на более высокий качественный уровень автоматизации установки, а с другой повлияло на ряд кардинальных решений, определивших структуру системы и основных устройств, входящих в ее состав. Главное отличие примененных машин от мини-ЭВМ состоит в способах общения с периферийным оборудованием. В "универсальных" ЭВМ отдается предпочтение обмену большими блоками информации через незагружающие центральный процессор каналы ввода-вывода с непосредственным доступом в память. Организация такого обмена при мультипрограммном режиме требует нескольких милисекунд работы центрального процессора. Поэтому в централизованной структуре системы управления комплексом ВЭПП-4 основное радиоэлектронное оборудование было выполнено в виде т.н. автономных функциональных узлов (АФУ) [22,51]. АФУ создавались для решения конкретных задач на основе стандартлзованного узла,

состоящего из оперативного запоминающего, устройства ' на. 128 слов, автомата управления и интерфейса с последовательной системой связи, а также специализированного узла, " конкретная структура; - которого определяется функциональным. . назначением устройства.. ■ Всего в системе управления комплексом .ВЭППГ"4 было использовано около 100 АФУ, выполнявших следующие, функции:. .

- управление слаботочными коррекциями накопительных .колец ВЭПП-З.и'ВЭПП-4 по 64 каналам с 12-ти разрядной точностью (ЦАП 12-64) [23];

-измерение токов и напряжений корректирующих обмоток в 128 точках с 12-ти разрядной точностью (АЦП12-128) [22];

- контроль положения пучка в накопителях посредством измерения продетектированных напряжений от пикап-станций . (Орбита 12-128) [27];

- контроль вакуума в различных системах комплекса путем измерения тока магниторазрядных насосов в 64 точках (ИВА 12-64) [21];

- контроль температурного режима элементов, установки посредством измерения напряжения на 128 полупроводниковых датчиках;

АФУ периодически, с циклом, связанным с работой ускорителя, проводил измерения (или выдавал управляющие воздействия) и складывал полученные значения в ОЗУ [18]. Взаимодействие с ЭВМ сводилось к записи или чтению .массива однородных данных. Нак- . ладные расходы на уровне операционной системы для; организации, такого обмена по каналу прямого доступа ЭВМ оказывали незначительное влияние на результирующее быстродействие, так как передавался сразу большой блок информации. Функциональные возможности АФУ, в отличие от современных систем на основе .мик- . ропроцессорной техники существенно ограничены фиксированный алгоритмом работы, поэтому для определения принятой структуры был использован термин - "система с частично-распределенной. структурой". Понятие "распределенная структура" в данном случае означает, что конкретные функции - сбор данных, управление и предварительная обработка результатов осуществляются многими аппаратными блоками, работающими одновременно.

Для решения разнообразных проблем измерения и контроля на. установках, входящих в состав ускорительного комплекса, был создан комплект электронной аппаратуры [12]. Основные критерии при. разработке были следующие:

-единый конструктивный и логический стандарт;. .

-функциональная полнота комплекта; .. -высокая помехоустойчивость (электромагнитная совмести-

мость при работе с силовым, высокочастотным и высоковольтным оборудованием комплекса);

-стандартный интерфейсный узел для стыковки с последовательной системой связи.

Вывод информации из ЭВМ осуществлялся на следующие устройства:

-цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) статического типа на основе резистивной матрицы типа К-211, погрешность - 0,01%, число разрядов - 16;

-многоканальный ЦАП, состоящий из статического ЦАП, циркулирующего запоминающего устройства и синхронных аналоговых за-поминателей в каждом канале. Погрешность - 0.02%, число каналов до 256;

-ЦАП на основе ширОтно-импульсной модуляции, погрешность -0.002% время установления - 200 мс.

-генератор временных интервалов, число каналов -16, диапазон задержки от 0.1 до 10 1лкс;

-управляющий регистр, число коммутируемых каналов -12, выход потенциально развязан при помощи реле или оптоэлектронных приборов;

Ввод информации в ЭВМ осуществлялся от следующих устройств:

-аналого-цифровой преобразователь (АЦП) интегрирующего типа, погрешность - 0.01%, длина шкалы 40000, автоматическое переключение диапазонов, разрешающая способность - 1 мкВ, время измерения -40 мс, "плавающий вход" - измерительная часть гальванически развязана, в комплекте аналоговый коммутатор на 64 направления с погрешностью коммутации 1 мкВ [10, 11,25];

-многоканальный АЦП поразрядного уравновешивания, погрешность 0.02%, время измерения - 200 мкс, конструктивно выполнен совместно с аналоговым коммутатором на 64 направления [9];

-измеритель мгновенных значений импульсного магнитного поля, число каналов - 16, погрешность - 0,02% [16];

-измеритель амплитуды одиночного импульса наносекундного диапазона, погрешность -1%, число каналов -4 [38];

-датчик состояний типа "включено-выключено", число каналов -12;

-измеритель временных интервалов микросекундного диапазона,' число каналов - 8, разрешение - 0.1 мкс;

-измеритель временных интервалов наносекундного диапазона, число каналов - 6, разрешение - 0.5 не [58];

-интерфейсный модуль для подключения к последовательной системе связи промышленных цифровых измерительных приборов;

.'Все вышеперечисленные устройства были' выполнены в конструктиве .. "Вишня" и подключены . через последовательную систему передачи данныг с трехступенчатой древовидной схемой коммутации-. . Блок-схема системы управления- комплексом ВЭПП-4 приведена на рис.1. . Было использовано 6 ЭВМ "Одра-1325" - по одной машине на'каждую из подсистем комплекса: инжектор, промежуточный накопитель ВЭПП-З, канал транспортировки ВЭПП-З -ВЭПП-4, основное кольцо накопителя ВЭПП-4, высокочастотный генератор Гирокон. Позднее была добавлена ЭВМ контроля технологических параметров всего комплекса (вакуум, температура, радиационная обстановка). В таком составе система, функционировала в 1978-79 гг.

Разработка системы управления этого поколения совпала по времени с появлением микросхем с комплементарной МОП-структурой. Уникальные свойства этих микросхем позволили применить при проектировании, аппаратуры ряд экономичных и эффективных решений. Например, датчик" тока в системе измерения вакуума, работающий от энергии измеряемого сигнала (тока магниторазряд-ного насоса), преобразователь ШИМ-сигнала в опорное напряжение, устройство поразрядного уравновешивания в широкодиапазонном быстродействующем АЦП и т.д.- [21,24]. Кроме того, надежность электронных устройств на основе КМОП-логики, как показал опыт эксплуатации, оказалась существенно выше, чем в предыдущих разработках. Поэтому решение разместить электронное оборудование в помещениях, недоступных для обслуживания во время работы ускорителя,но зато в непосредственной близости от объектов управления было правильным.

Время жизни ускорителя обычно составляет не одно десятилетие. Он непрерывно изменяется и модернизируется: реализуются новые идеи, .возникают новые потребности. Система управления должна эволюционировать во времени вместе с ускорителем, цри-чем этот процесс идет^ на фоне быстрого прогресса в области электроники. Необходимость непрерывной модернизации аппаратуры управления с расчетом на длительную перспективу потребовала перехода на более универсальный машинно-независимый стандарт. Единственным приемлемым стандартом в то время был КАМАК. Все оборудование, разработанное для ВЭПП-4, было полностью ориентировано на применение последовательной сети связи ВЭПП-4 и поэтому его использование в других системах было затруднено. Таким образом, еще одним поводом для перехода на КАМАК явилась необходимость унификации аппаратных средств в рамках всего Института. Начиная, с 1978 года, практически все электронное оборудование для решения задач управления разрабатывалось и

выпускалось в стандарте КАМАК [29,33,39,42].

Сопряжение аппаратуры в стандарте КАМАК с универсальными ЭВМ сталкивается с некоторыми трудностями, обусловленными заложенной в стандарте высокой интерактивностью взаимодействия с ЭВМ [41]. КАМАК по сути дела ориентирован на использование программного обмена. В нашем случае реализация программного обмена была практически невозможной, поскольку ЭВМ не расчита-на на работу пользовательских программ непосредственно с устройствами ввода-вывода - все обмены осуществляются при посредничестве операционной системы, что резко снижает быстродействие.

Первым шагом для решения этой проблемы была разработка специализированного контроллера крейта, подключаемого к системе последовательной связи и осуществляющего простейшие взаимодействия с модулями в крейте. В контроллере размещалось оперативное запоминающее устройство, куда предварительно заносилась управляющая информация. Такой контроллер позволял генерировать необходимую управляющую-информацию и передавать в ЭВМ лишь "чистые" структурированные данные. Этот контроллер позволял получать удовлетворительные временные характеристики при работе с оконечными устройствами, однако при многопрограммном режиме, характерном для систем управления, возникли проблемы организации взаимодействия "контроллер - программы".

Следующий шаг -разработка интеллектуального контроллера крейта, представляющего собой 16-разрядную ЭВМ, имеющую упрощенную систему команд и малую оперативную память [32]. Его применение было связано с известными проблемами, характерными для многих систем конца 70-х годов: миниЭВМ на верхнем уровне и интеллектуальный контроллер, построенный на маломощном микропроцессоре на нижнем уровне. Главный недостаток этих систем- в сложности программирования контроллеров, требовавший высокой квалификации, что часто приводило к необходимости привлечения профессионалов, а это противоречило сформулированному выше принципу - программное обеспечение разрабатывают физики, работающие на комплексе. Поэтому такие контроллеры нашли применение лишь в замкнутых системах с фиксированной задачей, в которых не требовалось модификации программ.

Все эти обстоятельства привели, в конечном итоге, к решению разработать интеллектуальный контроллер крейта с системой команд ЭВМ - "Одра-1325". При этом предполагалось использовать его именно как подчиненный контроллер с подготовкой программ в кросс-режиме на "Одре". В 1983 г. такой контроллер, получивший название Одренок, был разработан и были организованы первые

автономные измерительные системы на его основе [64]. В августе 1985 года мы отказались от дальнейшего использования ЭВМ "Одра" в системах управления и полностью перешли на Одрят.

МикроЭВМ Одренок реализована в виде автономного контроллера крейта и занимает две станции, выполнена на микропроцессорных секциях 1804ВС1. Микропрограммная реализация дала возможность изменить в нужном нам направлении исходную архитектуру ICL-1900. Помимо введения в архитектуру средств для взаимодействия с магистралью КАМАК были сделаны еще некоторые важные усовершенствования, полезные в системах реального времени. Одним из таких нововведений является механизм переключения процессов. Дело в том, что наличие средств для мультипрограммирования является принципиально важным для ЭВМ, используемой в системах управления. Для систем управления ускорителем, который сам является не только инструментом, но и объектом исследований, характерна частая смена режимов, изменение конфигурации системы, наличие большого процента исследовательских задач.

Наличие средств мультипрограммирования, традиционно рассматриваемых как принадлежность достаточно крупных машин, оказывается полезным и на уровне автономного контроллера крейта. Это связано, в основном, с разрешением "географического" противоречия, когда в одном Крейте оказываются модули, относящиеся к различным подсистемам и которые желательно обслуживать отдельными программами. Программное обеспечение систем управления построено в виде набора полностью независимых задач, взаимодействующих друг с другом при посредничестве операционной системы реального времени [61]. Такой подход упрощает разработку программного обеспечения. Для каждой подсистемы управляющие программы создаются независимо, возможно разными людьми, лучше всего знающими данную часть установки.

С точки зрения операционной системы все программы, ожидающие сигнала прерывания от модулей в крейте являются активными. При появлении ожидаемого события, процессор сам на микропрограммном уровне запустит требуемую программу в соответствии с ее приоритетом. Таким образом, на микропрограммном уровне реализована наиболее критическая по времени выполнения часть операционной системы, что позволило получить быстрые времена реакции системы на внешние события. Основные параметры мик-роЗВМ Одренок:

- адресное пространство - 4 М слов;

- оперативная память - "4 К слов, 24 разряда;

- быстродействие - около 0.5 MIPS;

- время выполнения одиночного NÄF -2.4 мкс;

- реализован микропрограммный блочный обмен и сканирование по N со скоростью 300 тыс. КАМАК-операций в секунду;

- наличие режимов супервизор/задача;

- мультипрограммное^, быстрое аппаратное переключение контекста при смене задач;

- аппаратно реализованная арифметика.с плавающей запятой в 48-разрядном формате,' операции с двойной точностью выполняются программно с использованием 96-битового формата;

- наличие интегрированных на уровне архитектуры средств взаимодействия с магистралью КАМАК;

- микропрограммно1реализована-целая векторная арифметика;

Системы управления ускорительно-накопительными установками ЙЯФ сегодняшнего дня построены по единой схеме [52, 63, 65, 72-76, 82-85]. К центральной ЭВМ Одренок, служащей файловым процессором и оснащенной винчестерскими дисками емкостью до 40 Мб, 'с помощью последовательных линий связи подключается до 16 периферийных микроЭВМ (рис.2). В каждой из них устанавливается четырехканальный модуль стыка V-24, служащий для подключения терминалов или печатающих устройств. Одна периферийная ЭВМ отвечает за управление одной или несколькими подсистемами ускорителя такими, например, как магнитная система.кольца накопителя, ВЧ-система, система контроля вакуума или температуры. Как правило, одного крейт'а недостаточно для размещения всей аппаратуры данной подсистемы, поэтому к крейту с Одренком через последовательный драйвер ветви может быть подключено от 4 до 16 "пассивных" крейтов, оснащенных простыми контроллерами. В этих крейтах и размещается основная масса оборудования. Мультипрограммное^ и возможности, предоставляемые операционной системой, позволяют в одной периферийной ЭВМ существовать одновременно нескольким подсистемам. С другой стороны, в некоторых случаях производительности процессора и быстродействия линий связи недостаточно для того, чтобы уложиться в цикл тай-мирования установки. Например, на ускорителе ВЭПП-3 позитрон-ный инжектор может работать с частотой до 2 герц. В такой ситуации система разделяется на две части: контролирующую и управляющую, каждая из которых использует свою отдельную ЭВМ. Между этими машинами существует значительный информационный поток и для того, чтобы он не перегружал общий канал обмена через центральную ЭВМ, ' организована отдельная линия связи (хорда) на базе интерфейса локальной сети.

Основу системного программного обеспечения составляет операционная система реального времени ODOS [61]. ОС допускает

Г оетм ЭБИ

эвы ЭВМ

Хпршвшв ДвИТрвАЫ»«

инжектором вэии-з

НМД, НМЛ

ЭВМ ЭВМ Ногкипая систем ЭВМ Орбита ВЭПП-З

В Ч-системы 4 '

Система

3давления опителем

I-1 КШ1Х кр«ят

Рис. 2.

одновременную работу до 10 резидентных задач. Предоставление задаче процессора осуществляется по приоритетной схеме. Переключение с задачи на задачу происходит по прерываниям от внешних событий таймера _ или в результате выдачи задачей команды обращения к ОС. Система обслуживает до 4-х локальных терминалов, виртуальный терминал от ЭВМ более высокого уровня, винчестерский диск, а также модуль буферной памяти (дисковый кэш). Кроме этого, ОС обеспечивает файловый доступ к центральной ЭВМ и предоставляет средства для передачи сообщений и сигналов как внутри одного процессора, так и между задачами в различных процессорах сети.

В настоящее время на установках ВЭПП-З и ВЭПП-4 используется по 8 микроЭВМ Одренок, функции которых распределены следующим образом:

ВЭПП-З --центральная

-управление позитронным инжектором -контроль позитронного инжектора -магнитная система ВЭПП-З -система ВЧ питания ВЭПП-З -измерение орбиты ВЭПП-З -радиационный мониторинг -контроль вакуума и температуры

ВЭПП-4 -центральная -канал ВЭПП-З - ВЭПП-4 -магнитная система ВЭПП-4 -измерение орбиты -система ВЧ питания ВЭПП-4 -измерение светимости -подготовка программ

Для того, чтобы получить представление о масштабах установки с точки зрения систем управления, ниже приведено общее количество КАМАК модулей по состоянию на май 1991 года.(Номенклатура использованных модулей включает в себя около 80 различных типов).

ВЭПП-3 ВЭПП-4

крейты КАМАК 30 43

ыикроЭВМ Одренок 8 8

системные блоки 110 250

измерительные блоки 100 245

блоки управления 90 230

всего 308 730

Следует заметить, что система управления даже на давно работающей установке, обычно непрерывно находится в развитии: появляются и исчезают новые диагностики, улучшаются измерительные и управляющие подсистемы, совершенствуются средства общения операторов с ЭВМ. И тем не менее, даже при все возрастающей удельной производительности и "мощности", доля электронного оборудования имеет тенденцию к росту.

Сегодня представляется очевидным, что системы управления ныне работающих ускорительно-накопительных комплексов ИЯФ нецелесообразно переводить на другой магистрально-модульный стандарт и на другой тип ЭВМ. Существующие системы вполне устраивают по надежности и по набору реализуемых функций. Правильная организация управляющих и измерительных структур, а также использование модулей с расширенными функциональными возможностями дает нам основание считать, что на нижнем уровне систем автоматизированного управления крупными электрофизическими установками ИЯФ стандарт КАМАК адекватен задачам.

В то же время ускорительно-накопительные комплексы ИЯФ расчитаны на долгую жизнь, ведутся работы по сооружению крупных установок нового поколения- ВЛЭПП, ВЭПП-5, технически более сложных и громоздких чем все предыдущие. Поэтому вполне вероятно появление необходимости резкого увеличения скорости восприятия и обработки информационных потоков, когда на одной достаточно скоростной магистрали будет целесообразно иметь несколько одинаковых или разных процессоров. Наиболее подходящим для зтой цели в настоящее время представляется магистраль-но-модульный стандарт УМЕ [3, 94]. Но для его эффективного использования, если не расчитывать на полномасштабные закупки западного оборудования, необходимо коренным образом улучшить производственно-технологическую базу Института, а отечествен-

ная электронная: промышленность должна сделать несколько крупных шагов впёред. .

Кроме того, проблема выбора новой ЭВМ остается столь же острой, как и ранее, несмотря на лавинообразное распространение ЭВМ,типа IBM-PC. Эту ЭВМ, ввиду сугубой персональности существующего программного обеспечения, целесообразно использовать на . крупных установках лишь для развития функций операторской консоли. Работы'в этом направлении сейчас ведутся [95]. На верхнем уровне системы управления ближайшего будущего хотелось бы иметь рабочие станции на основе высокопроизводительных Sun-station, Vax-station и т.д.. Подобные станции имеют столь мощную программную поддержку в области сетевого обеспечения, .работы с файлами, иллюстративной графики,' что становится очевидной целесообразность их приобретения. Это даст нам возможность активно использовать стандартное современное программное обеспечение. Кстати, последнее соображение актуально и на уровне контроллеров крейтов. Понятно, что ближайшие 5 лет КАМАК будет основным аппаратным средством в системах управления ИЯФ. Сегодня представляется наиболее экономичным и простым вариант построения нового контроллера на базе транспьютера Т400 или Т800. Это позволяет почти на два порядка, относительно .Одренка, поднять производительность и практически снять ограничения на объем оперативной памяти. Архитектура транспьютеров хорошо сочетается с требованиями многопроцессорных систем. В аппаратной части эта задача достаточно прозрачна, первые опыты конструирования и применения процессоров на основе транспьютеров обнадеживают. Но, впереди самая сложная и трудоемкая часть работы - разработка концепции и реализация базового программного обеспечения с обязательным условием сохранения многочисленных преимуществ существующей системы.

2. Измерительная и управляющая аппаратура для систем автоматйзации физического эксперимента.

Система автоматизированного управления ускорительно-накопительной установкой, а также разнообразное электронное оборудование, входящее в состав этой системы, могут служить хорошей иллюстрацией современных достижений в области автоматизации физического, эксперимента как по набору реализуемых функции, так и по быстродействию и точности при их исполнении. Взаимосогласованная работа различных частей сложного комплекса установок, находящихся под управлением многопроцессорной

системы,, предъявляет особые требования к структурным и схемотехническим решениям в измерительной и управляющей, аппаратуре.

Этапы .развития, ' идеология, структура и организация.систем автоматизированного управления , ускорительными комплексами' в ИЯФ изложены выше. В данной главе рассмотрены основные методы создания измерительных и управляющих систем,. а также принципы построения, ключевые технические решения и параметры электронных блоков, на которых базируются эти системы.

Начиная с конца 70-х.годов большая часть электронного оборудование для систем управления разрабатывается и выпускается в стандарте КАМАК. В то же время достаточно часто встречаются ситуации, когда применение КАМАКА по тем или иным причинам нецелесообразно. Тогда используются специализированные разработки, выполненные вне стандарта, например, автономный блок соп-. ряжения- для однопролетных датчиков положения пучка заряженных частиц, система радиационного мониторинга,- устройства для регистрации оптических изображений на .основе-.многоэлементных приемников и т.д. В дальнейшем, если при-описании прибора нет. комментариев, о примененном стандарте, следует считать, что речь идет о.КАМАКЕ.

2.1. Аппаратура для организации Многоканальных измерительных и управляющих систем постоянного тока.

' [36,37,77,8$, 88, 97] .

. Рассмотрим принципы построения и конкретные примеры аппа-. ратуры, применяемой в ИЯФ для создания разнообразных, в том. числе и прецизионных, измерительных и управляющих систем, входящих . в состав ускорительно-накопительных комплексов. Ниже приведены основные требования к этим системам [77, 86, 88].

Точность преобразования.

При проведении экспериментов, по . прецизионному измерению масс мезонов на установках.со встречными электрон-позитронными пучками нестабильность источников питания магнитной системы накопителя не должна превышать 0.002%. Поэтому необходимо применение приборов класса 0.001% с разрешающей способностью порядка 0.0001% [36, 37].

Помехозащищенность.

Мощные ВЧ-генераторы, тиристорные регуляторы с выходной мощностью в сотни киловатт, импульсные элементы электронно-оптических каналов, многочисленные цифровые устройства, в том числе и ЭВМ, являются источниками различного вида помех. Поэтому требование электромагнитной совместимости всех систем

комплекса является жизненно необходимым. В этих условиях повышенные требования по. помехозащищенности предъявляются к измерительной и-управляющей аппаратуре, к линиям передачи аналоговой и дискретной информации [97]. .

. Быстродействие. Г

В системе питания комплекса ВЭПП-4 необходимо контролиро- . вать напряжения примерно в 2 тыс. Точек и формировать аналоговые управляющие воздействия более чем По 500 каналам.' Время ' . подъема энергии составляет несколько десятков секунд. В этом режиме необходимо взаимосогласованное с высокой точностью (0.1% - 0.01%) изменение полей в магнитных элементах накопите-* лей. Технические параметры' управляющих и измерительных структур должны обеспечивать корректную работу систем питания как в статическом, так и в динамическом режимах. , • -

2.1.1. Цифроаналоговые преобразователи.

[39,47,55,62,78,89,96]

Обычно, для управления источниками питания- магнитной системы ускорительно-накопительного комплекса от цифроаналого-вог'о преобразователя (ЦАП) требуется сравнительно невысокое быстродействие, при точности от 0.1% до 0.001%. Поэтому большинство применяемых преобразователей построено на основе Ши-ротно-импульсной модуляции (ЦАП-ШИМ). Преимущества данного типа ЦАП общеизвестны: минимум прецизионных компонентов при практически произвольной разрешающей способности, высокая ли-, нейность, легко реализуемая гальваническая изоляция аналоговой части и, как следствие вышеизложенного, сравнительно малая стоимость [39, 96].

Одной из популярных в ИЯФ разработок является 8-ми канальный преобразователь "код-скважность" (ПКС), расположенный в крейте и передающий управляющее воздействие на ЦАП-ШИМы, интегрированные непосредственно в объекты управления [53, 55]. Сигналы от ПКС в виде разнополярных импульсов, расстояние между которыми несет информацию об управляющем воздействии, передаются по коаксиальному кабелю с трансформаторной развязкой на расстояние до 500 метров. Блок-схема преобразователя приведена на рис.3. Импульсные сигналы от ПКС поступают на триггер,управляющий аналоговыми ключами. Полученный широтно-модулирован-ный сигнал фильтруется RC-фильтром третьего порядка. Для сопряжения с системой регулирования предусмотрен усилитель сигнала ошибки (УСО), который сравнивает выходной'сигнал ЦАП с сигналом от датчика тока или напряжения. Гальваническая развязка

■ Рис. 3.

по питанию выполняется при помощи высокочастотного преобразователя напряжения с трансформатором специальной конструкции с минимальной проходной емкостью. Параметры ЦАП: 16 разрядов,, погрешность 0,01%, время установления 0.4 сек, температурный коэффициент выходного напряжения 0.0003%/К. Данная конфигурация широко используется в системах импульсного питания каналов транспортировки заряженных частиц, в источниках питания "сильноточных" корректоров, т.е. в тех случаях, когда управляемые объекты значительно (до сотен метров) разнесены в пространстве и их "земли" явно не эквипотенциальны.

Управление компактно расположенными источниками питания, например, в одной стойке, когда синфазные напряжения.между отдельными каналами достаточно малы, осуществляется при помощи 16-канального ЦАП [55]. Прибор имеет оперативное запоминающее устройство, содержимое которого циклически заносится во встроенный ЦАП-ШИМ. Сформированное на выходе ЦАП напряжение с амплитудой, пропорциональной занесенному в ОЗУ коду, фиксируется соответствующим каналом аналогового запоминающего устройства. Основные параметры преобразователя: погрешность 0.02%, количество каналов 16, количество разрядов 16, время установления выходного напряжения 0.5 с.

Рис. 4.

Для задач с более высокими требованиями по точности регулирования (системы питания основных магнитов и линз накопителей) а также для автоматизации процесса поверки и настройки аналого-цифровых преобразователей, изготавливаемых в ИЯФ, разработан прецизионный ЦАП, основанный на применении многофазной широтно-импульсной модуляции [47, 62]. Этот метод является дальнейшим усовершенствованием метода ШИМ. Его применение позволяет в N ^ раз (где II- число фаз), по отношению к традиционному, уменьшить время установления или во столько же раз снизить тактовую частоту, ослабив при этом требования к быстродействию аналоговых ключей, формирующих ШИМ-сигнал. Это дает возможность предельно упростить схемотехнические решения ключей и формирователей, используя обычные логические элементы К-МОП серии. Схема аналоговой части прибора приведена на рис.4. ЦАП построен по двухкаскадной схеме. Выходное напряжение является суммой (с весами 1/2048) напряжений двух независимых ЦАП. Первый преобразует 11 старших разрядов и имеет 8-ми фазное формирование . выходного сигнала (ключи К1-К16). Второй ЦАП для младших, разрядов - однофазный, 8-ми разрядный (К17-К18). Напряжения обоих ЦАП суммируются резисторами и сглаживаются одним фильтром нижних частот (А1,А2). Двухполяр-

ное напряжение формируется'выходной схемой (К19-К22,A3,А4). В источнике опорного напряжения применен прецизионный стабилит- ■ рон, помещенный в относительно простой термостат со стабиль- ' ностью температуры 2К. Для получения стандартной шкалы, преоб-. разования величина опорного напряжения 'должна быть, равна' 8,192 В с допустимым отклонением . 0.0005%.- Необходимо' произвести, масштабирование напряжения стабилитрона, которое равно 8.9-9.1 .. В. Использование резистивного^ делителя привело бы к недопустимому дрейфу масштаба выходного-напряжения. Даже для прецизион-, ■ . ных резисторов С5-61 величина дрейфа, превышает 500 мкВ в- диа.-, пазсне температур 30К. В. описываемом.приборе грубая подстройка масштаба (с дискретностью 64 мВ) .осуществляется оригинальным способом - .соответствующим увеличением периода ШИМ-сигнала при • 'формировании его в цифровой , части, преобразователя. . Погреш-• ■ ,'ность, . вносимая резисторами делителя точной подстройки, при тех же условиях составляет 4D мкВ.

Прибор имеет следующие параметры: ■ ... -длина шкалы . . • ,'.• . , : 20 двоичных разрядов

-диапазон напряжений ■' .■'.■■ 8, 192 В -дискретность .'.-' . - 15, 625 мкВ

. -погрешность за .3 месяца. ■'-. . 0.001%

• -нелинейность. . 0. 0001% -температурный.коэффициент ' ..

выходного напряжения .' • 0.00002%/К + 2мкВ/К

-время установления, с погрешностью 0.001% . 0.1с

. '-емкость аналоговой част;: . .. относительно ■ Корпуса .." . 150 пФ

• -ширина модуля .''.■. ' ■ ; 1М .■'

Следует заметить,. что отдельные параметры данного преобразователя значительно превосходят .уровень лучших отечественных, .калибраторов постоянного напряжения. Время установления выходного напряжения на заданную .точность более чем на порядок, .меньше чем у лучшего в мире калибратора . 5700А (FLUKE, США). Этот.параметр особенно важен при использовании прибора в авто-..- матизированных стендах для настройки АЦП, когда для проверки точности и линейности • преобразования ; необходимо произвести . несколько сотен измерений в различных точках.динамического ди-. апазона. -. .'

При разработке преобразователей подобного класса проблема создания источника опорного напряжения с требуемой температур- ■ ной и временной стабильностью является одной из основных. Это

объясняется тем, что " отечественная . промышленность' не выпускает прецизионных стабилитронов, аттестованных на нужные нам параметры. Поэтому в лаборатории разработана и эксплуатируется автоматизированная'система для. отбора прецизионных .стабилитронов, которая, кроме.измерения и отбраковки ло временному дрейфу напряжения, находит термсстабильную рабочую .точку для каждого конкретного прибора. [49].:. При использовании реко-. мендуемых режимов температурный коэффициент напряжения,- один из. основных параметров опорного; источника, уменьшается на 1-2 • порядка. С помощью- этой системы.отобрано, несколько тысяч стабилитронов.' Это • дало •возможность.решить в ИЯФ задачу производства необходимого. количества' : измерительных И. ' управляющих . приборов класса' 0.001%., .При разработке различных преобразователей класса. 0.01% удалось отказаться.■ от . термостатирования стабилитронов,, что существенно упростило и наладку^'конструкцию. приборов.

В. процессе. :перестройки . энергии накопителя заряженных частиц необходимо взаимосогласованное изменение, параметров многочисленных источников питания магнитных элементов с высокой точностью - и синхронностью.;. В. системах питания, первых поколений, эта задача решалась путем подбора (с учетом индивидуальных -характеристик магнитов) -специальных .ИС-фильтров на- .выходе ЦАП и жестким таймированием. при выдаче управляющих' воздействий. Сегодня наиболее адекватным решением' данной проблемы ; является применение ЦАП сп встроенными цифровыми.интерполято^ рами. Разработано два типа преобразователей' [78-89].-■•

Многоканальный ЦАП обеспечивает преобразование- 1'6-разряд-ного.кода с погрешностью С.01% ■ по 16 каналам. Встроенный процессор осуществляет одновременное изменение выходных.нацряжё-. ний. Закон изменения для каждого канала задается, с: помощью промежуточных значений, по .которым.происходит кусочно-линейная интерполяция: Может быть; задано до. 80. .промежуточных'. .значений для каждого канала. Для каждого линейного .участка; кроме того, задается время интерполяции в. диапазоне от 1 до 63с с дискретностью 1с, либо .в- диапазоне от 0.1. до 6.3с .с. дискретностью 0.1с. . ' ' : :•'-.' ■

Для управления; прецизионными - каналами разработан 20-разрядный ЦАП со-встроенным.усилителем, сигнала /ошибки." погрешность преобразования' 0.001%.: Функции, .'цифрового интерполятора аналогичны описанному выше.

Управлснис преобразователями осуществляется через контроллер последовательной линии с протоколом ШЬ-5ТП.1553В. Данный протокол позволяет, иметь на одной линии 31 устройство. Конт-

роллер выполнен в стандарте КАМАК. Преобразователи.выполнены.в стандарте "Вишнд", как и остальное управляющее оборудование источников питания электромагнитов. "

В тех случаях, когда необходимо формирование быстроменяю-' щегося опорного напряжения, применяется ЦАП на основе гибридной микросхемы 427ПА1., Прибор снабжен-ОЗУ-и микропрограммным автоматом, позволяющим, 'многократно повторять формирование, опорного напряжения произвольной формы по двум независимым ка-, налам в 1024 временных точках. Преобразователь имеет следующие-параметры: 2 кацала, число разрядов - 16, погрешность 0.005%,. время установления 40 мкс,> гальваническая изоляция' выхода' -с емкостью относительно корпуса 150 пФ, ширина модуля 1М. .

2.1.2. Аппаратура лая измерения постоянных напряжений.'

[10,11, 43-45,48,54, 59]. (■.

Как уже упоминалось/ реальная работа любой крупной фиэи-. ческой установки обычно сопровождается генерацией весьма широкого, спектра самых разнообразных электромагнитных Помех'и нередко амплитуда этих помех на входе измерителя существенно превышает полезный сигнал. При наличии протяженных сигнальных трасс затраты на высококачественную экранировку становятся .не-' оправданно большими. Поэтому в аналого-цифровых преобразователях, предназначенных для измерения постоянных и квазипостоянных сигналов применен наиболее помехоустойчивый метод с предварительным интегрированием ,входного сигнала. , Работы в этой области были начаты в ИЯФ в начале 70-х гддов.: На основе первой разработки, АЦП с двухшаговым интегрированием были созданы многоканальные измерительные системы в том числе, и мйкроволь-. тового диапазона [10].

Используя различные модификации, метода: двойное интегрирование, многотактное интегрирование, метод динамического интегратора, в Институте разработана и выпускается серия АЦП, ори-, ентированная на использование в многоканальных помехозащищен-ных измерительных системах.. Кратко рассмотрим особенности построения и параметры наиболее характерных представителей этой серии.

Метод тройного .(трехшагового) интегрирования по отношению к двухшаговому позволяет-уменьшить составляющую -погрешности,, обусловленную шумом усилителей интегратора и нуль-органа .[53]. Дополнительным преимуществом метода является высокая разрешающая способность при сравнительно малой частоте тактового генератора. Упрощенная схема прибора приведена ла рис. 5. Входной

сигнал с помощью усилителей А1 и А2 преобразуется в ток. АЗ, Т2' .-токовое зеркало, . С целью получения ■ быстродействия ключи К1 - КЗ выполнены на диодах,. 'Основной опорный- сигнал формируется генератором тока на А4,ТЗ.. Опорный сигнал третьего шага, уменьшенный в.64 раза формируется с - помощью'А6,.' Т5. Во время, первого шага происходит интегрирование входного сигнала, . во время Последующих двух -интегрирование основного и поделенного опорных -сигналов'. Этот; метод реализован в быстродействующем приборе АЦП 15-256. Основные параметры приведены в таб.1. Прибор снабжен встроенной памятью на 256 слов и схемой управления аналоговым, коммутатором, которая предназначена для' передачи адреса измеряемого канала в последовательном коде через разът емы на передних панелях. При проведении многоканальных измерений работа происходит следующим, образом: предварительно в служебные регистры АЦП записываются начальный й конечный адреса каналов, по которым необходимо произвести измерения. По команде запуска АЦП проводит заданную серию измерений и записывает результаты в соответствующие ячейки. встроенного ЗУ, которое может быть: опрошено единой, командой. Наличие данного режима . позволяет существенно уменьшить объем инструкций, передаваемых

Рис. 5..

Рис. 6.

Метод многотактного интегрирования с третьим шагом позволяет получить . высокую разрешающую способность.й линейность, преобразователя при сравнительно высоком быстродействии [.48]. Блок-схема, реализующая ; метод, приведена на.рис.6. Суть его.■ состоит в том, что одновременно с интегрированием входного сигнала происходит ^интегрирование опорного напряжения по.определенному алгоритму.- При достижении выходным напряжением, интегратора порогового значения (срабатывает компаратор А2-йли. А4) ко входу интегратора подключается опорное напряжение, про- . тивоположной по отношению ко входному сигналу полярностью.на фиксированный-интервал времени Т, т.е. происходит многотактное интегрирование входного и опорных сигналов.. По окончанию интервала Т1 (интегрирование входного сигнала) алгоритм '. работы такой же, как и в предыдущем методе. Окончание третьего шага,, в течение которого : производится интегрирование уменьшенного опорного напряжения, определяется нуль-органом АЗ. В данной • схеме коэффициент Передачи интегратора, примерно :равен числу-тактов интегрирования при. измерении, максимального входного . сигнала. Заметим, что в такое же число раз уменьшаются погрешности преобразования, связанные .с . поляризацией диэлектрика конденсатора интегратора." На.основе этого метода построен прецизионный преобразователь-АИПЙ-22 (таб.1). Приведём некоторые дополнительные характеристики прибора,, важные при . построении измерительных систем, выдокой точности: время .интегрирования.' входного сигнала 20 мс; время установления входного усилителя .:

(с погрешностью 0.001%) 8 мс; диапазоны измеряемых сигналов 0.1,.1, 10, 100, 1000 Б; разрешающая способность соответственно 0.1, 1, 10, 100, 1000 мкВ; относительная погрешность преобразования на диапазоне 10 В.за 8 часов 0.0005% от шкалы, температурный дрейф напряжения масштабирующего, усилителя 0.03 мкВ/К; входной ток менее 10 пА;'.входное сопротивление на младших диапазонах более 100 ГОм.

По совокупности таких параметров* как длина шкалы и точность преобразования при времени измерения 40 мс, прибор не имеет себе равных. . У. лучших цифровых вольтметров: 7075 фирмы "Зо1аг1;гоп" (Англия), 1081 фирмы "Ба^гоп" (США) при таких же значениях длины шкалы и точности преобразования время одного измерения составляет 0.4-1с.

Метод динамического интегратора - разновидность метода-ши- -ротно-импульсного преобразования с импульсной обратной'связью [54, 59]. Блок-схема динамического интегратора приведены на рис.7. Входной сигнал их подается через резистор на вход интегратора А1. Ключ в цепи входного сигнала отсутствует. В зависимости от полярности выходного напряжения интегратора, определяемой при помощи-нуль-органа А2, на вход интегратора подключается соответствующее опорное напряжение через ключи К1

и К2.'„ .Работа ключей синхронизирована с. таковой частотой с помощью .Б-триггёра. Отличительной чертой метода является то, что' одновременно со. входным, и'опорным' сигналами на вход интегратора через разделительный конденсатор 02.поступает Напряжение "накачки" - периодическое напряжение прямоугольной формы, амплитуда которого . превышает сумму, модулей входного и опорного напряжений. Величина измеряемого напряжения равна:

Но 1 Н . их .= иоп -- - Т. (Т, - Т? ) .

% Т N=1

где Т1- время включения положительного опорного источника, Т2 -время включения отрицательного опорного источника, Т- суммар-_ ноё время измерения, Т=Н*ТЗ, где ТЗ-'период напряжения "накачки". Ы- число периодов напряжения, "накачки" за время Т. Отсюда видно, что выбором числа N можно .изменять разрядность и время преобразования. Это качество особенно' полезно для АЦП, предназначенных для многоканальных измерений: измерения с невысокой точностью и дискретностью производятся быстро, а высокоточные медленнее,, но с большей разрядностью. При увеличении времени измерения происходит дополнительная фильтрация высокочастотных помех и наводок, ' присутствующих в измеряемых сигналах. Также к достоинствам метода следует отнести отсутствие ключа в цепи измеряемого сигнала и то, что не требуется.дополнительного времени для получения выходного кода: результат получается в конце интервала интегрирования входного сигнала. Кроме того погрешности, обусловленные поляризацией диэлектрика интегрирующего конденсатора пренебрежимо малы. На основе метода динамического интегратора разработаны АЦПИ-20 и АЦПИ-20-256 (таб.1). Эти модули имеют по 8 диапазонов времени измерения, при переключении которых длина шкалы изменяется соответственно и по 2 диапазона входных сигналов (8В и 500 мВ), что дает возможность измерять напряжения микровольтового уровня. АЦ-ПИ-20-256 снабжен встроенной памятью и устройством для управления коммутатором аналоговых сигналов по передней панели.

Следует заметить, что аналоговые части всех измерителей гальванически изолированы от "земли". Развязка осуществляется при помощи встроенных высокочастотных источников вторичного питания и оптоэлектронных приборов для обмена информацией с цифровой частью. Это позволяет на основе данных преобразователей создавать многоканальные измерительные системы с практически полным подавлением паразитного синфазного сигнала.

Для эффективного подавления последовательных помех от сети переменного тока длительность периода интегрирования входного

напряжения специальной схемой автоподстройки поддерживается кратной периоду питающей сети.

'"■...•■: ' Таблица 1

Тип прибора АЦПИ-22 АЩШ-2'0 АЦПИ-20-256 АЩШ-15-2

Время преоб-

разования, мс i 40 7.5-480 1.25-160 0.1

Шкала(дв.раз.) 22 14-20 13-20 15

Погрешность

за 3 месяца 0.001% 0.01% 0.01% 0.01%

Память (слов) - 256 256

.Подавление

синф. помехи . 140 дб 120 дб ' 120 дб 80 дб

Подавление

поел, помехи 8Q дб . 80 дб 80 дб -

Ширина мод. 4М 1М 1М 1М

Метрологические характеристики приборо'в сохраняются в диапазоне температур 20С-БОС.

Подавление последовательной помехи указано для времени из-мерёния не менее 20 мс.

Для организации многоканальных измерительных систем в Институте разработан ряд коммутаторов аналоговых сигналов, параметры которых приведены ниже:

-КАС-16Г и КАС-128Г : 16 и 64 канала соответственно, коммутирующие элементы - герконовые реле типа РГК-15, время переключения 1мс, максимальное напряжение 200 В, погрешность коммутации - 50 мкВ. '

-КАС-16ГМ и КАС-32Г : 16 и 32 канала соответственно, коммутирующие элементы термокомпенсированные герконы, погрешность коммутации 1мкВ. Предназначены для измерительных систем микро-вольт'ового диапазона.

-КАС-128: 64 канала, выполнены на микросхемах с комплементарными МОП-транзисторами, время переключения 10 мке, диапазон входных напрязений 10В,- погрешность коммутации 100 мкВ. Применяется в системах с непрерывным."обеганием" каналов.

Мультиплексирование входных сигналов обычно осуществляется по двухпроводной схеме. Для ситуаций, когда "земли" всех источников эквипотенциальны, есть возможность переключения в режим с Коммутацией одного провода. При этом количество каналов в КАС удваивается..

Во всех моделях предусмотрена защита от перенапряжений по входу. Адресные регистры коммутаторов имеют 8 разрядов, что дает возможность простого объединения до 256 измеряемых кана-

лов на один преобразователь.

Работы в области автоматизированных измерительных систем повышенной точности были начаты в Институте в первой половине 70-х годов на основе лучших в то время промышленных цифровых вольтметров с необходимыми доработками и изменениями. В последствии все измерительные и управляющие системы' создавались на основе собственных разработок. Схемные и структурные решения, первоначально реализованные в аппаратуре систем управления, легли в основу ряда приборов, разработанных в ИЯФ и переданных в промышленность для серийного выпуска. Так АЦП с двухшаговым интегрированием является прототипом первого отечественного интегрирующего вольметра класса 0.01%, П^Шб, се-' рийно выпускаемого в различных модификациях объединением "Вибратор" (г. Санкт-Петербург) [11]. Цифро-аналоговые преобразователи для мощных источников стабилизированного тока ИСТ-2500 выпускаются заводом ТЭЗ (Таллинн). Жидкостный микроколоночный хроматограф "Обь-4", созданный совместно с Институтом биоорганической химии АН России, по основным характеристикам на несколько лет опередил аналогичные разработки за рубежом /43-45/. В настоящее время по своим метрологическим . характеристикам он не. уступает лучшим приборам ведущих фирм мира, таких как: LKB, Beckman, Hewlett-Packard. Ключевые технические решения в электронном блоке прибора признаны изобретениями (A.C. 1112373, 1112374, 1112375). Хроматограф выпускается ПО Научприбор (г. Орел). Работа отмечена Государственной премией СССР 1985 года.

2.2. Цифровые регистраторы однократных быстропротекающих процессов.

[56,^,60,71,79,80,90]

Работы в этой области были- начаты в середине 70-х годов с целью автоматизации ряда плазменных диагностик [14, 57]. Разработка и внедрение в практику физических исследований цифровых регистраторов позволили реализовать ряд новых методик, достичь лучших количественных оценок процессов и создать качественно новые предпосылки к комплексной автоматизации эксперимента. В дальнейшем приборы этого класса нашли широкое применение и в системах автоматизации ускорительно-накопительных комплексов ИЯФ. Здесь цифровые регистраторы дали возможность существенно продвинуть технику наблюдения параметров пучка, использовать новые эффективные способы контроля за работой импульсных систем, настройки их отдельных элементов.

Регистрация и изучение формы импульсных сигналов в различных системах ускорительно-накопительного комплекса с последующей обработкой в ЭВМ позволила успешно решить ряд достаточно сложных задач:

-контролировать поведение (ток и координаты) пучка во время инжекции как на первом, так и на последующих оборотах и по результатам этих измерений вести оптимизацию режима перепуска;

-наблюдать сигналы малой амплитуды от датчиков, находящихся в условиях сильных электромагнитных наводок, путем предварительной регистрации наводки при отсутствии полезного сигнала и последующего вычитания ее из зарегистрированного реального сигнала; ■

-регистрировать и изучать развитие непредсказуемых по времени событий (например, аварий) в мощных энергетических системах ускорителей, когда несколько наиболее информативных каналов непрерывно фиксируются в цифровой памяти регистратора, по определенному сигналу процесс.записи прерывается, оставляя в памяти информацию,. полученную до и после появления этого сигнала;

-фиксировать, обрабатывать и хранить в ЭВМ интересующую оператора информацию, работая с регистратором как с программно-управляемым пультовым, осциллографом и т.д. _

За прошедшее время в Институте сменилось несколько поколений цифровых регистраторов. Для примера кратко рассмотрим несколько разработок последних лет [56, 60, 79, 90]. Перечислим принципы и цели, которыми мы руководствовались при выборе структурной схемы, ее деталей и схемотехнических решений. Прежде всего - расширение функциональных возможностей, ориентация на работу модулей в составе информационно-измерительных систем крупных, физических установок. Как показала практика, возможности регистратора," как элемента таких систем, во многом определяются количеством и особенностями реализованных в нем режимов. Современные электрофизические установки и, в частности ускорительно-накопительные комплексы, имеют весьма сложные и насыщенные диаграммы работы, а обслуживающие эти установки ЭВМ -жесткую синхронизацию и ощутимую загрузку. В таких условиях регистраторы должны обеспечивать не только стандартный режим "запуск - регистрация -передача в ЭВМ", но и различные модификации режима: блокировку импульса запуска, распределение данных в память по нескольким страницам, передачу информации в ЭВМ в режиме "массив" и т.д.

Вследствие большого динамического диапазона регистрируемых сигналов обязательным узлом в каждом приборе является входной

масштабирующий усилитель, управляемый программно. .В зависи-' мости от ожидаемой амплитуды сигнала включается тот или . иной. диапазон.

Цодобная ситуация, когда необходимо оперативно изменять шкалу, наблюдается и для оси времени. Выходе работы может потребоваться регистрация с хорошим временным разрешением определенного участка сигнала либо, наоборот, "обзорная картинка" всего процесса. Эти проблемы решаются с , помощью встроенного многодиапазонного генератора интервалов дискретизации.

Еще один важный момент с точки зрения расширения функциональных возможностей - организация многоканальных измерений, В ряде экспериментов требуется одновременная регистрация формы многих импульсных сигналов. Наиболее просто эта задача решается с помощью встроенного в блок быстродействующего коммутатора аналоговых сигналов.

При использовании регистраторов на больших установках весьма актуальными являются задачи стандартизации и сокращения объема программного обеспечения. Часто на.одной и той же установке приходится работать с разными моделями приборов,. и ощутимые затруднения (а иногда и серьезные ошибки) вызывают различия в формате слов данных и таблицах пределов. Поэтому при разработке последней серии приборов было принято решение стандартизовать интерфейсные узлы и ввести регистр номера модели. Это дает возможность оперативно перекомпоновывать системы, делая их более быстрыми или более точными путем замены одних регистраторов на другие без изменений рабочих программ.

Основные параметры цифровых регистраторов приведены в таб.2. . .; '

Таблица 2

Тип прибора. АЦП-7105К АЦП-850!5К 'АЦП-ШБК АФИ-1700 Кол. каналов 2-1 4-2-1 . 4-2-1 2-1

Шкала(дв.раз.) 7 8 10 7.

Интервал врем.

на 1 кан.(мкс) 0.01-1 0.05-2 1-2000 .: 0.001, 0.002 Память (слов) 256 . 1024. ' 4096 . 768-

Макс.част.вх.

сигнала (МГц) 20 3 - 0.3 250

Ширина модуля 2М ЗМ ' 2М - ЗМ

(Под максимальной частотой входного сигнала для первых трех приборов подразумевается такая частота гармонического сигнала с амплитудой, равной динамическому диапазону преобразователя, когда появляются устойчивые сбои в младшем разряде).

Заметим, что аппаратное усложнение регистраторов в многоканальном варианте относительно невелико. Так, например, в блоке АЩ1-850БК организация четырех каналов потребовала постановки трех дополнительных аттенюаторов, трех дифференциальных каскадов с управляемыми генераторами тока и согласующих транзисторов (рис.8). Сравнение с исходными буферным усилителем демонстрирует экономичность схемного решения. Кроме того коммутатор данного типа имеет рекордно малое время установления, что позволяет уменьшить время измерения до 50 не в многоканальном режиме [80].

+24в >

входы

Рис. 8.

Регистратор АЦП-7103К, по существу, состоит из двух 50 МГц преобразователей, каждый из которых снабжен высокоскоростным устройством выборки и хранения (УВХ). Соответствующее фазирование преобразователей дает возможность получения при однока-нальном режиме максимальной частоты дискретизации 100 МГц при 7 разрядах выходного кода. Благодаря наличию УВХ максимальная частота обрабатываемых сигналов достигает 20 МГц (против 5 МГц у примененной в приборе микросхемы параллельного АЦП 1107ПВЗ).

Отдельно остановимся на наиболее быстродействующем регистраторе АФИ-1700, основанном на использовании приборов с заря-

довой связью .(ПЗС) [58, 71]; Блок-схема прибора приведена на рис.9. Измеряемый сигнал через согласующий усилитель одновременно подается на,входы 12 ПЗС сдвиговых регистров, каждый из которых имеет по 64 ячейки. В режиме записи импульсная последовательность с частотой 83,3 МГц от генератора И через ключ К подается на формирователь-распределитель, имеющий 12 выходов, которые подключены к соответствующим управляющим электродам ПЗС. Сдвиг по" времени между тактирующими импульсами равен 1 не. Следовательно, через 64*12=768 не от момента запуска ячейки всех регистров будут заполнены, после чего'схема может быть переведена в режим считывания. Через ключ К на формирователь поступают импульсы управления от генератора Г2 с частотой 0.5 МГц. Выходные напряжения ПЗС-регистров поочередно с помощью коммутатора через буферный усилитель подаются на внешний АЦП, который запускается с частотой генератора Г2. Таким образом, регистратор АФИ-1700-является многоканальным аналоговым запоминающим устройством, работающим в реальном масштабе времени с последующей оцифровкой "медленным" АЦП.

Рис. 9.

Основным недостатком подобного типа преобразователей является фиксированный шаг дискретизации (определяется линиями задержки). В настоящее время близка к завершению разработка комплекта гибридных микросхем, что позволит создавать скоростные цифровые регистраторы с более широким набором функциональных возможностей, а также, если все наши надежды сбудутся, поставит эту разработку по сложности и технологичности в один ряд с предыдущими.

2.3. Специализированные измерительные системы.

[17,31,34,50,92]

Появление этих систем обычно вызывается какими-либо "особыми" обстоятельствами, когда передача измеряемых или управляющих сигналов в крейт при помощи стандартных приемов невозможна или затруднительна. Очевидным примером такой ситуации является работа с оборудованием, находящимся под высоким потенциалом. Так на установке "Модель соленоида" для ионного источника, находящегося в-"голове" электростатического ускорителя, разработана автономная специализированная система управления. Система имеет несколько десятков каналов измерения и управления, расположена рядом с источником и обменивается информацией с ЭВМ по оптоволоконным линиям-связи,

В качестве другого примера нестандартной электроники может быть система радиационного контроля [31, 50]. Датчики, ионизационные камеры, разнесены на сотни метров. Задачей электронной части системы является непрерывное измерение токов пикоампер-ного диапазона нескольких десятков камер. Для этого каждый датчик комплектуется соответствующим' • преобразователем ток-частота, конструктивно выполненным совместно с камерой. Связь с пересчетными устройствами, расположенными в крейте осуществляется, с помощью единственного кабеля по которому также подается питание для преобразователя.

Широкое распространение в Институте получили автономные блоки сопряжения однопролетных датчиков положения и плотности пучка заряженных частиц [17, 34, 92]. Речь идет об определении параметров пучка в каналах транспортировки частиц, либо при проводке первого оборота в накопителе. Время между повторными перепусками может быть значительным, поэтому важна информация о пучке во многих сечениях. В зависимости от задачи применяются индукционные либо вторично-эмиссионные датчики. В первых измеряется положение центра тяжести по азимутальному распределению токов отображения, наводимых пучком в стенках вакуумной камеры, во вторых определяется топография пространственной плотности при помощи двух взаимно перпендикулярных сеток из тонких проволочек или полосок фольги, натянутых с шагом 1-2 мм и помещенных в вакуумную камеру канала. В том и другом случае датчики выдают информацию в виде заряда на 10-30 выходах, причем сигнал вторично-эмиссионных датчиков может составлять всего лишь несколько фемтокулон. Заметим также, что момент пролета пучка сопровождается срабатыванием многочисленных им-

пульсных систем питания поворотных магнитов и линз, а также инфлекторно-дефлекторных систем ускорителей.

Очевидно, что передача аналоговой информации, по крайней мере, нецелесообразна, поэтому в непосредственной близости от датчика располагается специально разработанный автономный блок сопряжения ИПП-32.

Прибор включает в себя 32-канальное малошумящее аналоговое запоминающее устройство, совмещенное со схемами коррекции дрейфа, 12-разрядный АЦП с масштабирующим усилителем, цифровое запоминающее устройство с двумя страницами памяти, блок управления, станцию последовательной связью с ЭВМ. Величина измеряемых зарядов изменяется на несколько порядков в зависимости от параметров пучка и типа применяемых датчиков. Поэтому прибор имеет 3 программно управляемых диапазона чувствительности. Обычно регистрируемый сигнал значительно меньше чем паразитный, но величина наводок от "выстрела к выстрелу" изменяется слабо. Это обстоятельство дает возможность использовать одну страницу памяти для хранения значений помех, которые вычитаются из входных сигналов во время рабочего измерительного цикла.

Технические характеристики блока ИПП-32:

- количество каналов - 30

- входная емкость — 100 пФ

- зарядовая чувствительность - 2, 32, 256 фК

- шкала (дв. разряд.) - 12

- среднеквадратичный шум, приведенный ко входу - 10 мкВ.

- габариты прибора - 400 х 240 х 85 мм.

2.4. Оптоволоконные системы передачи аналоговой и цифровой информации.

[87|

При автоматизации установок, где уровень и спектр электромагнитных помех не позволяют обойтись традиционными средствами, применяются оптоволоконные системы передачи аналоговой и цифровой информации. Основным элементом системы являются оригинальные .оптоволоконные оптроны, разработанные в Институте. Конструктивно такой оптрон представляет собой отрезок многомо-дового оптоволоконного кабеля, на торцы которого, приклеены светодиод и.фотодиод в бескорпусном исполнении. С обеих сторон кабель заканчивается коаксиальными разъемами типа РЦ-00 (ана-

лог разъемов фирмы ЬЕМО). Таким образом достигается постоянство коэффициента передачи линии связи, т.к. в этом случае элементом коммутации служит надежный электрический контакт.

Разработана технология изготовления оптронов из оптических кабелей СМ-1-200/2, КП-400, КП-1000 с кварц-полимерными волокнами. При использовании кристаллов светодиодов и фотодиодов от оптронов А0Д120 время нарастания и спада сигнала не превышает 20 не. Коэффициент передачи "ток-ток" равен 0.01%-0.2% .Типичное затухание в сигнала в кабеле около 10 дБ/км пренебрежимо мало для наших задач.

В качестве примера использования оптоволоконных линий для передачи цифровой информации можно привести разработку крейт-контроллера К0607С и 4-х канального интерфейса ППИ-4С для управления аппаратурой крейта КАМАК от ЭВМ семейства ЭЛЕКТРОНИКА. Использование того же протокола, что и в обычном контроллере К0607 (аналог СС-11, К-16П) при скорости передачи в линии 10 Мбит/с обеспечили полную взаимозаменяемость без каких либо переделок рабочих программ. Применение этих разработок наиболее актуально в системах автоматизации эксперимента в области термоядерного синтеза. Так с их помощью удалось полностью избавиться от сбоев при передаче данных на установке с импульсным нагревом плазмы мощным (1 МэВ, 50 КА) релятивистским пучком электронов.

Проблемы передачи аналоговых сигналов от мощных импульсных или находящихся под высоким потенциалом установок также решаются применением оптоволоконных систем. Разработаны устройства, позволяющие передавать импульсные аналоговые сигналы с погрешностью 1% в полосе до 15 МГц [87]. В этих устройствах используется участок линейной зависимости выходной мощности светодиода от тока. Передающий усилитель содержит входной повторитель и преобразователь напряжения в ток. Он располагается непосредственно у источника сигнала и надежно экранируется. На приемном конце расположен широкополосный усилитель, сигнал от которого подается на цифровой регистратор. Электрические характеристики тракта: погрешность коэффициента передачи - 1%; линейность 1%, динамический диапазон, определяемый шумами, 50-60 дБ. Коэффициент передачи и линейность тракта периодически контролируются при помощи встроенного калибратора, формирующего стандартный импульс тока ступенчатой формы. На приемном конце стандартный сигнал преобразуется в цифровой эквивалент и определяются соответствующие коэффициенты, с помощью которых в последствии будет восстановлен с необходимой точностью исследуемый, реальный сигнал.

2.5. Устройства на основе многоэлементных полупроводниковых - приемников для регистрации оптических и рентгеновских изображений.

[35,66-70,93]

Появление отечественных микросхем на основе приборов с за-, рядовой связью (ПЗС), сочетающих достаточно хорошую чувствительность с высоким разрешением и большим количеством элементов разложения, стимулировало разработку ряда универсальных регистраторов изображения для решения различных экспериментальных задач [35]. Например, одним из традиционных методов определения положения пучка в накопителях является наблюдение его изображения в оптической компоненте синхротронного излучения. Обычно для этого применяются различные фотоприемники с электростатической или магнитной разверткой. Эти устройства характеризуются, как правило, высокой чувствительностью и радиационной стойкостью', но имеют не всегда достаточные точность и стабильность, восприимчивы к внешним электромагнитным полям, сложны в эксплуатации.

Поэтому представляется целесообразным использование для этих целей регистраторов, разработанных на основе матричных среднеформатных (два полукадра по 150 строк на 250 элементов) либо телевизиокных (два полукадра по 300 строк на 500 элементов) ПЗС* При работе в стандартном режиме минимальное время интегрирования изображения равно времени считывания полукадра и составляет 20 мс (темп опроса элементов 2.5-10 МГц). Этот режим дает подробную информацию о размерах и форме пучка, но требует наличия буферной памяти большого объема (до 256 Кслов) и значительных затрат времени на обработку таких .массивов в ЭВМ.

Важным преимуществом приборов с зарядовой связью является возможность-организации .некоторых 'алгоритмов обработки непосредственно на кристалле-. В частности, путем формирования специальных тактовых диаграмм, многие типы матричных ПЗС можно использовать в режиме чтения изображения с суммированием по столбцам или по диагоналям. , Бри этом . выходная информация представляет собой проекции изображения на две оси. Объем получаемых данных для. матрицы размером М*И уменьшается до М (суммирование по столбцам) или до М+Ы 1 суммирование по диагоналям). Соответственно уменьшается время считывания ПЗС и (из-за меньшего числа переносов и чтений зарядовых пакетов) существенно улучшается точность.

Так в "цифровой тёлекамере",. разработанной на базе специализированных матричных ПЗС с широким считывающим, регистром, погрешность определения центра тяжести светового пятна около

0.5 мкм (размер чувствительного поля 3,7*5.9 мм) при времени считывания 3 мс [93]. В случае использования серийного ПЗС указанная нестабильность ухудшалась до 1.5 мкм. Для исследования поперечной плотности пучка в приборе предусмотрен режим работы со чтением всех элементов матрицы.

Насыщение ячейки рассматриваемых ПЗС соответствует ориентировочно 5*10® фотонов, что применительно к накопителю ВЭПП-4 соответствует току 100 мкА при времени экспозиции 20 мс. Динамический диапазон прибора около 1000.

Особый интерес вызывает применение ПЗС для регистрации рентгеновских изображений. При сравнительно- неглубоком охлаждении (до -10 С) чувствительность ПЗС в режиме интегрирования изображения достигает единичных рентгеновских квантов на ячейку. Квантовая эффективность меняется от 95% (энергия фотонов 8 КэВ) до 40% при 17.5 КэВ, пространственное разрешение составляет 1-3 ячейки ПЗС [66-70]. ,

Применение ПЗС матрицы в качестве однокоординатного детектора, когда изображение попадает только на одну строку, дает уникальную гипотетическую возможность создания быстрого "рентгеновского кино" с 300-500 одномерными изображениями со временем на кадр до 0.1 мкс. В ряде экспериментов с использованием синхротронного излучения и требующих знания динамики процесса, применение такого детектора может оказаться принципиальным.

2.6. Оборудование для визуализации графической информации.

[30,46,81,91] ■

Сегодня в Институте средства отображения графической информации являются неотъемлемой частью практически любой системы автоматического управления как крупной установки, так и малого экспериментального стенда. Широкое распространение средств- визуализации кардинально меняет способы и возможности общения оператора с оборудованием, а с другой стороны развитие систем автоматизации предъявляет новые требования к качеству графических дисплеев. При этом понятие качество определяет не только основные параметры дисплея - разрешение, количество цветов, возможности графического' процессора, но и простоту применения, надежность, наличие наиболее используемых функций, малую стоимость и, как следствие, доступность.

Как показала практика, приблизительно в 90% применений пользователя удовлетворяет дисплей сравнительно низкого разрешения. Поэтому наиболее распространенным в ИЯФ является дисплей ЦДР-2 [30, 46]. Он обеспечивает отображение графической

информации в растре 256*256 точек, каждая из которых может принимать один из восьми цветов. Устройство имеет аппаратные средства для генерации векторов, символов, заполнения прямоугольных областей, сдвигов изображения. Дисплей выполнен в модуле единичной ширины.

В качестве устройства отображения используется стандартный телевизионный монитор или телеприемник. Простота, технологичность модуля, а также хорошо продуманный набор функциональных возможностей предопределили его популярность. Прибор активно используется и повторен во многих организациях страны.

Дисплей ЦДР-З обладает разрешением 640*400 точек [81]. Количество цветов, одновременно присутствующее на экране - 256 (из палитры 4096). Дисплей выполнен на двух платах. На одной плате содержится восемь плоскостей памяти, схемы формирования растра, ЗУ перекодировки цветов. Наличие этого ЗУ позволяет установить произвольное соотношение между прочитанным из памяти изображения кодом и уровнями видеосигналов на входе монитора. Благодаря этому, имеется возможность задавать приоритеты цветов, маскировать фрагменты изображения, включать или не включать изображения отдельных плоскостей и т.д. На второй плате расположен графический процессор, выполненный на 4-х процессорных секциях 1804ВС1. Микропрограммы хранятся в ПЗУ объемом 2048*32 бит. ПЗУ символов содержит два набора алфавитов: в матрице 8*8 точек - 256 символов и в матрице 8*12 - 625 символов. Процессор реализует следующие функции:

-рисование точек, векторов окружностей, дуг, символов, прямоугольников со скоростью 2 мкс на точку;

-сдвиги изображения, сдвигается прямоугольная область, задаваемая координатами концов любой диагонали;

-закраска областей, ограниченных одной замкнутой границей; последовательность команд может быть запомнена в виде макроса и повторена в любом месте экрана с произвольным масштабом.

При создании графического процессора мы не стремились' удовлетворить спецификациям какого-либо графического стандарта, полагая, что разбирательство с конкретным протоколом гораздо экономичнее можно реализовать в основном .процессоре крейта или в специальном дисплейном процессоре, написав соответствующее кросс-обеспечение.

В связи с тем, что использование чересстрочной развертки в графических дисплеях неприемлемо, в качестве устройства отображения используются мониторы с повышенной частотой строчной развертки, получаемые путем несложных переделок из серийно выпускаемых МС-6106.

Следующая модель, ЦДР-4, имеет разрешение 1280*1024 точек. Количество цветов, одновременно присутствующее на экране, как и в предыдущей модели, 256 из палитры 4096. Устройство занимает 'от трех до семи плат в зависимости от количества цветовых плоскостей'и наличия графического процессора, возможности которого аналогичны ЦДР-3. Отличительной особенностью является наличие встроенного аппаратного генератора векторов, работающего со скоростью 400 не на точку. Прибор предназначен для высококачественной визуализации процесса работы детекторов на установках со встречными пучками, а также в системах обработки изображений в экспериментах с использованием синхротронного излучения [91].

Для автоматизации чертежных работ, а также для задач, требующих полутоновых изображений, разработан черно-белый дисплей высокого разрешения. Устройство выполнено на двойной плате в конструктиве ЭЛЕКТР0НИКА-60. На плате содержится четыре плоскости изображения размером 1024*1024 точек и графический процессор. Плоскости памяти могут отображаться "рядом", образуя одно общее поле размером 2048*2048. Этот режим удобен при редактировании больших чертежей, так как перемещение "окна" происходит мгновенно. В другом режиме все четыре плоскости выстроены одна за другой, обеспечивая полутоновое изображение с 16 градациями яркости. Для данного дисплея разработан черно-белый монитор с экранным разрешением,1024*800 точек. Большой размер изображения (диагональ 61 см), высокая яркость и четкость по всему полю экрана в определенных ситуациях делают зту разработку незаменимой.

Заключение

В докладе изложены результаты работы автора в области создания систем автоматизированного управления различными электрофизическими установками ИЯФ СО АН России. Целесообразность и эффективность этих систем подтверждена опытом многолетней эксплуатации на ускорительно-накопительных комплексах, где получены научные результаты мирового класса, на промышленных ускорителях, поставляемых как внутри страны так и за рубеж, на многочисленных экспериментальных стендах.

Сегодня в Институте разработана, производится и активно используется достаточно полная номенклатура электронных блоков. Наряду с приведенными в данной работе примерами, разработано множество модулей, обеспечивающих функциональную полноту комплекта. Это генераторы временных интервалов, таймеры, изме-

рители мгновенных значений импульсных сигналов, многоканальные модули для.массового контроля таких параметров, ' как вакуум .и температура, управляющие регистры, различные интерфейсные- и системные модули и т.д. Всего выпускается до 2000' блоков в год. Основная часть аппаратуры изготавливается в стандарте КА-МАК. Существующий набор модулей (около 100 типов.) ' позволяет оперативно решать большинство проблем автоматизации крупных ' (количество точек управления и контроля исчисляется сотнями) физических установок, а также обеспечить необходимом оборудованием малые установки и рабочие места исследователей и йнже~ неров-разработчккоз. ' '

; Функциональные возможности разработанных модулей ориентированы на использование в условиях реальной работы физической установки как с точки зрения . метрологических характеристик, электромагнитной, совместимости с остальным оборудованием, так и со стороны требований управляющей системы по передаче информационных потоков. Поэтому применение стандарта КАМАК в системах управления не' встречает серьезных ограничений. Общее количество управляющих и измерительных систем, организованных на базе. разработанных электронных модулей измеряется многими десятками. Создание , новых систем не вызывает заметных трудностей ни у разработчиков ни у пользователей.

Для решения специфических задач, когда передача аналоговой информации-к крейту невозможна (оптические измерения,' работа с датчиками, выдающими информацию в виде.заряда и т.д.), разработаны специализированные 'измерительные устройства, . расположенные непосредственно у датчиков и связанные с системой лини-' ей цифровой передачи, данных. Для обмена цифровой и аналоговой информацией с устройствами находящимися под высоким потенциалом применяются волоконно-оптические линии связи.

Некоторые из разработок (прецизионные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, коммутаторы сигналов микровольтового диапазона, АЦП на основе приборов с зарядовой связью) по . метрологическим характеристикам не уступают, а иногда и превосходят лучшие западные образцы. Но общее отставание уровня изделий ртечественной электронной промышленности от среднемирового, к сожалению, увеличивается. Особенно это заметно в области цифровой электроники. Поэтому сегодня представляется целесообразной гораздо более тесная кооперация с ведущими, западными ускорительными центрами в области разработки как новых систем автоматического управления в, целом, так их отдельных компонент. Развитие событий и в стране и в Институте позволяет надеяться на подобный исход.

ЛИТЕРАТУРА

> 1. Основные.принципы организации систем управления ускорительно-накопительным комплёком ИФВЭ / Алферов В.Н., Вагин

A.И., Дунайцев А.Ф., .Мозин И.В./ Тезисы докладов второго Всесоюзного семинара по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях. Новосибирск, 1982.-Н., 1982.-С.120. \

2. Мозин И.В.. Автоматизированные системы технологического, контроля и' 'оптимального управления . синхротронами. Дисс... . докт. техн. наук. -Серпухов, 1982.-240с.

■ 3. Золотухин Ю.Н. ' Тенденции развития системных стандартов в электронике. Тезисы докладов 19 Всесоюзной школы "Автоматй-. задия научных исследований". Новосибирск, 1985.-Н., 1985. С, 3-4. '

4. .S.Hunt, К.Low. A performance analisis of the SSC control system. / Proc. of the International Conference on

'Accelerator -and Large Experemental Physics * Control Systems.-Tsukuba, .Japan,- 1991.-6p.

5. K.HiKissler. Controls for the CERN large hadron collider.(LHC). /Ibid.-8p.

' 6. Система для. управления с- помощью ЭВМ установкой со ' встречными Пучками .ВЭПП-3 /■ Карлинер М.М., Нифонтов В,И., Куг пер Э.А. и др./ Автометрия.-1972.-N2.-С.18-26.

7. Система . питания электромагнита, и линз накопителя ВЭПП-3, управляемая с помощью ЭВМ / Карлинер М.М., Нифонтов

B.И., Купер Э.А. и др./ Труды 3 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва, 1972.-М., 1973.- Т.2. -О. 39-42.

8. Управление ускорительно-накопительными' комплексами, в ИЯФ при помощи ЭВМ / Болванов Ю.А., Гусев В,А., Купер Э.А. и др./ Труды 4 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва, 1974.-М., 1975.'-Т.2,-С.202-206.

9. Многоканальная измерительная система для ввода данных в ЭВМ / Болванов Ю.А., Купер Э.А., Нифонтов В.И. и др./ Автометрия. -1974. -N3. -С. 9-16.

10. Многоканальная прецизионная система для измерения сиг^ налов микровольтового диапазона / Карлинер М.М., Леденев A.B., Купер Э.А. и др./ Всесоюзный семинар "Вопросы теории и проектирования преобразователей информации". Киев, 1975.-К., 1975.-Т.2.-С.20.

11. К вопросу выбора структуры и способах реализации схемы интегрирующего вольметра для информационно-измерительных систем/ Голуб Ю.А., Леденев A.B., Купер Э.А. и др./ Всесоюзная конференция ИИС-75. Кишинев, 1975.-К., 1975.-Т. 2.-С. 56-57..

12. Комплект радиоэлектронной аппаратуры для управления ускорительно-накопительными установками при помощи ЭВМ/ Кар-гальцев В.В., Карлинер М.М., Купер Э.А. и др./ Всесоюзная конференция ИИС-75. Кишинев, 1975.-К., 1975.-Т.1.-С.23-24.

13. Нифонтов В.И. Радиоэлектронная аппаратура для управления ускорительно-накопительными установками при помощи ЭВМ: Дисс... канд. техн. наук.- Новосибирск, 1975.-122с.

14. Нифонтов В.И. Автоматизированные системы контроля и управления экспериментальными физическими установками ИЯФ СО АН СССР. Дисс... докт. техн. наук.-Новосибирск, 1984.-51с.

15. Накопитель протонов НАП-М/ Болванов Ю.А., Кононов

B.И., Купер Э.А. и др./ Приборы и техника эксперимента.-1976. -N4.-С.40-44.

16. Многоканальная система для измерения мгновенных значе-'ний импульсных параметров/ Каргальцев В.В., Нифонтов В.И., Купер Э.А. И др./ Всесоюзный симпозиум "Проблемы создания преобразователей формы информации". Киев, 1976.-К., 1976,- Т.1.-

C.40-44.

17. Устройство для определения характеристик пучка с помощью вторично-эмиссионных датчиков/ Данилов Л.Л., Иванов П.М., Купер Э.А. и др./ Труды 4 Всесоюзного семинара по линейным ускорителям. Харьков, 1976.-Х., 1976.-Т. 1.-С.23-24.

18. Организация оперативной памяти в информационно-измерительных системах для управления комплексом физических установок/ Купер Э.А. Нифонтов В.И., Орешков А.Д./ Тезисы докладов научно-технической конференции. Микроэлектроника, серия 3, выпуск 1(77), Москва. 1977.

19. Структура системы автоматизированного управления и контроля накопителем ВЭПП-4/Белов С.Д., Гудков Б. А., Купер Э.А. и др./ Труды 5 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1976.-Москва, 1977.-Т.2.-С.291-295.

20. Организация управления ускорительно-накопительными комплексами в ИЯФ СО АН СССР при помощи ЭВМ/ Гусев В.А., Зах-ваткин М.Н., Купер Э.А. и др./ Всесоюзная конференция "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ". Новосибирск, 1977.-Н., 1977.-С.154-156.

21. Система измерения вакуума на накопителе ВЭПП-4/ Гудков Б. А. Купер Э.А.Медведко A.C., Нифонтов В.И./ Автометрия.-1978.-N4. -С.36-43.

22. Купер Э.А. Структура и аппаратные средства системы управления ускорительно-накопительным комплексом ВЭПП-4: Дисс... канд. техн. наук.- Новосибирск, 1978.-105с.

23. Медведко A.C. Радиоэлектронная аппаратура для измерения и коррекции равновесной орбиты в накопителях заряженных частиц: Дисс... канд. техн. наук.-Новосибирск, 1978.-110с.

24. Широкодиапазонный АЦП в стандарте КАМАК/ Голубенко Ю.И., Купер Э.А., Леденев A.B., Нифонтов В.И./ Автометрия.-1978. -N4. -С.73-79.

25. Купер Э.А., Леденев A.B. Измерительный МДМ усилитель/ Автометрия.-1978.-N4.-С.124-127.

26. Автоматизированное управление и контроль источника позитронов для накопителя ВЭПП-4/ Калинин A.C., Каргальцев В.В., Купер Э.А./ Труды 6 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1978.-Д., 1979.-Т.1.-С.291-294.

27. Измерение равновесной орбиты пучка в электрон-позит-ронном накопителе ВЭПП-4/ Дементьев E.H., Зиневич Н.И., Купер Э.А. и др/ Там же.-С.322-325.

28. Система импульсного питания элементов комплекса ВЭПП-4 на основе унифицированного ряда генераторов модульного типа/ Карлинер М.М., Купер Э.А., Серов А.Ф. и др./ Там же.- С. 337-339.

29. Прецизионный многоканальный АЦП микровольтового диапазона /Голубенко Ю.И., Купер Э.А., Леденев A.B., Нифонтов В.И./ Всесоюзная конференция "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ". Новосибирск, 1979.-Н., 1979.-С.25-27.

30.. Цветной графический дисплей / Купер ЭЛ., Нифонтов В.И., Пискунов Г.С., Репков В.В./ Там же.-С.61.

31. Каргальцев В.В., Купер Э.А., Репков A.B. Стационарная система дозиметрического контроля/ Там же.-С.39.

32. Использование программируемых контроллеров в системах автоматического управления комплекса ВЭПП-4 / Купер Э.А., Ле-вичев Б.В., Тарарышкин C.B. и др. / Тезисы докладов второго Всесоюзного семинара по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях. Новосибирск, 1982.-Н., 1982.- С. 103-104.

33. Автоматизированное управление импульсными системами комплекса ВЭПП-4. /Холенц A.A., Каргальцев В.В., Купер Э.А. и др./ Там же.-С.105-106.

34. Диагностика пучка на канале накопителя ВЭПП-4. / Калинин A.C., Киселев В.А., Купер Э.А. и др./ Там же.-С.107-108.

35. Измерение параметров линейной ПЗС-структуры как детектора одномерных изображений. /Купер Э.А., Панченко В.Е., Федо-

TOB М.Г. и др./ Там же.-С.201-202.

36. Автоматизация детектора МД-1 для экспериментов на встречных пучках. /Аульченко В.М., Бару С.Е., Купер Э.А. и др./ Там же. -С.78-79.

37. High precision measurement of the meson masses. /Artamonov A.C., Baru S.E., Kuper E.A. e.a.- Novosibirsk, 1983. -19p.-(Preprint/Inst. of Nucl. Phys; 83-84).

38. Модули для измерения импульсных параметров. /Батраков

A.M..Каргальцев В.В., Козак В.Р., Купер Э.А./ Всесоюзная конференция "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ". Новосибирск, 1981.-Н., 1981.-С.32-33.

39. Заруднев Ю.В., Купер Э.А., Леденев A.B. Прецизионный цифро-аналоговый преобразователь. Там же. С.35-36.

40. ВЭПП-4. Запуск и первые эксперименты. / Анашин В.В. Купер Э.А., Скринский А.Н. и др./ Труды 7 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1980.-Д., 1981.-Т.1.-С.246-248.

41. Системы управления ускорительно-накопительными комплексами ИЯФ СО АН СССР с применением миниЭВМ. /Батраков A.M., Карлинер М.М., Купер Э.А. и др./ Труды 7 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1980.-Д., 1981.-Т.2.- С. 298-301.

42. Каргальцев В.В..Купер Э.А. Блок для измерения импульсных параметров БИИП-4.-Новосибирск, 1982. -15с.-(Преп-ринт/Ин-т ядерн. физики СО АН СССР; 82-48).

43. Microcolumn liquid chromatografy with multy-wave length photometric • detection. / G.I.Baram, M.A.Grachev, E.A.Kuper e.a./ Jornal of Chroma- tografy. Elsivier Publishers

B.V., Amsterdam.-1983.-Vol.264.- P.69-90.

44. Разработка приборов и методов для биохимического ультрамикроанализа. /Грачев М.А., Купер Э.А., Перельройзен М.П. и др./ Сб. статей "Фундаментальные исследования" (Химические науки); Новосибирск, 1977.- С.200-205.

45. A.c. 1112373-1112375, СССР, МКИ G 06 G 7/24. Устройство для логарифмирования отношения сигналов. / Ю.А.Болванов, В.В.Каргальцев, Э.А.Купер (CCCP)-N3405042/18-24; Заявл. 03.03.82; Опубл. 07.09.84/ Открытия. Изобретения.- 1984.-N33.

46. Цветной растровый дисплей ЦДР-2. / Купер Э.А., Пискунов Г.С., Репков В.В., Серов В.В./-Новосибирск, 1984. -18с.-(Препринт/Ин-т ядерн. физики СО АН СССР; 84-112).

47. Купер Э.А., Леденев A.B., Смирнов A.B. Прецизионный цифроаналоговый преобразователь./ Труды 5 Всесоюзного симпозиума по модульным информационно-вычислительным системам. Киши-

нев, 1985.- К., 1985. -С.101-103.

48. Многоканальные системы для измерения постоянных напряжений. /Голубенко Ю.И., Купер Э.А., Леденев A.B., Смирнов

A.B./. Там же. С.61-62.

49. Голубенко Ю.И., Каргальцев В.В., Леденев A.B. Автоматизированная система для отбора прецизионных стабилитронов./ Там же. С.58-60.

50. Автоматизированная система непрерывного радиационного контроля на ВЭПП-4. (Аппаратура и реализация). /Каргальцев

B.В., Купер Э.А., Корябкин О.М., Репков A.B./ Труды 9 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1985.-Д., 1986.-Т.2.-С.314-317.

51. ВЭПП-4. Состояние и планы. /Анашин В.В., Бровин М.М., Купер Э.А. и др./ Там же.-Т.2.-С.233-237.

52. Система управления и контроля накопителя электронов "Сибирь-1". /Боровиков В.М., Гудков Б.А., Купер Э.А. и др./ Там же.-Т.1.-С.234-236.

53. Леденев A.B. Прецизионные измерительные и управляющие системы для ускорителей заряженных частиц: Дисс... канд. техн. наук.- Новосибирск, 1988.-142с.

54. Принципы построения многоканальных систем для измерения постоянных напряжений. /Голубенко Ю.И., Купер Э.А., Леденев A.B., Смирнов A.B./ Тезисы докладов 19 Всесоюзной школы "Автоматизация научных исследований". Новосибирск, 1985.-Н.,

1985. С.136-137.

55. Цифроаналоговые преобразователи для систем автоматического управления. /Боровиков В.М., Заруднев Ю.В., Купер Э.А. и др./. Там же. С.144-145.

56. Современное состояние и тенденции развития цифровых регистраторов импульсных сигналов в ИЯФ СО АН СССР. /Батраков A.M., Козак В.Р., Купер Э.А. и др./ Там же. С.133-134.

57. Батраков A.M. Методы и средства цифровой регистрации формы импульсных сигналов на электрофизических установках: Дисс... канд. техн. наук.- Новосибирск, 1986.-129с.

58. Шейнгезихт A.A. Разработка аппаратуры для регистрации быстропротекающих процессов в физическом эксперименте: Дисс... канд. техн. наук.- Новосибирск, 1989.-146с.

59. Apparatus for multichannel measurements of constant voltages. /Yu.I. Golubenko, E.A. Kuper, A.W. Ledenev and A.W. Smirnov/ Optoelectronics, instrumentation and data processing (Avtometriya). Allerton press, Inc. New York, N.Y.

1986.-N4.-pp.64-73.

60. Design principles and metrological provisions of

digital devices for recording the shape of pulsed signals. /A.M. Batrakov, Y.R. Kozak, E.A. Kuper and A.V. Nifontov/ Ibid.-pp.51-63.

61. Instruction of and software for distributed systems for controlling large physics research installations on basis of networks of dedicated microcomputers at the Institute of nuclear physics. /A.N. Aleshaev, S.D. Belov, B.V. Levichev, G.S. Piskunov and S.V. Tararyshkin/ Ibid.-pp. 39-45.

62. Купер Э.А., Леденев А.В., Смирнов А.В. Двадцатиразрядный цифроаналоговый преобразователь.Новосибирск, 1986. -9с.-(Препринт/Ин-т ядерн. физики СО АН СССР; 86-119).

63. Системы управления ускорителями в ИЯФ. /Алешаев А.Н., Белов С.Д., Купер Э.А. и др./ Труды 13 Международной конференции по ускорителям заряженных частиц. Новосибирск, 1987.-Н., 1987.-С.213-219.

64. Пискунов Г.С. Распределенная система управления ускорительно-накопительным комплексом ВЭПП-4: Дисс... канд. техн. наук.- Новосибирск, 1985.-120с.

65. Accelerator control systems at the INP (status and prospects) /A.N. Aleshaev, A.M. Batrakov, E.A. Kuper e.a./ Europhysics conference on control systems for experimental physics 28 Sept.- 2 Oct. 1987, Villars-sur-Ollon.- GENEVA, 1990. P. 25-30.

66. Geometric resolution of a linear CCD as an X-ray detector. /A.M. Batrakov, M.G. Fedotov, E.A. Kuper e.a./ Nuclear Instruments and Methods in Phisics Research. A-261.-1987. Amsterdam.-P.326-330.

67. Fedotov M.G., Kuper E.A., Panchenko V.E. Experimental observation of intracell avalanche amplification in charge coupled devices. /Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A-308.-1991. Amsterdam.-P.430-434.

68. Fedotov M.G., Kuper E.A., Panchenko V.E. Peculiarities off CCD and photodiode arrays application to X-ray image detection. /Ibid.-P.367-371.

69. Spatial distortions in solid-state semiconductor X-ray imaging detectors./ Fedotov M.G., Kuper E.A., Panchenko V.E., Tiunov S.A. /Ibid.-P.427-429.

70. Spatial correction of solid-state semiconductor imaging detectors in X-ray region./Fedotov M.G., Kuper E.A., Panchenko V.E., Tiunov S.A. /Ibid.-P.423-426.

71. Регистратор формы однократных наносекундных импульсных сигналов. /Купер Э.А., Плотников А.Е., Шейнгезихт А.А. и др./ Новосибирск, 1988. -19с.-(Препринт/Ин-т ядерн. физики СО АН

СССР; 88-150). ' '

72. Новые возможности установки ВЭПП-З. / Беломестных С.А., Бровйн Н.М., Купер. Э.А. .и др./Труды 11 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1988.-Д., 1988.- Т. 1.-С. 410-414.

73. È.A. Kuper, G.S. Piskunov. Evolution ând status of the control systems of thé accelerators at the INP. Proceedings of thé Indo- USSR Seijiinar on sinchrotron radiation source from 30 Jan - 3 Feb 1989.-Indore- 452012 India, 1989 P.108-116.

74. The dedicated Synchrotron radiation source "Siberia-2". /V.V. Anashin, V.G. Vesherevich, E.A. Kuper e.a./ Proceedings of the Europian particle accelerator conference from 7-11 June 1988.- Rome,' 1988, Vol.1. P;380-382.

75. Структура системы управления комплексом ВЭПП-З. /Батраков A.M., Гудков Б.А., Купер Э.А. и др./. 7 Всесоюзный симпозиум "Модульные информационно-вычислительные системы"; Теэ. докл., 11-13 мая 1989. -Новосибирск, 1989.-С.7-8.

76. Распределенная многопроцессорная система автоматизации комплекса ускорителей ВЭПП-2М. / Алешаев А.Н., Белов С.Д., Купер Э.А. и др./. Там же.-С. 14-17.

77. Купер. Э.А. Аппаратные средства систем автоматизации ИЯФ СО АН СССР./ Там же.- С.67-68.

78. Интерполирующие цифроаналоговые преобразователи для систем питания электрофизических, установок. /Заруднев Ю.В., Купер Э.А., Леденев А.В., Смирнов А.В./. Там же.-С.73-74.

79. Купер Э.А., Плотников А.Е., Шейнгезихт А.А. Аппаратура для регистрации однократных наносекундных сигналов./ Там же.-С. 74-75.

80. Батраков A.M., Кругляков М.Э., Купер Э.А. Способы построения,быстродействующих коммутаторов аналоговых сигналов./. Там же.-С.75-76.

81. Растровые дисплеи повышенного разрешения. / Коллегов М.В., Купер Э.А., Пискунов Г.С., Репков В.В./. Там же.-С. 76-77.

82. ТНК - специализированный источник синхротронного излучения для субмикронной технологии. /Анашин В.В., Валентинов А.Г., Купер Э.А. и др./. Труды 12 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва, 1990, -Дубна, 1992. -Т.1. -С.336-339.

83. Состояние работ на комплексе ВЭПП-4M./Анашин В.В., Ан-чугов О.В., Купер Э.А. и др./. Там же.-С.295-300.

84. Структура и организация систем управления ускорительными комплексами в ИЯФ СО АН СССР. / Алешаев А.Н., Белов С.Д.,

Купер Э.А. и.др./..Там же.-С.82-88.

85. Автоматизированная'система управления специализирован- • ным источником ■синхротронного излучения ТНК. / Валентинов

A.Г. ,. Гудков Б.A.'i .Купер' Э.А, и др./. 'Там же.-С.99-102. •

85. Купер Э.А.' Методологические основы построения аппаратуры' . для систем Автоматизации'электрофизических установок/. Там же.-С. 74-81. ' : ,'.,'•.. '■ . .'

■ 87. Купер Э.А.', . Овчар В.К., Пут'ьмаков А. Н. Оптоволоконные . системы , передачи • аналоговой .и цифровой информации./. Там же.-С.127-129. '. .

' _ - 88, ■ Аналоговые .модули для прецизионных измерительных и. управляющих систем./ ГОлубенко Ю.И., .Купер Э.А., Леденев A.B. и др./. Там же. -С.117-1до. ' .

. 89. Прецизионные цифроаналоговые преобразователи с микроп- • роцессорными интерполяторами для систем, питания . электрофизи-• чеСких-установок. ■ /Заруднев Ю.В., Коллегов М.В., Купер Э.А. и др./. Та:.: же.-С. 121-123.

; 90. Цифровая-, регистрация однократных. быстропротекающих ; процессов-на ускорительно-накопительных комплексах. /Батраков ' A.M., Кругляков М.Э., Купер Э.А. и др./ Там жё.-С.107-109. •

91. Тастровые дисплеи для систем автоматизации ' электрофи-■ зических установок.'./Коллегов М. В.', ■ Купер Э.А.,, Пискунов Г.С.,. : Репков В.В./ Там ,же.-С.110-113. '; ■

• 92. Купер Э. А.,.. Репков В. В., ТреэубОв О.П. Автономный блок сопряжения однопролетных- датчиков" положения и плотности . пучка . заряженных частиц./Там'же.-С.56-58. .. '■ ■ .

'93. Купер' Э.'А., ■ Тиунов С. А., Федотов М.Г.- Использование ■ твердотельных, приемников изображения для определения положения положения пучка'в. накопителях по синхротронному излучению./ Там же.-С.34-36. ...

94. .Модули' в' стандйрте УМЕ для. систем управления, электрофизическими установками. /В.Р.Козак, С.Н.Кузнецов; Н.П. Уваров

: и др./ Там же.-С. 103-106. , •

95. Модули для построения малых систем автоматизации на основе персонального кбмпщотера iBM-PC. ' /А.М.Батраков,

B.А.Горбатёнко, А.В.Леденев и др./ Там же.-С.114-116. ;

96. E.Kuper, A.Ledenev. High accuracy ADC and DAC systems "for-, accelerator control application. / Froc. of' the . International Conference on Accelerator and Large Expereniental Physics Control Systems.-Tsukuba,,Japan, 1991.-7p. "

9?. V.Kargaltsev, E.Kuper. ,High accuracy measurement of magnetic field in pulse magnetic elements./ Ibid.- 4p.

СОДЕРЖАНИЕ.

. Общая характеристика работы. . . 1

1. Развитие систем управления~ ускорительно- накопительными комплексами ИЯФ ■ - .6

1.1. История и идеология ' 6

1.2. Развитие аппаратных средств систем управления УНК ИЯФ 10

2. Измерительная и .управляющая аппаратура для систем

. автоматизации физического эксперимента ' 21 2.1. Аппаратура для организации многоканальных измерительных и управляющих, систем постоянного тока, ' 22

2.1. Г. Цифроаналоговые преобразователи • .23 2.1.2. Аппаратура для измерения постоянных напряжений 28

2.2. Цифровые регистраторы однократных- быстропротекаю-

щих процессов * ' . • ■ . '• 34

2.3. Специализированные измерительные системы • .' '39

2.4. Оптоволоконные • системы передачи аналоговой .и циф- - ' , .-ровой информации . . - ■ 40

2.5. Устройства на основе многоэлем'ентных полупроводни- '. " ' ковых приемников для' регистрации, оптических -и.

рентгеновских изображений . .-•'■' 42 '

2.6. Оборудование для визуализации графической, информа-. ■'-; ции . ' . ■ ■ .43

Заключение' ~ . .. , ■ < 45 -

Список . литературы • . ' . - ■ . , 4? '

Купер Эдуард Адольфович

Автоматизированные системы

контроля и управления ускорительно-накопительными комплексами ИЯФ им. Г.И. Будкера

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук (в форме научного доклада)

Подписано в печать 10 февраля 1993 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 3,5 печ.л., 2,8 уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 17

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО PA1I, Новосибирск, 630090, пр. академика Лаврентьева, 11.