Комплекс программных средств систем автоматизации производства и контроля магнитных элементов ускорителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

005005030

На правах рукописи

Шнчков Дмитрий Сергеевич

КОМПЛЕКС ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА И КОНТРОЛЯ МАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСКОРИТЕЛЕЙ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 ДЕК 2011

НОВОСИБИРСК - 2011

005005030

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

БАТРАКОВ Александр Матвеевич

кандидат технических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

МЕЗЕНЦЕВ Николай Александрович

ФИЛИПОВ Михаил Николаевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

доктор физико-математических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

кандидат технических наук, Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

ФНПЦ ФГУП «Московский радиотехнический институт РАН», г. Москва.

Защита диссертации состоится « ¿У » Рё-К^-^рХ_2011 г.

в «_12._» часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.01

Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Автореферат разослан «

2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ¿^^^ A.B. Бурдаков

доктор физ.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В общем объеме оборудования ускорительно - накопительных комплексов особую роль играют магнитные элементы. Они определяют принципиальные параметры ускорительных установок, поэтому требования к качеству изготовления и точности измерения параметров магнитов является существенным и важным.

ИЯФ СО РАН, являясь крупным ускорительным центром, изготавливает в больших объемах разнообразные магнитные элементы: дипольные магниты, квадрупольные, секступольные и октупольные магнитные линзы, корректоры, устройства для генерации СИ (вигглеры и ондуляторы).

В последние полтора десятилетия в институте освоен ряд производственных технологий, позволяющих изготавливать высокоточные и обладающие необходимыми электрическими и физическими свойствами магнитные элементы. Заметная часть этих технологий использует температурную обработку изделий. В качестве примеров можно привести изготовление магнитов из шихтованного железа методом горячей склейки, пайка обмоток радиационно-стойких магнитов, отжиг сверхпроводящих соленоидов из Nb-Sn, изготовление длинных сверхпроводящих шин (Bus Bar's) для LHC. Для подобных производств характерен целый ряд особенностей: большое разнообразие массогабаритных параметров магнитов, необходимость при обработке соблюдения для различных частей изделий соответствующих температурных графиков, большая длительность температурных процессов, высокие требования к надежности.

После изготовления большинство магнитов требуют прецизионного измерения многих параметров: значений первых и вторых интегралов, карт магнитных полей, градиентов, положения магнитных осей, величин мультипольных компонент и т.п. Процедуры определения параметров и последующей юстировки магнитов характеризуются разнообразием измерительных методик, аппаратных средств, алгоритмов обработки результатов, а также большим объёмом измерений, которые следует выполнить для полного описания магнита.

Очевидно, что средства автоматизации производства и измерений магнитных элементов играют важнейшую роль и определяющим образом влияют на качество готовых изделий. Важным элементом систем автоматизации является программное обеспечение (ПО), которое включает в себя целый комплекс программных продуктов, ориентированных на работу с широким набором аппаратных средств. Создание такого комплекса и являлось целью данной работы.

Цель диссертационной работы

Разработка программного пакета для управления технологическим производственным оборудованием и измерительными стендами, содержащего:

• универсальную библиотеку, служащую базой программам, управляющим измерительными стендами;

• приложения (программы), управляющие производственными установками;

• прикладные программы, разработанные на основе универсальной библиотеки, и предназначенные для прецизионного измерения магнитных элементов;

• утилиты для тестирования аппаратных средств производственного оборудования и измерительных стендов.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в работы, составляющие основу диссертации, является определяющим. Лично диссертантом предложена и реализована концепция создаваемого программного комплекса. На основе предложенной концепции разработан набор программ для систем автоматизации производства и контроля параметров магнитных элементов.

При непосредственном участии автора спроектировано и запущено более 10 автоматизированных систем, применяемых при изготовлении, измерении параметров и доработке элементов магнитной системы ускорителей.

Научная новизна работы

1. Предложена концепция создаваемого программного комплекса,

которую отличает три ключевых момента:

- Унификация и модульный принцип построения программ с целью сокращения времени на разработку и повышения надежности измерительного стенда;

- Функциональная завершённость. Измерения, выдача данных «на станок» и формирование сертификата готового изделия выполняются одной программой.

- Полнота. Программы и утилиты, применяемые для верификации аппаратных средств и тестирования систем управления, являются частью программного комплекса.

2. Впервые, при производстве магнитных элементов ПО систем автоматизации создавалось на основе «базового каркаса» (фреймворка).

3. Предложены и реализованы простые, единообразные и понятные для операторов виртуальные панели управления производственным оборудованием и автоматизированными измерительными стендами.

4. Разработана оригинальная библиотека, обеспечивающая универсальный способ взаимодействия между программным комплексом и аппаратными средствами технологических систем, вне зависимости от используемых интерфейсов связи.

5. Впервые с помощью единого программного комплекса автоматизированы этапы технологической цепочки производства магнитов ускорителей: изготовление элементов, измерение магнитных параметров, подготовка данных для доработки и юстировки изделий, паспортизация, верификация средств измерений.

Научная и практическая ценность

Созданный программный комплекс применялся при измерениях и юстировке магнитных элементов, изготовленных в ИЯФ в последние годы.

Новый подход к разработке ПО стендов для прецизионных измерений постоянных магнитных полей позволил улучшить его надежность, качество и наглядность измерений, а также снизить время на разработку новых программ.

Принципы, на которых базируется разработка программного комплекса, позволяют использовать модули, входящие в его состав, в других проектах. Модули универсальной библиотеки могут использоваться и в других системах управления.

5

Созданное ПО автоматизированных производственных установок позволило разработать и освоить целый ряд новых уникальных технологий: горячую склейку магнитных элементов из шихтованного железа; пайку обмоток радиационно-стойких магнитов; сверхпроводящих катушек из ниобий-олова; вакуумной пайке токовводов. Оно использовалось при серийном производстве сверхпроводящих шин (Bas Bars), радиационно-стойких магнитов, сверхпроводящих соленоидов и магнитов, дипольных магнитов, разнообразных магнитных линз.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Концепция, согласно которой следует разрабатывать ПО измерительных систем и созданный на ее основе каркас (фреймворк).

2. Библиотека, предоставляющая ПО универсальный интерфейс для обмена данными с аппаратными средствами систем управления.

3. Принцип построения единообразного, простого, интуитивно понятного пользовательского интерфейса прикладных программ.

4. Примененный подход к построению рабочих программ измерительных систем, основанный на использовании созданного фреймворка. Этот подход позволяет сократить время разработки прикладных программ, улучшает их надежность и обеспечивает простую модернизацию аппаратных средств и алгоритмов.

5. Модульная структура и метод конфигурирования программ, управляющих температурной обработкой, обеспечивающие их адаптацию под разнообразные технологические задачи.

6. Создание на основе проведенного анализа и предложенных решений комплекса программ для автоматизации основных этапов производства магнитов ускорителей: изготовления отдельных элементов, измерения параметров, доработки и юстировки, а также тестирования средств измерения.

Апробация работ

Достоверность и правильность результатов проведенной работы подтверждается успешной эксплуатацией созданного программного комплекса на измерительных стендах ИЯФ СО РАН, в эксперимен-

тальном производстве института, а также успешной эксплуатацией изготовленных магнитов на ускорительном комплексе ВЭПП-2000 (ИЯФ СО РАН), ОИЯИ (г. Дубна) и в зарубежных центрах SPring-8 (Япония), SAGA (Япония), BESSY-П (Германия), DESY (Германия), LHC (CERN, Швейцария), ALBA (Испания).

Основные результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях, симпозиумах и совещаниях. Среди них можно отметить доклады на конференциях по ускорителям заряженных частиц ЕРАС'2008 и RuPAC'2006, Международных конференциях по синхротронному излучению SR-2006, SR-2010.

Структура работы

Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 129 страницах, содержит 41 рисунок и 1 таблицу. Список литературы включает в себя 50 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описываются основные этапы производства магнитных элементов ускорителей, упоминаются близкие по тематике работы других авторов, и обосновывается актуальность разработки комплекса программных средств.

В первой главе рассмотрены задачи программного комплекса на различных этапах производства магнитных элементов, определены его функции и концепция, в рамках которой выполнялась разработка.

Для выполнения термической обработки магнитных элементов создана система управления, базирующаяся на территориально разнесенных унифицированных блоках управления, объединяемых с помощью последовательного канала связи. Установка функционирует под управлением персонального компьютера. Функции управляющей программы заключаются в организации обмена данными между ПК и блоками управления, автоматическом регулировании температуры различных зон изделия, сборе, отображении и сохранении информации о ходе рабочего процесса, диагностике состояния системы управления. Кроме того, ПО должно обеспечить возможность простого изменения температурных графиков и конфигурации аппаратных средств, что особенно важно на этапе отладки технологии.

Как правило, после изготовления магнитные элементы требуют прецизионного измерения характеристик и дальнейшей юстировки. Одним из основных и наиболее распространённых методов определения характеристик магнитов ускорителей является индукционный метод, использующий интегрирование сигнала со специализированных катушек. Для измерения параметров магнитов индукционным методом в ИЯФ СО РАН разработано несколько стендов. Аппаратные средства, входящие в состав стенда, позволяют оперативно переконфигурировать его структуру под различные задачи. Электроника базируется на комплекте аппаратуры, выполненной в стандарте УМЕ, и может включать следующие устройства: интеграторы с цифровым выходом, измерительные катушки с малошумящими усилителями, двигатели, перемещающие измерительные катушки, устройства для определения положения измерительных катушек, УМЕ-крейт с контроллером, мощные источники питания магнитов и персональный компьютер.

Измерительный стенд управляется программой, исполняющейся на персональном компьютере, функциями которой являются:

• управление аппаратными средствами стендов;

• выполнение соответствующего сценария измерений;

• хранение, отображение и обработка результатов измерений;

• подготовка данных для станка, на котором производится финальная доработка изготавливаемого магнита, либо для оператора в случае ручной юстировки.

Также следует отметить, что для использования всех возможностей по конфигурированию систем управления, предоставляемых аппаратными средствами, ПО должно создаваться с их учетом. Поэтому автором предложено разработать «базовый каркас» (фреймворк) ПО, который включал бы в себя набор библиотек, ускоряющих разработку новых программ измерительных комплексов и упрощающий модификацию уже существующих. Для достижения этих целей, фреймворк должен основываться на концепциях, связанных с решаемыми задачами, и разрабатываться таким образом, чтобы его компоненты могли использоваться без изменений в различных измерительных системах.

В качестве модели разработки программного комплекса выбрано объектно-ориентированное программирование, которое нацелено на создание сложных, расширяемых программных систем. Сами же

приложения решено разрабатывать в рамках трехслойной модели. При этом выделяются слои:

• представления данных, который отвечает за отображение информации и интерпретацию пользовательских команд;

• бизнес-логики, обрабатывающий полученные данные;

• источника данных, реализующий обмен данными с аппаратными средствами систем управления.

Основными компонентами ПО систем управления установками температурной обработки являются описанные ниже модули (рисунок 1). Во-первых, это модуль пользовательского интерфейса, который входит в состав слоя представления данных. Во-вторых - слой источника данных (аппаратура). В рамках этой работы, источникам данных являются микропрограммы блоков управления.

. Модуль пользовательского интерфейс»

О

Модуль программы нагрев* '

: Модуль.! аппарагтмых: средств

: Модуль конфигурации Модуль связи

7

с , /.*'.... " £ ' •• Блопупраапанм —-----V. ^....... \

Рис. 1. Компоненты ПО систем управления температурной обработкой.

Следующий модуль (связи) предоставляет функции для обмена данными между слоями бизнес-логики и источника данных. Оставшиеся модули аппаратных средств, программы нагрева и конфигурации, входят в состав слоя бизнес-логики.

В состав ПО измерительных стендов входят (рис. 2): модуль связи, модуль аппаратных средств, модуль измерений, модуль магнитов, модуль общих элементов управления и модуль пользовательских приложений. Все эти модули, кроме модуля пользовательских приложений, входят в состав фреймворка ПО измерительных систем, и используются при создании конечных программ.

В качестве операционной системы управляющего персонального компьютера применяется ОС MS Windows 2000/ХР, а языка

9

программирования - С# совместно с С++. Для управления технологическим оборудованием использована MS DOS 6.22 и С++.

Рис. 2. Компоненты ПО измерительных стендов.

Во второй главе рассматриваются способы реализации отдельных компонент ПО.

Первым описывается модуль связи, обеспечивающий обмен данными между аппаратными и программными средствами измерительной системы. Модуль связи разбит на две части, которые взаимодействуют по модели клиент-сервер. Клиентом является ПО персонального компьютера, а сервером - программа (сервис), выполняющаяся на VME контроллере. Для удобства конфигурирования ПО VME контроллера разделено на несколько независимых частей, каждая из которых является классическим TCP/IP сервером и предоставляет доступ к своему набору устройств.

Со стороны персонального компьютера с сервисами взаимодействует клиентская часть модуля связи. Она предоставляет пользовательской программе стандартный интерфейс, позволяющий остальным модулям взаимодействовать с аппаратными средствами системы управления измерительным стендом.

Функции модуля связи в первую очередь используются модулем аппаратных средств, который содержит описание входящих в состав стенда устройств и применяется для управления ими.

Программные объекты, соответствующие физическим устройствам, используются модулем измерений. В этом модуле реализуются алгоритмы, согласно которым измеряются параметры магнитов и выполняется предварительная обработка полученных результатов, независящая от типа измеряемого элемента.

Помимо управления стендом и выполнения измерений, ПО должно сохранять результаты измерений и конфигурацию системы, при которой они были получены. Для этих целей используется набор объектов, объединенных в модуле магнитов, которые описывают измеряемые магниты. При этом вся параметры магнита хранятся в абстрактном классе Magnet, а его тип определяется интерфейсом, который реализуют его наследники.

Далее рассматривается ПО, управляющее автоматизированными линиями для термической обработки элементов магнитов. В первую очередь описываются аппаратные средства системы управления, и приводится система команд блоков управления.

Затем описывается модуль аппаратных средств, который содержит в себе описание всех устройств, задействованных в системе управления технологической установкой: нагревательные элементы, датчики и блоки управления. Также в этом модуле описываются канал управления - соответствие между нагревательными элементами и датчиками, с помощью которых они контролируется.

Одним из свойств канала управления является функция, которую следует использовать для расчета мощности нагрева в зависимости от текущего состояния системы. Для расчета мощности подаваемой на нагреватели, программа, для каждого из этапов нагрева, строит непрерывный теоретический график изменения температуры от времени (T(t)). Исходя из этого графика, мощность на нагревательные элементы подается согласно следующим правилам: Р = 1 (Тк -Т)>Тпл\у Т <T(t),

V<{Tk-T)<TwW T<T(t),

* пл

Р = 0 (Гк-Т)<0АТ>Т({),

где Т- измеренная температура, Тк -температура в конце этапа, ТШ1 -диапазон линейной или «плавной» регулировки температуры, t -время, прошедшее от начала этапа. Несмотря на свою простоту, этот алгоритм удовлетворял требованиям по точности регулирования температуры, предъявляемым к системам управления автоматизированными линиями.

После этого показывается, каким образом график нагрева представлен в ПО и приводятся алгоритмы, согласно которым производится управление технологической установкой.

Чтобы обеспечить возможность оперативной настройки системы управления под конкретный процесс, информацию об аппаратных средствах системы управления и графике следует хранить отдельно от самой программы, и считывать во время загрузки программы. Для этих целей применяются конфигурационные файлы, для написания которых создан специальный язык, описываемый далее.

В третьей главе продемонстрировано применение созданного программного комплекса и показано, как и какие программы для измерительных стендов созданы с помощью описанного фреймворка.

Одной из таких программ, является программа, применявшаяся для точной настройки интегралов магнитного поля вигглеров-затухателей накопителя PETRA Ш (DESY), спроектированных и изготовленных в ИЯФ СО РАН.

Основным методом настройки вигглеров-затухателей являлось измерение интегралов магнитных полей натянутой струной. Свитая из 30 проволок струна перемещалась внутри вигглера в горизонтальном или вертикальном направлении с регулируемым шагом при помощи автоматической подвижки. Напряжение, индуцированное при движении струны в магнитном поле, интегрировалось на каждом шаге и преобразовывалось в код с помощью интегратора VsDC.

Измерительный стенд работал под управлением программы S-Wire. Ее пользовательский интерфейс включает в себя набор окон. Во-первых, это окно со стандартными элементами управления измерительной сессией и конфигурирования аппаратных средств. Следующая вкладка отвечает за управление измерениями и вывод их результатов. С её помощью оператор настраивает параметры и выполняет измерения интегралов магнитного поля. Также в этом окне выводятся результаты работы программы: зависимость измеренного интеграла от положения струны и полиномиальные коэффициенты, характеризующие «гладкость» поперечных распределений интегралов полей.

Кроме того, программа S-Wire позволяет строить зависимость интегралов поля от координат как в направлении движения струны, так и в перпендикулярном направлении 1(х,у). В таких случаях измерения проводятся с помощью одной струны, последовательно сдвигая её в вертикальном направлении для каждого «продольного» измерения.

Результатом проведённой работы и, в том числе, эксплуатации ПО стал успешный запуск в конце 2009 г. накопителя PETRA Ш и

получения, после настройки оптики кольца, рекордного эмиттанса 1 нм-рад.

В практике магнитных измерений одной из часто выполняемых работ является измерение мультипольных компонент магнитных линз и доработка линз по результатам этих предварительных измерений. На этом этапе определяются и доводятся до требуемых значений мультипольные компоненты-и, соответственно, положение магнитной оси, углы наклона и поворота магнитной плоскости линз. Измерение этих параметров выполняются с помощью хорошо известного метода радиальной вращающейся катушки.

В настоящее время в ИЯФ СО РАН эксплуатируются два стенда, на которых выполняются измерения и финальная доводка магнитных мультиполей. Они отличаются друг от друга конструкцией измерительных катушек, аппаратными средствами и алгоритмами проведения измерений.

Первый из них включает: VME крейт, два интегратора VsDC, шаговый двигатель, измеритель угловых перемещений, два мощных источника тока, персональный компьютер и измерительную катушку.

Для измерения параметров мультиполей эта система использует пошаговое вращение, при котором катушка совершает последовательные шаги на углы порядка нескольких градусов. На каждом шаге сигнал с катушки интегрируется и таким образом измеряется приращение величины тангенциальной составляющей магнитного потока (или усредненного по катушке поля, т.к. геометрия катушки не изменяется). Если суммировать измеренные приращения, то получим зависимость величины магнитного поля от угла, из которой вычисляются остальные параметры.

Интерфейс программы, управляющей этим измерительным стендом (Rotating Coils 1.0), помимо обязательных, включает следующие окна. Во-первых, окно для управления измерениями. С его помощью оператор может конфигурировать измерения, запускать/останавливать выполнение процедуры измерений и управлять выводом их результатов на экране. В качестве таких результатов программа выводит зависимости магнитного поля, смещения аппаратных нулей и шага в зависимости от угла поворота катушки. И последнее окно программы Rotating Coils отображает основные параметры мультиполей, которые используются для доработки линз и формирования паспорта магнита.

Второй стенд для измерения параметров магнитных мультиполей сложнее с аппаратной точки зрения и имеет ряд преимуществ, обусловленных конструкцией катушки и сценарием измерения. Катушка состоит из двух половинок, каждая из них включает в себя по три независимые катушки, которые коммутируются таким образом, чтобы компенсировать ошибки, вносимые биением оси вращения и пульсациями тока питания мультиполя.

Еще одним существенным отличием является то, что в новом стенде катушка во время измерения вращается непрерывно. Непрерывное вращение потребовало внесения существенных изменений в аппаратную часть стенда.

Для управления описанным стендом разработана программа Rotating Coils 2.0, которая является расширением уже существовавшей Rotating Coils 1.0. В нее были внесены изменения, связанные с обновлением аппаратных средств системы управления и модификацией алгоритмов, согласно которым выполняются измерения и обрабатываются данные.

Важной особенностью систем управления измерительными стендами является то, что в них, наряду с закупаемыми аппаратными средствами, применяются устройства, разработанные и изготовленные в ИЯФ СО РАН. Примерами таких устройств являются разнообразные интеграторы (VsDC, VsDC2), АЦП и так далее. Прежде чем применять их в измерительных системах, требуется измерить их параметры с высокой точностью. В противном случае, нельзя гарантировать требующееся качество измерений. В силу этих причин, в состав программного комплекса включены утилиты для тестирования аппаратных средств измерительных стендов. Они создаются по аналогии с программами для измерений. В этом случае каждая вкладка на главном окне соответствует отдельному тесту устройства.

В качестве примера тестовой утилиты приводится программа для проверки интеграторов VsDC2. Для этих устройств реализован следующий набор тестов: тест общей функциональности; осциллографический тест; тесты шумов; тесты нелинейностей.

После этого описывается ПО технологических установок, которое является важной составляющей программного комплекса автоматизации производства и контроля магнитных элементов ускорителей. Здесь, в первую очередь описывается утилита для тестирования аппаратных средств системы управления. Для этих

целей используется программа (boxtest), которая является консольным приложением MS DOS. Она предоставляет оператору набор команд, позволяющих управлять технологической установкой в ручном режиме, проверяя, тем самым, её исправность.

Далее в качестве примера описываются программы, управляющие автоматизированными установками термической обработки. Первой из них является ПО, применявшееся для управления отжигом сверхпроводящих соленоидов из ниобий-олова. Для придания катушкам из ниобий-олова нужных свойств, их требуется отжечь в вакуумной печи с соблюдением дополнительных требований к вакууму в прогреваемой камере.

Для управления этой печью создана программа TCS 3.1, отличающаяся от остального ПО технологических установок наличием нового типа устройства - датчика вакуума, а также возможностью управлять нагревом с учетом дополнительных условий. Следует отметить серьёзные требования к надежности системы управления, которые обуславливаются высокой стоимостью изделия (более 60000 руб.) и длительностью процесса отжига (около 8 суток). Для их реализации в ПО добавлены следующие функции, резервирования аппаратных средств и автоматическое переключение между ними, в случае возникновения неисправностей, и возобновления работы программы после аварийной остановки; дистанционного мониторинга системы управления.

Ещё одной рассматриваемой в главе 3 работой является производство длинных сверхпроводящих шин Bus Bar's, предназначенных для подведения питания к сверхпроводящим магнитам на крупнейшем ускорителе LHC (CERN). Bus Bar - это медная шина прямоугольного сечения, изогнутая в трех плоскостях. Ее длина, в зависимости от типа, может изменяться от 6 до 14-ти метров. Во внутреннюю полость шины вставляется сверхпроводящая жила, изготовленная из Nb-Ti.

Технология производств Bus Ваг'ов включает в себя два этапа, требующих температурной обработки - пайка внутренних полостей и изготовление внешней электрической изоляции. Для управления технологическими линиями, реализующих указанные процессы, создан ряд программ. Эта программы имеют одинаковую структуру, а их главные отличия заключаются в пользовательском интерфейсе.

Для пайки Bus Bar's применялась программа TCS 2.0, а для управления изготовлением изоляции - TCS 1.1. TCS 1.1 отличается от TCS 2.0 более простым пользовательским интерфейсом и алгоритмом работы. Эти отличия обуславливаются особенностями работы линии пайки.

В заключении обсуждаются планы по дальнейшему развитию программного комплекса и подведены итоги проделанной работы.

Основные положения диссертации изложены в следующих

работах:

1. А.М. Batrakov, A.N. Dubrovin, I.V. Ilyin, D.S. Shichkov, et al. Prototype of the permanent magnet wiggler for accelerator Petra III. // NM A, 2007, v.575, p. 46-49.

2. A.M. Batrakov, A.N. Dubrovin, I.V. Ilyin, D.S. Shichkov, et al. Model of the permanent magnet wiggler for accelerator Petra III. // NIM A, 2007, v.575, p. 50-53.

3. M. Tischer, K. Balewski, A. Batrakov, D.S.Shichkov et al. Damping Wigglers at the Petra-m Light Source. //Proc. of 2008 EPAC, Genoa, Italy, 2008.

4. A. Batrakov, V. Sazansky, D. Shichkov, P. Vagin. Hardware and software for precise magnetic measurements with movable coils. // Proceedings of RuPAC 2006,

5. A.M. Батраков, Б.Р. Карымов, Д.С. Шичков. Автоматизация технологического оборудования для термической обработки узлов физических установок. // Препринт ИЯФ 2003-055, Новосибирск, 2003.

6. А.М. Батраков, П.В. Вагин, П.Д. Воблый, В.Я. Сазанский, Д.С. Шичков. Аппаратура для прецизионного измерения постоянных магнитных полей с помощью перемещаемых катушек. // Препринт ИЯФ 2008-026, Новосибирск, 2008

7. А.М.Батраков, П.В.Вагин, П.Д.Воблый, А.Б.Огурцов, Д.С.Шичков. Программное обеспечение систем измерения магнитных полей с помощью перемещаемых катушек, Препринт ИЯФ 2008-034, Новосибирск, 2008

8. А.М. Батраков, П.В. Вагин, П.Д. Воблый, Д.С. Шичков и др. Комплекс аппаратных и программных средств для точной настройки вигглеров-затухателей накопителя PETRA-Ш. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2011, №11 стр. 26-35.

ШИЧКОВ Дмитрий Сергеевич

Комплекс программных средств систем автоматизации производства и контроля магнитных элементов ускорителей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 16.11.2011 г. Подписано в печать 17.11.2011 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1.0 печ.л., 0.8 уч.-юд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 32_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

61 12-5/1899

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ Г.И. БУДКЕРА

На правах рукописи

ШИЧКОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

КОМПЛЕКС ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА И КОНТРОЛЯ МАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСКОРИТЕЛЕЙ

01.04.01- приборы и методы экспериментальной физики

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук Батраков Александр Матвеевич

Новосибирск-2011

Оглавление

Введение 4 Глава 1. Анализ требований и концепция программного комплекса 11

1.1. Анализ функций программного комплекса и требований, предъявляемых к нему. 11

1.2. Выбор структуры программного комплекса и модели

программирования. 18

1.3. Основные компоненты программного обеспечения. 25

1.4. Выбор среды и языка программирования 31 Глава 2. Реализация программного обеспечения систем управления технологическими установками 37

2.1. Программное обеспечение измерительных систем 37

2.1.1. Модуль связи 3 7

2.1.2. Модуль аппаратных средств. 48

2.1.3. Модуль магнитов 51

2.1.4. Модуль измерений 53

2.1.5. Модуль пользовательского интерфейса 60

2.2. Программное обеспечение технологического оборудования 63 2.2.1. Аппаратные средства 63 2.2.2 Система команд блока управления 65 2.2.3. Модуль аппаратных средств 66

2.2.3. Модуль управления нагревом 71

2.2.4. Модуль конфигурации 74 Глава 3. Применение комплекса программных средств 81

3.1. Программные средства автоматизации стендов измерения магнитных

полей 81

3.1.1. Создание пользовательских программ. 81

3.1.2. Программа для точной настройки интегралов магнитного поля вигглеров-затухателей для PETRA III (DESY) 82

3.1.2. Программное обеспечение стендов для измерения и настройки магнитных мультиполей 89

3.1.3. Утилиты для тестирования аппаратных средств 99 3.2. Комплекс программных средств автоматизации технологических установок 105

3.2.1. Утилита для тестирования аппаратных средств (BoxTest) 106

3.2.2. Программное обеспечение для управления установкой отжига сверхпроводящих соленоидов. 108

3.2.3. Комплекс программных средств, управляющих распределенными установками. 113

Заключение 121

Литература 124

Введение

В общем объеме оборудования ускорительно - накопительных комплексов особую роль играют магнитные элементы. Они определяют принципиальные параметры ускорительных установок, поэтому требования к качеству изготовления и точности измерения параметров магнитов является существенным и важным.

ИЯФ СО РАН, являясь крупным ускорительным центром, производит в больших объемах разнообразные магнитные элементы: дипольные магниты, квадрупольные, секступольные и октупольные магнитные линзы, нацеливающие катушки, устройства для генерации СИ (вигглеры и ондуляторы).

В последние полтора десятилетия в институте был освоен ряд производственных технологий, позволяющих изготавливать высокоточные и обладающие необходимыми электрическими и физическими свойствами магнитные элементы. Заметная часть этих технологий использует температурную обработку изделий [36-38].

В первую очередь речь идёт о магнитах, изготавливаемых из шихтованного железа методом горячей склейки. Магнитные элементы, выполненные по этой технологии, помимо хороших электрических характеристик могут иметь сложную конфигурацию, получаемую с высокими механическими допусками, чем обеспечивается и качество магнитных полей.

Магнит собирается в специальном стапеле из отштампованных с погрешностью до десятков микрометров листов стали, покрытых эпоксидным компаундом. Затем стапель с магнитом помещается в камеру - печь, где прогревается по определенному закону. В результате температурного воздействия покрытие листов размягчается, и за счет давления со стороны стапеля они спрессовываются. При температуре, на которой начинается полимеризация эпоксидного компаунда, изделие выдерживается один час,

после чего выполняется плавный (чтобы исключить температурные градиенты) спуск температуры. Горячая склейка магнитов весом несколько сот килограмм требует около 20 часов, при больших массах длительность процесса может достигать нескольких суток. Ежегодно в институте с использованием технологии горячей склейки изготавливаются сотни разнообразных магнитов [37] [38].

Ещё одна хорошо освоенная технология применяется при изготовлении сверхпроводящих катушек из ниобий-олова, с помощью которых удается получать магнитные поля до 12-15Т. Для придания катушкам из ниобий-олова нужных свойств, ее, после намотки на сердечник, требуется отжечь в вакуумной печи. Отжиг производится в специальном контейнере, помещенном в вакуумный объем. Нагрев изделия должен производится со скоростью не выше 20°С в час. Кроме того, при температуре выше 450°С, где начинается активная стадия отжига, вакуум в печи должен поддерживаться лучше, чем 10" 2 Па.

Существенным моментом процесса отжига сверхпроводящей катушки является его длительность - около 150 часов, а также заметная стоимость самого изделия и материалов. Это накладывает серьёзные требования к надежности и технологической установки, и системы управления. Для обеспечения высокой надёжности термопарные датчики, элементы управления нагревателями и сами нагреватели имеют резервирование. В функции системы управления входит своевременное обнаружение неисправности и ввод в работу резервных устройств.

Одной из наиболее больших и ответственных работ последних лет, выполненных в институте, был контракт по производству коммутационных сверхпроводящих шин (Bus Bars), магнитной системы LHC. Эта работа выполнялась в течение четырех лет [36].

Bas Bar - это длинная медная шина прямоугольного сечения, которая изогнута определенным образом. Длина шины, в зависимости от типа, может достигать 14 метров. Во внутреннюю полость шины вставляется сверхпроводящая жила, изготовленная из Nb-Ti.

Сечение сверхпроводящей жилы невелико, и в случае срыва сверхпроводимости протекающий по ней ток, составляющий несколько десятков килоампер, должен быть вытеснен на внешнюю медную оболочку, способную рассеять большую выделяющуюся мощность. Перехват тока на внешнюю оболочку будет эффективен, если обеспечен хороший электрический контакт между поверхностью сверхпроводника и внутренней поверхностью медной оболочки. Для этого все внутренние полости Bus Bar'a должны быть заполнены олово-серебрянным припоем. Кроме того, подобная монолитная конструкция устраняет подвижки сверхпроводника способные спровоцировать срыв сверхпроводимости.

Технология изготовления длинных, изогнутых в 3-х плоскостях Bus-Ваг'ов, включая пайку внутренних полостей, была предложена в ИЯФ'е. Операции в производственной цепочке требуют строгого соблюдения технологии.

Можно сформулировать ряд особенностей, присущих описанным выше технологическим установкам:

• Большая регулируемая мощность: от 10 кВт до 100 кВт

• Большие массо - габаритные параметры изделий

• Необходимость соблюдения соответствующего температурного графика для различных зон изделия

• Общее количество зон, достигающее 10-15

• Большая длительность температурного воздействия, составляющего в отдельных случаях 150 часов

• Высокие требования к надёжности

• Необходимость неоднократных тренировочных прогонов с использованием муляжей изделий

• Необходимость паспортизации изделий с указанием режимов обработки

Сказанное выше объясняет желание возложить на компьютер и автоматизированные системы функции управления технологическими установками для температурной обработки изделий, мониторинга оборудования, визуализации температурных полей, архивировании данных.

Подавляющее большинство магнитных элементов после их изготовления требуют прецизионного измерения характеристик, причём требования, предъявляемые к погрешности измерений, чаще всего превосходят требования, предъявляемые к параметрам магнитов в штатной работе. Это можно понять, если принять во внимание, что на успешность запуска и последующую работу ускорителя влияют многие факторы, и некоторый запас в параметрах магнитных элементов позволяет расширить диапазон, в котором может функционировать установка.

Для выпускаемых в ИЯФ СО РАН магнитных элементов производятся измерения карт магнитных полей, значения первых и вторых интегралов, градиенты полей, положение магнитных осей, величины мультипольных компонент и т.п. Одним из основных и, пожалуй, наиболее применяемых в ускорительной технике методов измерения магнитных полей является индукционный метод, использующий интегрирование сигнала со специализированных катушек. Хотя основы индукционного метода остаются неизменными на протяжении многих лет, аппаратура и программное обеспечение измерительных стендов постоянно совершенствуется, и эта работа не теряет своей актуальности, пока проектируются и строятся ускорители заряженных частиц.

Технология проведения измерений с помощью индукционного метода зависит от того, какие параметры магнитных элементов должны быть измерены. Рассмотрим, например, определение характеристик магнитных линз. Для элементов такого типа важно измерить величины пространственных гармоник магнитных полей, смещение и углы наклона магнитной оси, поворот плоскости линзы относительно гирдера. Все эти параметры определяются с помощью метода вращающихся катушек [7].

Один из способов измерения параметров магнитного поля с помощью этого метода заключается в следующем. Измерительную катушку помещают в апертуру магнитной линзы так, чтобы сторона, вокруг которой совершается вращение, была расположена вдоль оси линзы. После чего катушку начинают последовательно поворачивать вокруг своей оси на небольшой угол. На каждом из таких поворотов сигнал с катушки интегрируется и таким образом измеряется приращение тангенциальной составляющей магнитного поля. Если суммировать измеренные приращения, то получим зависимость величины магнитного поля линзы от угла поворота. Зная эту зависимость, можно определить остальные параметры мультиполя.

В качестве другого примера использования подвижных катушек для измерения параметров магнитных элементов можно рассмотреть задачу по измерению первого и второго интегралов магнитного поля встраиваемых в ускоритель устройств для генерации синхротронного излучения [8]. В этом случае измерительную катушку образуют две струны, натянутые вдоль измеряемого устройства и соединенные так, чтобы образовался рамочный контур. Одна из этих струн закреплена неподвижно, а вторая перемещается в магнитном поле. Если перемещать оба конца подвижной струны перпендикулярно полю на одинаковое расстояние, то интеграл по времени от наведенного сигнала будет пропорционален первому интегралу магнитного

поля. А если один из концов струны закрепить неподвижно, а второй перемещать то будет измеряться второй интеграл.

При измерении импульсных магнитных элементов индукционные датчики закрепляются неподвижно, и сигнал с них интегрируется в известных временных границах. В зависимости от конструкции и расположения датчиков могут измеряться как интегральные характеристики импульсных полей, так выполняться и картографирование полей.

Относительные погрешности измерений параметров магнитов лежат в диапазоне 10"3 - 1СГ4, достигая в ряде случаев значений 10~5. Достижение такой точности проблематично без тщательной проверки и предварительного тестирования всего комплекса измерительных средств: датчиков, сигнальных трасс, аппаратуры аналого-цифрового преобразования, устройств позиционирования, источников питания. Зачастую эти подготовительные операции требуют большей работы, чем собственно измерения, т.к. необходимо создать методики, поверочные стенды и подготовить соответствующее программное обеспечение. Программное обеспечение, предназначенное для тестирования аппаратных средств магнитных измерений, в каком-то смысле можно считать более ответственным, чем программы для собственно измерительных стендов, т.к. оно позволяет определить базовые возможности аппаратуры.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что как на этапе изготовления магнитов, так и на последующем - проведении измерений и доводки параметров - средства автоматизации играют важнейшую роль, определяя качество магнитных элементов. Очевидно, что программное обеспечение систем автоматизации производства и измерений должно содержать целый комплекс программных продуктов, ориентированных на работу с различными установками, технологиями, методиками, измерительными стендами.

Создание такого комплекса программ и является целью данной

диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие положения:

Концепция, согласно которой следует разрабатывать программное обеспечение измерительных систем и созданный на ее основе каркас (фреймворк).

Библиотека, обеспечивающая универсальный способ обмена данными между программным комплексом и аппаратными средствами систем управления, вне зависимости от использующихся интерфейсов связи.

Принцип построения единообразного, простого, интуитивно понятного

пользовательского интерфейса прикладных программ.

Примененный подход к построению пользовательских программ измерительных систем, основанный на использовании созданного фреймворка.

Модульная структура и метод конфигурирования программ, управляющих температурной обработки магнитных элементов.

Создание на основе проведенного анализа и предложенных решений комплекса программ для автоматизации всех основных этапов производства магнитов ускорителей: изготовление отдельных элементов, измерение магнитных параметров, доработка и юстировка изделий, тестирование средств измерения.

Глава 1. Анализ требований и концепция программного

комплекса

В данной главе будут рассмотрены задачи программного комплекса, управляющего всеми этапами производства магнитных элементов, определены его функции и концепция, в рамках которой он будет разрабатываться. При этом под понятием «производство» будем подразумевать как собственно этап изготовления, так и последующие разнообразные процедуры магнитных измерений, доводки и юстировки магнитов. Также имеет смысл ввести обобщённый термин «производственное оборудование», включая в него и технологические установки, и измерительные стенды.

1.1. Анализ функций программного комплекса и требований, предъявляемых к нему.

В первую очередь рассмотрим программное обеспечение, управляющее технологическим оборудованием для термической обработки магнитных элементов, и которое является первой частью разрабатываемого программного комплекса. В данной работе под «термической (тепловой) обработкой» подразумевается нагрев изделия по некоторому закону и последующее за ним управляемое снижение температуры, если того требует технология производства, а термин «технологическая установка (оборудование)» означает автоматизированную линию, на которой осуществляется эта обработка.

Структура системы управления технологической установкой изображена на рисунке 1. Ее аппаратная часть базируется на специально разработанных для этих целей унифицированных блоках управления. Всего в состав технологической установки может входить несколько десятков блоков управления, разнесенных территориально на 30-40 метров.

Рис. 1. Структура системы управления установкой для термической обработки.

Нагреваемое изделие разбивается на так называемые зоны нагрева, которые слабо связаны между собой по теплопередаче. Каждая из зон нагревается с помощью отдельного нагревателя (Р;), а ее температура измеряется отдельной термопарой (Т). Нагреватель (Р^ и термопара (ТО объединяются в один логический элемент - канал управления. Каждый из блоков управления может содержать до 4-х каналов управления. Помимо температурных, в блок управления могут быть заведены сигналы от других источников, что предоставляет возможность регулировать температуру с учетом дополнительных условий.

В случае, когда изделие не может быть разбито на отдельные зоны или мощности одного нагревателя не хватает для достижения нужной температуры, в один канал управления может быть объединены одна термопара и несколько нагревателей.

Важным элементом описанной системы управления является программное обеспечение персонального компьютера, которое контролирует

процесс термической обработки изделий. Для этого оно должно выполнять следующие функции:

■ Сбора, отображения и сохранения информации о ходе рабочего

процесса

■ Дистанционного управления технологической установкой.

■ Автоматического регулирования температуры различных зон

изделия.

Кроме того, программное обеспечение используется и для решения дополнительных задач, которые возникают при создании и эксплуатации технологич�