Комплексная автоматизация физических экспериментов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ
|
Гарибашвили, Деви Иванович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Тбилиси
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
,' I О и ..
3 " с ¡грузи некий ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
на правах рукописи ГАРИБАШВИЛИ ДЕВИ ИВАНОВИЧ
КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Специальность 01.04.01 — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
ГРУЗИНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
на правах рукописи ГАРИБАШВИЛИ ДЕВИ ИВАНОВИЧ
КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Специальность 01.04.01 — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Работа выполнена в Институте физики Академии наук Грузии
Эксперт — Кашия В.Г., доктор техн. наук, профессор
Официальные оппоненты:
Амаглобели Н.С., доктор физ.-мат. наук, профессор,
академик АН Грузии Салуквадзе Р.Г., доктор физ.-маг. наук, профессор,
академик АН Грузии Прангишвили А.И., доктор техн. наук, профессор, член-корр. АН Грузии
Ведущая организация — Институт'систем управления
Защита диссертации состоится
октября 1998 г. в часов
на заседании Диссертационного совета РЬ.М 01.04 с № 2 при Грузинском техническом университете по адресу: 380075, Тбилиси, ул. М.Костава № 77.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Грузинского технического университета
Автореферат разослан "........."......................1998 года
Ученый секретарь диссертационного совета
Академии наук Грузии
профессор
Актуальность проблемы. Информатизация общества — один из основных факторов социально-экономического развития страны. Среди таких проблем информатики, как. АСУ, имитационное моделирование, распознавание образцов, создание баз данных и знаний, экспертные системы, искусственный интеллект, международные компьютерные сети, достойное место занимает автоматизация научных исследований.
Автоматизация научных исследований на основе применения вычислительной техники [1]:
— сокращает минимум в два-три раза, а в отдельных случаях в десять раз, сроки выполнения исследований,
— повышает эффективность и комплексное использование дорогостоящих установок и оборудования,
— позволяет применить качественно новые методы исследования, которые раньше, без автоматизации, проводить было невозможно,
— освобождает исследователя от выполнения трудоемких рутинных операций и предоставляет ему новые возможности для выполнения творческих функций.
Кроме того, актуальность работ по созданию систем автоматизации экспериментальных исследований можно определить в трех направлениях:
1. В настоящее время в результате быстрого развития вычислительной техники коренным образом изменилась структура и назначение АНИ. В результате появления высокопроизводительных персональных компьютеров стало
возможным создание таких систем автоматизации, в которых компьютеры используются как часть экспериментальной установки и выполняют функции автоматизации всех этапов научного эксперимента. Т.е. отпала необходимость в системах "коллективного использования" ЭВМ, описанных в диссертации.
С другой стороны, широко развиваются локальные, региональные и глобальные компьютерные сети, в которых один мощный компьютер выполняет функции центрального узла — сервера. Сервер лохальной сети управляет сетью, получает и накапливает информацию от пользователей локальной сети, передает ее в глобальную сеть, связывает пользователей локальной сети с любым сервером глобальной сети и участвует в поиске и получении нужной информации. Таким образом, сервер компьютерной сети используется многими пользователями "коллективно". Поэтому сегодня актуальным становится проблема создания "системы коллективного пользования" нового типа, которая должна быть основана на принципах Теории массового обслуживания. Следовательно, приобретает особую актуальность дальнейшее развитие работ, описанных в диссертации [2].
2. В системах АНИ широко используются технические и программные интерфейсы, которые позволяют связать измерительные и управляющие приборы с ЭВМ и согласовать режимы их работы с работой ЭВМ. В качестве таких интерфейсов широко используется магистрально-модульная система САМАС [3-5]. Используются, также,
ЕигоЬиэ, МиШЬиэ-П, Ра^Ьшв и некоторые другие [6]. С развитием и усложнением экспериментальных установок возрастает необходимость использования таких систем. Следовательно, актуален наш опыт по разработке цифровых и аналоговых модулей в стандарте САМАС и на базе этой системы создание систем АНИ.
3. В производственных процессах, технолгических линиях различного типа применяются те. же измерительные и управляющие приборы, что и в научных экспериментальных установках. Поэтому системы автоматизации экспериментальных исследований легко могут бть адаптированы для комплексной автоматизации производственных процессов. Создание таких систем особо актуально в таких предприятиях, в которых производство связано с вредными или опасными процессами, или где необходимо повысить точность технологических процессов и качество выпускаемой продукции/ Таким образом, расширение ареала применения систем автоматизации делает актуальным наш опыт по созданию комплексных систем АНИ и опыт автоматизации производственных процессов [2, 7, 8].
Цель работы состояла в создании систем автоматизации экспериментов мя различных областей физики с 1Скользор.анием вычислительных • машин ш электронной шпаратуры, в частости, машстралыго-модулыюй системы
:амас.
Для достижения этой цели необходимо было:
1. Изучить состояние экспериментальных исследований в различных областях физики (физика космических лучей и элементарных частиц, физика низких температур, физика твердого тела, биофизика, физика плазмы, ядерная физика, нейтронография, ядерная химия, радиационное материаловедение). А именно: а) провести ана. из используемых экспериментальных методов; б) определить параметры измерительных и управляющих приборов; в) проанализировать условия проведения измерений и интенсивности получения данных; г) исследовать характер получаемой информации; д) определить порядок изменения физических параметров и характеристик объектов управления в процессе проведения эксперимента;
1. Проанализировать опыт создания систем автоматизации экспериментальных исследований в ведущих научных центрах и исследовательских учреждениях;
3. Разработать принципы организации системы автоматизации экспериментальных исследований;
4. Сформулировать организационные принципы и установить структуру системы использования одной ЭВМ несколькими экспериментами;
5. Проанализировать требования, предъявляемые к интерфейсным электронным устройствам, определить принципы их разработки и производства;
6. Проанализировать характер экспериментальных информационных массивов и определить принципы их запоминания и обработки;
7. Установить организационно-структурные принципы программного обеспечения с учетом быстродействия ЭВМ и интенсивности поступления информационных массивов;
8. Разработать алгоритм работы системы автоматизации;
9. На базе существующих и разработанных нами электронных устройств и программного обеспечения создать целевые подсистемы автоматизации и исследовать их работоспособность;
10. Провести анализ одновременной работы отдельных подсистем и осуществить их комплексирование;
И. Внедрить созданные подсистемы и комплексную систему автоматизации в целом в практику научных исследований;
12. Провести анализ эффективности работы комплексной системы автоматизации научных исследований. Методы исследования. Для созданя систем автоматизации разработаны принципы системы коллективного пользования ЭВМ несколькими экспериментами и систем индивидуального использования микро-ЭВМ. Для создания системы коллективного пользования использован аппарат Теории массивного обслуживания [2, 10]. Кроме того, использованы методы математической статистики, теории множеств, теории гфОфаммирования; имитационного моделирования [9], эмпирической обработки данных и методология графического представления информации [32, 33],
Научная новизна работы.
1. -На основании аппарата Теории массового обслуживания разработана система коллективного пользования одной ЭВМ несколькими разнотипными экспериментальными установками. Система учитывает быстродействие ЭВМ, с одной стороны, и интенсивности поступления информации с экспериментальных установок, с другой стороны. В результате серии машинных экспериментов, проведенных с использованием имитационной модели, уточнены вычисленные параметры с учетом их вариаций. Для построения системы обоснована необходимость введения абсолютных и относительных приоритетов [2].
2. Создана универсальная система "КСАНИ" для автоматизации исследований, использующих сильно различающиеся экспериментальные методы и аппаратуру. Она представляет собой систему коллективного использования малой ЭВМ М-1000. Разработаны электронные устройства, алгоритмы и программное обеспечение, с помощью которых реализована автоматизация экспериментов из таких областей физики, как физика низких темпереатур, физика твердого тела, биофизика, радиационная химия [2, 9-13].
3. Создана система автоматизации экспериментальных исследований "КСАНИ-2", в которой две взаимосвязанные вычислительные машины СМ-3 и СМ-4 используются коллективно с целью автоматизации нескольких экспериментальных установок. Разработаны электронные устройства в стандарте САМАС, соответствующие
I
алгоритмы и пакеты программ, обеспечивающие автоматизацию экспериментов из различных областей физики [14-16].
4. Создан канал связи вычислительных машин М4030 — • СМ-3 и СМ-3 — СМ-4, который обеспечивал передачу информации из ЭВМ М4030 в ЭВМ СМ-4 и её перевод в формат СМ-4 [8].
5. Создана интерактивная графическая система, обеспечивающая графическое представление информации, находящейся в ЭВМ СМ-4. Система разработана и создана для моделирования и исследования процессов, вызванных радиационным облучением кристаллов. Система с помощью светового пера и и программного "меню" обеспечивает диалоговый режим между оператором и ЭВМ [8, 17].
6. На базе микро-ЭВМ созданы системы автоматизации ' ядерного реактора и экспериментов, проводимых в его каналах [8].
7. В Лаборатории низких температур Хельсинского технического университета создан уникальный автоматизированный вращающийся криостат для исследования свойств сверхтекучего 3Не. Среди новых технических решений криостата следует отметить криоадсорбционный насос, систему аэростатических подшибников, оптическую систему передачи информации из вращающейся части установки в неподвижный компьютер и обратно из компьютера и управляемые приборы. С помощью криостата впервые наблюдено изменение ЯМР адсорбционных пиков
в А-фазе 3Не, что говорит в пользу существования вихрей во вращающемся сверхтекучем 3Не [18-21].
8. Разработан проект исследования геодинамических процессов с целью обнаружения и изучения предвестников землетрясений. Проектом предусмотрено создание новых опто-волоконных датчиков и с их помощью исследование деформационных процессов в коре Земли, упругости и акустического излучения скальных пород, температуры и электропроводности подземных вод. Проектом предусмотрено также создание локальных измерительно-вычислительных центров на базе современных персональных компьютеров, объединение этих центров в Республиканскую колпыотерную сеть и включение в Международную компьютерную сеть !КТЕ1Ъ\ТЕТ [22-25].
9. С помощью малых ЭВМ испытаны системы автоматического контроля и управления производственными процессами, которые основаны на применении метода нейтронного активациопного анализа. С этой целью макеты таких систем были подключены к ЭВМ М-1000 и Электроника-60 и с помощью соответствующих программ уточнены оптимальные временные параметры. В сотрудничестве с СКВ научного приборостроения АН Грузии созданы соответствующие электронные устройства и несколько таких систем внедрено на Горнообогатительных комбинатах г.Чиатура и г.Маднеули.
Реализация научно-технических результатов. Компьютерные системы автоматизации экспериментальных
исследований внедрены в Институте физики и в течение ряда лет успешно функционировали:
1. Система автоматизации "КСАНИ" была создана в 1972 году на базе малой ЭВМ М-1000 и функционировала до 1981 года. В ней была осуществлена трехуровневая дисциплина абсолютных приоритетов, с учетом относительных приоритетов в каждом из уровней [2].
2. Система автоматизации "КСАНИ-2" была создана в 1980 году на базе малых ЭВМ СМ-3 и СМ-4. В ней была осуществлена двухуровневая дисциплина абсолютных приоритетов обслуживания запросов с учетом относительных приоритетов в каждом из уровней.
3. На базе микро-ЭВМ были созданы системы автоматизации ядерного реактора ИРТ и экспериментов, проводимых в его каналах [8].
4. В Лаборатории низких температур Хельсинского технического университета был создан уникальный, автоматизированный вращающийся криостат для исследования сверхтекучего 3Не [22-25]. Криостат успешно функционирует по настоящее время.
5. Была осуществлена связь между машинами М4030, СМ-3 и СМ-4. С помощью этого канала результаты математического моделирования были перенесены из М4030 в СМ-4 и записаны в формате СМ-4 [8].
6. На базе ЭВМ СМ-4 была создана интерактивная система для графического представления информации. С помощью этой системы было осуществлено графическое отображение результатов моделирования радиациошгых
процессов в кристаллах. С помощью светового пера и "меню", представленного на экране дисплея, был осуществлен диалоговый режим между оператором и ЭВМ [8,17].
7. Результаты моделирования радиационных процессов в кристаллах с экрана графического дисплея были пересняты на 16 мм-ую кинопленку и был создан ~ 20 мин-ьш фильм о развитии радиационных дефектов в кристаллической решетке.
Практическая ценность работы.
Практическая реализация работ, выполненных в диссертационной работе создала условия для:
— значительного сокращения проведения сроков исследований;
— освобождения исследователя от трудоемких рутинных операций и предоставления ему возможности' выполнения творческих функций;
— использования качественно новых методов исследований;
— осуществления исследований, которые без автоматизации было невозможно выполнить.
С помощью созданных нами комплексных систем автоматизации были получены значительные фундаментальные результаты:
1. Исследованы свойства срехтекучего гелия в состоянии свободного вращения [26]. Обнаружено, что при уменьшении скорости вращения сферического сосуда, наполненного гелием, происходит спонтанное убыстрение
скорости вращения, что должно быть связано со спонтанным уменьшением количества вихрей и передачи их энергии в дополнительный момент инерции сосуда. Таким образом, в лабораторных условиях промоделированы процессы происходящие в космических объектах — пульсарах. Полученные результаты говорят в пользу гипотезы, согласно которой пульсар представляет собой сверхтекучую нейтронную жидкость и спонтанное уменьшение количества содержащихся в ней вихрей вызывает увеличение скорости вращения пульсаров.
2. С помощью абсолютных и дифференциальных микрокалориметров исследованы тепловые свойства твердых тел *и биологических объектов. Наблюдены структурные изменения (фазовые превращения) в процессах их охлаждения и нагрева. Исследованы биополимеры, макромелекулы, растворы, кристаллы, высокотемпературные сверхпроводники [27, 28].
3. При помощи плазменного атомно-эмиссионного спектрометра проведен экспрессный анализ микроколичественного состава в объектах биологического происхождения. В частности, определение микроколичеств меди в сыворотке крови человека позволяет провести раннюю диагностику некоторых злокачественных 'заболеваний [29].
4. При помощи метода газовой хроматографии проведены анализы фракций трития и углерода-14 в образцах, облученных нейтронными потоками. В частности, исследована кинетика выделения трития из разных соединений при температурах 100-1700°К.
5. В Лаборатории низких температур Хедьсинского технического университета в результате совместной работы исследована зависимость амплитуды пиков ЯМР адсорбции в сверхтекучем 3Не от угловой скорости вращения криостата. Наблюдено изменение амплитуды гхнков,- что повидимому связано с существованием вихрей в А-фазе вращающегося 3Не [20].
6. При помощи автоматических систем контроля и управления производственными процессами, внедренных на горно-обогатительных комбинатах г.Чиатура и г.Маднеули, значительно повисилось качество выпускаемой продукции.
Апробация работы. Основные результаты диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на ежегодных Всесоюзных школах по АНИ начиная с третей Всесоюзной школы, которая состоялась в г. Сигу льда (Латвия) в 1972 году; па 1-ом, 2-ом и 3-ем Всесоюзных семинарах но автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях; на Всесоюзной конференции "Многомашинные системы автоматизации научных исследований" (Рига, 1978 г.); на Международных школах по АНИ (г. Хумсан, Узбекистан, 1973 г.; г. Пущино, 1985 г.); на 4-ом Всесоюзном симпозиуме по информационно-вычислительным системам (Иркутск, 1982 г.); на выездном заседании Совета по автоматизации научных исследований при Президиуме АН СССР (Тбилиси, 1974 г.); на заседаниях Ученого совета и ежегодных научных сессиях Института физики АН Грузии.
Доклады о вращающемся криостате по исследованию свойств сверхтекучего 3Не и о результатах, полученных с его помощью были обсуждены на ежегодной конференции Финского физического общества (Хельсинки, 1980 г.); на совместных Советско-Финских семинарах (г.Кепо, 1900 г.) и (Телави, 1981 г.); на 16-ой и 17-ой Международных конференциях по физике низких температур (г.Отаниеми, Финляндия, 1981 г.) и (г. Карлсруэ, Германия, 1984 г.).
Кроме того, вращающийся криостат по исследованию свойств сверхтекучего 3Не и результаты, полученные с его помощью описаны в ежемесячном популярном журнале "В мире науки" ("Scientific American") №8, 1992 г., стр. 52-59; в ежегодном сборнике "Наука и человечество", 1985 г. стр. 151-167. Этому же вопросу был посвещен одни из выпусков 1982 г. популярной передачи Московского Центрального телевидения "Очевидное — невероятное".
Объем диссертации. Диссертация состоит из вступления, семи глав, зак\ючения и цитируемой литературы.
Работа содержит 152 страницы, 41 рисунок, 4 таблицы и 290 наименований цитируемой литературы.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Д.И.Гарибашвили, К.А-Квавадзе, Г.Н.Читашвили, С.А.
Шрабштейн. Автоматический вывод информации из
адиабадического калориметра. Материалы III Всесоюзной
школы по автоматизации научных исследований. Рига, 1972, 189-192.
2. Д.И.Гарибашвили, С.А Шрабштейн, Л.В. Тепляшина, Э.В. Вардидзе, Л. М.Сихарулидзе, Г.Н.Читашвили, Д.Г.Ина-швили, Г.Г. Чиквиладзе, В.М. Федоров, Г.А Хачатурова. Система автоматизации научных исследований на базе АСВТ. В сб. Системы автоматизации научных исследований, вып. 1, "Зинатне", Рига, 1975, 41-44.
3. ДИ.Гарибашвили, С.А. Шрабштейн, Э.В. Вардидзе, А.Г. Джагаров, АГ.Инашвили, Е.Е.Корнеева, Л.В. Тэпляшина, Г.Г.Чиквиладзе, В.М.Федоров. Комплексная система автоматизации научных экспериментов в биофизике, физике низких температур, физике твердого тела, ядерной химии, Препринт Института физики АН ГССР, 28-ВТ, 1976, 12 стр.
4. Д.И. Гарибашвили, С.А Шрабштейн, Э.В. Вардидзе, АГ. Инашвили, В.М.Федоров. Комплексная система автоматизации научных исследований КСАНИ. ПТЭ, 1, 1976, 5456, (ВИНИТИ Деп. №75).
5. М.И.Атанелишвили, О.Л.Бердзенишвили, Ю.Г.Вербецкий, Д. И. Гарибашвили, Ю.АГромов, Л.П.Гарсеванишвили, Д.М.Котляревский, И.Д.Манджавидзе, Э.С. Маилян, В.АМихайлов, И.В.Пазиашвили, ЛДЧиковани, П.В.Цомая, Е.Н.Шерер. Проект установки "Цхра-
• Цкаро-2" для исследования взаимодействий частиц с
11 13
ядрами в интервале энергий 10-10 эв. В сб.: Ядерные взаимодействия при высоких энергиях, "Мецниереба" Тб., 1976, 138-144.
6. Э.В.Вардидзе, Д.И.Гарибашвшш, Л.Ю.Отарова, С.А. Шрабштейн. Разработка имитационной модели системы автоматизации научных исследований. Материалы XII Всесоюзной школы по автоматизации научных исследований, Тбилиси, 1978, 13-14.
7. Д.И.Гарнбашвили, А.Г.Джагаров. Интерфейсы к измерительным приборам в стандарте КАМАК. Материалы XII всесоюзной школы по автоматизации научных исследований, Тбилиси, 1978, 49-50.
8. Д.И.Гарибашвили, А.Г.Инашвили, Е.Е.Корнеева, С.А. Шрабштейн. Малая ЭВМ в качестве многоканального временного анализатора. Материалы XII Всесоюзной школы по автоматизации научных исследований, Тбилиси, 1978, 68-69.
9. Д.И.Гарнбашвили, С.А.Шрабштейн, В.М.Федоров, Э.В. Вардпдзе, Е.Е.Корнеева. Спектрометрические эксперименты на линии с ЭВМ М-1000, АВТ, 1, 1978, 50-52.
10. Д.И.Гарибашвили, АХ.Джагаров, В.М.Федоров. Устройство для автоматического съема информации с потенциометра. В сб.: Вычислительная математика и ЭВМ в автоматизации физических исследований, "Мецниереба", 1978, 128-129.
11. Д.И.Гарибашвнли, А.Г.Джагаров, В.М.Федоров. Устройство для автоматического съема информации с потенциометра постоянного тока Р-308 (Р-348) в стандарте КАМАК. В сб.: Методы и средства автоматизации научных исследований, Минск, 1978, 122124.
12. Д.И.Гарибашвили, С.АШрабштейн. Использование малых ЭВМ в научных экспериментах. В сб.: Вычислительная математика и ЭВМ в автоматизации физических исследований, Тбилиси, "Мецниереба", 1978, 93.
13. Э.В.Вардидзе, Д.И.Гарибашвили, А.Г.Джагаров, АГ. Михайлов, С.А.Шрабштейн. Комплексная система автоматизации научных исследований на базе СМ ЭВМ "КСАНИ-2". В сб.: Автоматизация научных исследований, г.Горький, 1982, 241-242.
14. ДИ.Гарибашвили, Э.В.Вардидзе, А.Г.Джагаров, АГ. Михайлов, С.АШрабштейн. Комплексная система автоматизации научных исследований на базе СМ ЭВМ "КСАНИ-2". В сб.: Модульные информационно-вычислительные системы, г.Иркутск, 1983, 122.
15. Э.В.Вардидзе, Д.И.Гарибашвили, А.Г.Джагаров, АГ. Михайлов, С.АШрабштейн. Использование ЭВМ серии СМ для автоматизации биофизических и низкотемпературных экспериментов. Препринт Института физики АН ГССР, АНИ-3, 1984, 23 стр.
16. В.Г.Брегадзе, Э.В.Вардидзе, Д.И.Гарибашвили, АГ. Джагаров, С.А.Шрабштейн. Сопряжение импульсного атомно-эмиссионного и люминесцентного спектрометров с ЭВМ серии СМ. В сб.: "СБ-У Материалы V Всесоюзной конференции по спектроскопии биополимеров.
17. Д.И.Гарибашвили. Автоматизация научных исследований в учреждениях Грузинской ССР. В сб.: Автоматизация
научных исследований в ядерной физике и смежных областях, Тбилиси, 1984, 34-36.
18. Д.И.Гарибашвили, Д.М.Котляревский, Ю. А. Громов, А.А.Новалов, А.Ш.Хачатурян. Проект автоматизации, установки Цхра-Цкаро, предназначенной для исследований широких атмосферных ливней. В сб.: Автоматизация научных исследований в ядерной физике и смежных областях, Тбилиси, 1984, 217.
19. В.Г.Брегадзе, Д.И.Гарибашвили, К.Г.Кочламазашвили, П.А.Попов. Автоматизированный импульсный многоканальный плазменноэмиссионный спектрометр. В сб.: Конформационные изменения биополимеров в растворах, Тбилиси, 1985, 193.
20. Д.И.Гарибашвили, С.В.Микеладзе, Г.Н;Циликишвили. Интерактивная графическая система динамики радиационных процессов в кристаллах. В сб.: Структура и организация диалоговых систем реального времени, 1986, 59-60.
21. Yu.M.Bunkov, D.I.Garibashvili, P.Hakonen, O.Ikkala, S.T. Islander, P.Roubeau, K.Saloheimo, J.S.Tsakadze. ROTA - Really Optimistic Technological Anticipations to Explore Properties of Rotating Superfluid 3He. Proceedengs of the Annual Conference of the Finnish Physical Society, 1980, 6:9.
22. P.J.Hakohcn, O.T.Ikkala, S.T.Islander, T.K.Markkula, P.Roubeau, K.M.Saloheimo, D.I.Garibashvili, J.S.Tsakadze. ROTAting Minilab -Desigh and Performance. Physica, 107B, 1981, 567-568.
23. P.J.Hakonen, O.T.Ikkala, S.T.Islander, T.K.Markkula, P.M. Roubeau, K.M.Saloheimo, D.I.Garibashvili, J.S.Tsakadze. Rotating
Nuclear Demagnetization Refrigerator for Superfluid 3He Experiments. Report TKK-F-A479, Low Temperature Laboratory, Helsinki. University of Technology, 1982, 36 p.
24. P.J.Hakonen, O.T.Ikkala, S.T.Islander, O.V.Lounasmaa, T.K. Markkula, P.Roubcau, K.M.Saloheiino, G.E.Volovik, ' E.L. Andronikashvili, D.I.Garibashvili. J.S.Tsakadze. NMR Experiments on Rotating Superfluid 3He-A: Evidence for Vorticity. Phys. Rev. Lett. 48, 26, 1982, 1838-1841.
25. P.J.Hakonen, O.T.Ikkala, S.T.Islander, T.K.Markkula, P.M. Roubeau, K.M.Saloheimo, D.I.Garibashvili, J.S.Tsakadze. Rotating Nuclear Demagnetisation Refrigerator for Experiments on Superfluid He-3. Cryogenics, May, 1983, 243-250.
26. L.I.Akopov, A.G.Danelyan, D.I.Garibashvili, K.Z.Kartvelishvili, N.R.Nadirashvili. Some Possibilities of Fiber Optics for Monitoring of Geodynamic Phenomena. Spie, v. 2107, Optical Monitoring of the Environment, 1993, 584-594.
27. D.Garibashvili, L.Kiknadze. Republic of Georgia; State and Needs,. Proceedings of the NATO Advanced Networking Workshop, October, 1994.
28. K.Kartvelishvili, A.Danelyan, A.Kavalov, D.Garibashvili. Monitoring of Geodynamic Processes by Means of Fiber Optics and OptoElectronic Technique. In Collection of Abstracts: Georgian Symposium for Project Development and Conversion, Tbilisi, 1995, 66-67.
29. K.Kartvelishvili, A.Danelyan, A.Kavalov, D.Garibashvili. Monitoring of Geodynamic Processes by Means of Fiber Optics and OptoElectronic Technique. In Collection of Reports: Georgian Symposium for Project Development and Conversion, Tbilisi, 1995, 185-188.
30. Д.И.Гарибашвили, АТ.Данелян, В.А.Данелян, Г.В. Датиа-швили, А.Л.Кавалов, С.А.Кравченко, В.В. Фоменков. Регулируемый волоконно-оптический фазовращатель электрических сигналов. Измерительная техника, № 2,. 1997, 26-29.
31. А.Г.Данелян, Д.И.Гарибашвили, К.З.Картвелишвили, В.А.Данелян. Оптический циркулятор и его возможности для измерительной техники. Измерительная техника, № 8, 1997, 38-41.
2. Содержание работы.
Во введении даются актуальность проблемы, цель работы и методы, примененные для достижения цели, описаны научная новизна работы, реализация научно-технических результатов, практическая ценность работы.
Первая глава посвящена описанию современного состояния проблемы. На основании обзора литературы изложено историческое развитие автоматизации научных исследований. Показано, что структура, назначение и функции, выполняемые системами автоматизации экспериментальных исследований находятся в тесной зависимости от развития вычислительной техники. Показано, также, что:
1. Вычислительные машины широко применяются для автоматизации экспериментов в области ядерной физики и физики высоких энергий;
2. В других областях физики и вообще в других областях науки работ по автоматизации научных исследований
гораздо меньше. В таких системах, как правило, ЭВМ используется для автоматизации отдельной экспериментальной установки, или для автоматизации нескольких однотипных экспериментальных агрегатов, нуждающихся в одной программе приема и обработки информации;
3. Проблема автоматизации нескольких разнотипных экспериментальных установок с помощью одной ЭВМ впервые была поставлена и решена нами еще в начале 70-х годов;
4. Появление мощных, высокопроизводительных и доступных по цене компьютеров, обладающих большими объемами ОЗУ и дисковой памяти, цветными графическими дисплеями, коренным образом изменили структуру и назначение систем автоматизации научных исследований;
5. Для подключения ЭВМ к измерительным приборам экспериментальной установки применяются унифицированные магистрально-модульные стандарты, которые развиваются параллельно развитию вычислительной техники [6]. Новые магистрально-модульные стандарты УМЕ, РгтЬиБ, Р1еЫЬиБ У1СЬиэ и др. создают новые возможности автоматизации экспериментов. Однако, система САМАС и ее расширенный вариант СОМРЕХ опять остаются мощным, надежным, перспективным и доступным средством для создания систем автоматизации.
6. Развитие сетевых технологий создало новые возможности и новые условия для автоматизации научных исследований. Появились возможности распределенной
обработки информации и выпонения совместных наблюдений и совместных работ учеными разных стран.
Во второй главе изложен анализ экспериментальных исследований Института физики. Показано, что, несмотря _ на разнообразие экспериментальных установок, применяемых методов измерения физтеских параметров, эксперименты в различных областях физики обладают рядом общих черт [2, 10]:
1. Количество измерительных приборов в одной экспериментальной установке не превышает четырех (т.н. малые эксперименты);
2. В качестве измерительных приборов применяются стандартные приборы — вольтметры, частотометры, потенциометры и т.д.;,
3. Эксперименты условно могут быть разделены на т.н. "быстрые" и "медленные", К "медленным" экспериментам отнесем те эксперименты, в которых интенсивность съема данных не превосходит 1 гц. К "быстрым" же экспериментам — в которых получение информации происходит с частотой, превышающей 1 гц;
4. Эксперименты проводятся отдельными сериями. В одной серии накапливается 100-500 отсчетов. В течение суток в группе серий набирается до 3-5 тысяч отсчетов. Серии экспериментов продолжаются от 1 до б месяцев;
5. Все эксперименты нуждаются в предварительной обработке данных, и окончательной процедуре обработки. В случае "медленных" экспериментов предварительная
обработка может быть осуществлена в процессе накапливания данных.
Кратко описано состояние производства вычислительной техники в Советском Союзе в начале 70-х годов. Дается краткая характеристика ЭВМ М-1000, на базе которой в 1972 году создана система автоматизации научных исследований Института физики "КСАНИ".
Система "КСАНИ" представляла собой систему коллективного пользования одной ЭВМ несколькими разнотипными экспериментальными установками. Она была построена как открытая система: добавлением технических и программных интерфейсов было возможно добавление к ней произвольного измерительного прибора и экспериментальной установки. Описан алгоритм работы КСАНИ. Даны принципиальные схемы интерфейсных блоков некоторых измерительных приборов (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема интерфейсных блоков некоторых измерительных приборов
В этой же главе дается краткое описание некоторых экспериментов, автоматизированных с помощью системы "КСАНИ".
В третьей главе описывается вторая система автоматизации научных исследований Института физики АН Грузии "КСАНИ-2", представляющая собой двухмашинный комплекс (СМ-3 и СМ-4). В качестве устройств связи ЭВМ с измерительными приборами экспериментальных установок применена магистрально-модульная система САМАС, которая значительно упростила создание локальных подсистем автоматизации. Даются принципиальные схемы некоторых модулей, разработанных в Институте физики и описан алгоритм работы системы "КСАНИ-2" (рис. 2 и 3).
1ЛМ1-1АМ1-I, ■
т
-43-
-4Ь
шли
да-
рсь^
153ЛЛД иии
тН-^}
1МЛЛ«
-0-1 '"А" 1ИШ1
Ю"
Рис. 2. Блок-схема 36-разрядного входного регистра в стандарте
САМАС
Тя-ап-рм,** т, - в<\
т. ■ ю -дол»
Г,- «1» в11)|П|Н Г. - 1ГЛ-1 Ь-
Г.- 1>ОТ)-1
Г.- >г(ГЯ-< *<»>•■
»„- Нг«Г1)>1
ВП-Вгки»^. .......
П —
Ими»< учщш
Рис. 3, Алгоритм работы системы КСАНИ-2
Кратко описаны некоторые эксперименты, автоматизированные системой КСАНИ-2.
Четвертая глава посвещена описанию принципов Теории массового обслуживания [30, 31] применительно к системам коллективного пользования "КСАНИ" и "КСАНИ-2".
Потоки "заявок на обслуживание" от экспериментальных установок приняты простейшими. "Заявки" распределены во времени I по закону Пуассона:
= £=0,1,2... (1) где X — интенсивность полного потока "заявок",
1=1
X, — интенсивности от отдельных экспериментов (или от отдельных приборов), п — максимальное количество отдельных потоков.
Для того, чтобы выполнить условие основного принципа системы коллективного пользования: ни одна заявка не дол;кна остаться без обслуживания, что соответствует требованию — ни один отсчет измерительного прибора не должен быть утерян, должно быть выполнено условие:
А/
где U, — время нахождения j'-ой заявки в системе, которая складывается из времени её обслуживания г, и времени ожидания Yi вследствие занятости системы. Задача заключается в уменьшении у, и следовательно м,
Ui=Tt+r,.
Среднее время ожидания определяется как
¿Я,-г? / = ^-
2(1 -а)
п п
где а — ^ а j = ЯГкоэффициент полной загрузки /=1
системы.
Для случая, когда полный поток заявок • состоит из "быстрой" Xf и "медленной" Д, компонент (сответственно для "быстрых" и "медленных" экспериментов):
у =—-—--.
2(1 -af-as)
На рис. 4 представлена зависимость среднего времени ожидания у от длительности обслуживания заявок второго уровня т,. Отсюда видно, что среднее время ожидания у для бесприоритетной дисциплины • обслуживания заявок (т.е. для дисциплины обслуживания в порядке поступления) (кривые уь уг, уз) превосходит 10 млсек начиная с т»>2 млсек, что недопустимо, т.к. противоречит начальному условию
Я/=100 заявок в сек (что соответствует точности таймера, имеющегося в ЭВМ — 10 млсек).
5 ю 15 го гз ¿о лз ад сэ
Рис. 4. Зависимость среднего времени ожидания от времени обслуживания заявок второго уровня
Если ввести дисциплину абсолютных приоритетов, когда заявки от "быстрых" экспериментов прерывают обслуживание заявок "медленных" экспериментов, то среднее время нахождения заявок потока Х{ в системе равно:
"/~2(1-«/)+Г/
При ^ =100 заяв./сек для =100 мксек, 1 млсек и 5 млсек, времена нахождения заявок в системе соответственно равны ОД млсек, 1,06 млсек и 7,5 млсек. Эти времена уже приемлемы.
Среднее время нахождения заявок потока X, в системе равно:
\-GCf
Если для потока X, ввести дисциплину относительных приоритетов, то время ожидания у,| для потока с к=1
Уз\=--—--
2(1-«/
При Х,=40 заяв./сек и а* = 0, интенсивность Л,! <, 26,5 заяв./сек, а при а,= 0,1 — Х,1 <, 23 заяв./сек. Соответствующее и,» = 43 млсек. Бесприоритетная дисциплина для и, дает и,= 102,2 млсек.
Обозначим у,, — время ожидания заявок потока X, с приоритетом не ниже \ (к>1). Для него можно получить выражение:
_?■»-!(*-«/2>
У 51 ,
1 -ау-а5)
Условие обслуживания без потерь информации запишется как:
Гц-, г5, ^ 1
■аг~а5{ 1-е/
Из второго уровня абсолютных приоритетов выделим заявки, у которых большие времена обслуживания и потери которых не влияют на работу системы. К таким заявкам относятся: переход на программу обработки данных, распечатка результатов обработки, построение графиков и т.д. Интенсивность такого потока обозначим через Хо и ему присвоим третий абсолютный приоритет. В таком случае для определения времени ожидания потока второго уровня можно пользоваться выражением (10). А время нахождения заявок третьего уровня в системе определяется как:
То
"о =-:-+ 1—
1-а 1 -а3
где а3 — коэффициент загрузки теми заявками, у которых приоритет выше, чем приоритет потока Хо .
Таким образом, для определения основных параметров систем "КСАНИ" и "КСАНИ-2" были применены основы Теории массового обслуживания. Поток заявок был принят простейшим с Пуассоновским распределением по времени. Времена обслуживания заявок были приняты постоянными.
Полученные выражения дают возможность определить лишь средние величины параметров, имеющих высокие коэффициенты вариации. Для уточнения полученных результатов было проведено имитационное, моделирование [9] системы коллективного пользования. Была составлена модель с учетом следующих условий:
— потоки заявок были разбиты на три группы с усредненной функцией распределения длительности обслуживания в каждой группе;
— заявка считалась утерянной, если в очереди имелась заявка того же потока;
— заявкам присваивались приоритеты пропорционально интенсивностям потоков.
К входным переменным были отнесены: количество одновременно подключенных источников заявок; количество уровней прерывания; полный поток заявок; функции распределения отдельных потоков; длительности обслуживания заявок.
Имитационная модель была реализована на ЭВМ М1000. Пакет программ состоял из блоков, осуществляющих: генерацию заявок с интенсивностями в пределах, задаваемых оператором; присваивание приоритетов; смешивание потоков с учетом приоритетов ■ и формирование очереди; имитацию обслуживания заявок; определение времени ожидания и длительности нахождения заявки в системе; определение средних значений вычисленных величин и их среднеквадратичных отклонений; определение коэффициента потерь.
На рнс. 5 показаны результаты одного из имитационных экспериментов. Представлена зависимость длительностей нахождения отдельных заявок в системе от суммарной интенсивности потоков второй группы. Случаи а, бив соответствуют интенсивностям а — 47,6 заяв./сек, б — 43,9 заяв./сек, в - 51,2 заяв./сек. Как видно из рисунка 30
среднеквадратичные отклонения велики и поэтому даже малые изменение суммарной интенсивности вызывают значительные увеличения потерь заявок.
и«
а
63 а
Й м и.**
к
м
вэ .
И я - Т
Е7 7Т г- —
И — £ — —
а -
а
в 1 -1- S « -а- 1 1 а -3- 1 а 4 -4- » а 1 -3- 1 а 4 1 а 1. 1 » а "г 1 Г
Рис. 5. Результаты одного из имитационных экспериментов
Проведена серия имитационных экспериментов, что дало возможность учесть большие вариации параметров, вычисленных на основе теории массивного обслуживания.
Таким образом, имитационная модель позволила уточнить параметры систем коллективного пользования КСАНИ и КСАНИ-2 и выбрать оптимальную дисциплину абсолютных и относительных приоритетов с учетом быстродействия ЭВМ для реализации принципа — обслуживание заявок без потерь.
В системе "КСАНИ" была осуществлена трехуровневая дисциплина абсолютных приоритетов с относительными приоритетами в каждом из уровней. Первый наивысший
приоритет был присвоен т.н. "быстрым" экспериментам с интенсивностью поступления заявок >1 заяв./сек. на втором уровне были расположены "медленные" эксперименты с интенсивностью поступления заявок <1 заяв./сек. На третий уровень были поставлены заявки предварительной и окончательной обработки данных, распечатки результатов, построение графиков и т.д.
В системе "КСАНИ-2" была реализована двухуровневая дисциалина абсолютных приоритетов, т.к. обслуживание потока заявок третьего уровня было перенесено во вторую ЭВМ СМ-4 и производилось независимо от накопления данных первой ЭВМ СМ-3.
В пятой главе описана интерактивная система, предназначенная для графического представления результатов математического моделирования динамики процессов в кристаллах, подвергающихся нейтронному облучению. Математическое моделирование было осуществлено в ЭВМ М4030. Результаты выдавались в виде листингов на бумажной ленте. Анализ данных практически был невозможен.
С целью визуализации результатов моделирования, информация была перенесена в ЭВМ СМ-4, на которой был установлен графический дисплей. Для этого был создан канал связи М-4030 — СМ-3 — СМ-4. Связь между М4030 и СМ-3 была реализована через устройство связи вычислительных машин УСВМ, которое входную в состав СМ-3. УСВМ бйло подключено к салекаторному каналу М4030 с помощью высокочастотных коаксиальных кабелей.
Кроме того, в зале М4030 было поставлено видеоконтрольное устройство, соединенное с СМ-3.
Программное обеспечение СМ-3 было создано в операционной системе "РАФОС" и осуществляло прием "запросов" и команд из М4030, отправку ответных сообщений, отображение на видео-контрольном устройстве соответствующих сообщений, прием блока данных из М4030 и его запись на магнитный диск, перевод данных в формат СМ-4, распечатку на печатающем устройстве.
Канал связи СМ-3 — СМ-4 был реализован двумя способами: а) через общую внешнюю память на магнитных дисках, коммутация которой осуществлялась оператором; б) через аппаратуру САМАС: выходной регистр (305-ый модуль САМАС) СМ-3 был подключен к входному регистру (350-ый модуль САМАС) СМ-4, а выходной модуль СМ-4 — к входному модулю СМ-3. Было создано соответствующее программное обеспечение, позволяющее передавать 16-ти и 24-х разрядные слова из СМ-3 в СМ-4 и обратно.
Графическое представление данных было осуществление с помощью графического дисплея ЭПГ-СМ и светового пера. Был сформулирован соответствующий алгоритм (рис. 6), который представляет собой диаграмму состояний [32, 33]. С помощью светового пера и "меню", отображенного в нижней части экрана, оператор мог изменить частоту следования кадров, высветить один кадр, запомнить кадр и вернуться к нему позже, выбрать часть кадра и исследовать ее в динамике, высветить на экране графики
изменения координат отдельных ионов, зависимость их кинетических и потенциальных энергий от времени.
1\
ШТП
И 11
¿г —.
•1 ||
о®
1 1
II
ЙН * и /5Г
и® [Щ<? |
?
«¡НИ и» * I
ш
ш
• I и
О)
в
и
>8 О К
И
£
■е-&
>к о в я
ё *
о н
о и-
в 5
(О и £
Алгоритм реализован на языке ФОРТРАН-ГУ в операционной системе РАФОС. Пакет программ осуществлял расшифровку информации с магнитного диска СМ-4; определял размеры кристалла, количество вакансий, количество ионов, количество кадров, координаты ионов; осуществлял отображение ионов на экране с различными условными обозначениями и различных размеров; представление текстовой и цифровой информации; управлял световым пером. Созданная интерактивная графическая система могла бьггь применена для описания произвольных физических процессов, представления экспериментальных данных и результатов обработки.
Результаты моделирования динамики радиационных процессов в кристаллах с экрана дисплея были пересняты на 16 мм-ую кинопленку и был создан примерно 20-минутный фильм о развитии радиационных дефектов в решетке кристаллов.
В шестой главе описаны системы автоматизации экспериментов на базе отдельных микро-ЭВМ.
На базе микро-ЭВМ "Электроника-60" и аппаратуры в стандарте САМАС была осуществлена автоматизация ядерного реактора ИРТ-М и его технологического оборудования. Для этого терморезисторы ТСП-5071, установленные в ' различных технологических узлах реактора, через программно управляемый релейный мультиплексор (750-ый модуль САМАС) поочередно подключались ко входу цифрового вольтметра В7-28,
измеряющего их сопротивления. Выход цифрового вольтметра через адаптер был подключен к входному регистру (305-ый модуль САМАС). Измеренные данные поступали в ЭВМ, где по заранее введенной таблице определялась температура с точностью до 0,1°, для чего вычислялась поправка к табличному значению (таблица была задана через каждые 10°С). Результаты выдавались на три видеоконтрольные устройства, установленные на пульте реактора, в кабинетах руководителя Ядерного центра и главного инженера реактора. Если температура превышала предельное значение для данного узла, то на видеоконтрольных устройствах высвечивался аварийный сигнал. Кроме того, определялась текущая мощность, выделяемая в реакторе.
Система автоматизации ядерного реактора позволяла в процессе его эксплуатации исключить субъективные ошибки в определении выделяемой мощности и оперативно вмешаться® в работу реактора и его технологического оборудования.
Создана, также, система автоматизации многоканального нейтронного спектрометра. Спектрометр упругого и неупругого рассеяния нейтронов по методу времени пролета представлял собой сложный экспериментальный комплекс. Система автоматизации на базе ИВ К МЕЕА-60 позволяла: а) следить за начальными параметрами эксперимента (температура образца, скорость вращения селектора); б) управлять вращением большой и малой платформ, на которых были расположены 16 детекторов под 36
разными углами, и столика с криостатом, в котором находился образец; в) накапливать данные в 4096-ти канальном анализаторе ВМ-96 в течение времени, задаваемом заранее экспериментатором; г) переносить информацию с кождого из 4096 каналов в ЭВМ и записывать на гибкие магнитные диски; д) обрабатывать накопленные данные — определять энергетический спектр нейтронов по времени пролета, строить его зависимость от угла рассеяния от температуры образца.
В этой же главе описан автоматизированный криостат для исследования свойств сверхтекучего 3Не во вращающемся состоянии, созданный в г. Хельсинки совместно сотрудниками Института физики и Лаборатории низких температур Хельсинского технического университета.
Вращающийся криостат представляет собой сложнейшую экспериментальную установку (рис. 7), включающую несколько ступеней охлаждения. На первой стадии охлаждения в неподвижном состоянии работали система откачки, три теплообменника, соединенные . последовательно, система растворения 3Не в 4Не. При достижении температуры 20 тК начиналось отключение магнитного поля, что вызывало дополнительное охлаждение образца. Размагничивание происходило медленно в течение ~2 часов. При температуре 3-4 тК начинал работать малый крио-адсорбционный насос, а затем включался большой крио-адсорбционный насос.
BO cm
VBRATION DAMPOtt AND
АОЛЙПЖИТ»
СЯУОЛЮОЯГПОЧ PUMP
сш.
NUCtUAK »tAOS ■
OPTICAL DATA TViAHSMt3«ON UKT
UP«B RACIAL
веляма
AXIAL UAflMÜ
LOWE«
RASM.KAR«a
NtHSCONMECTABUS
nM>(wu£S
cttjjtwh UACtwe
-StUAÄKäT
Рис. 7 Вращающийся криостат для исследования свойств сверхтекучего 3Не
Все соединительные трубы с внешними насосами отключались, все ненужные приборы отключались. Питание мапшта переключалось на источник, управляемый с ЭВМ и
вращающийся вместе с криостатом, и размагничивание продолжалось до достижения состояния сверхтекучести 3Не (температура ~ 1 шК). В этом положении криостат мог вращаться. Максимальная скорость вращения — 1,5 рад/сек. Крио-адсорбцнонньш насос позволял вращаться криостату в течение 12 часов.
Измерительные приборы были расположены на вращающейся платформе и вращались вместе с криостатом. Связь с . неподвижным компьютером осуществлялась через оптическую систему передачи, которая представляла собой коаксиальную систему световых диодов и фототранзисторов. Световой диод установленный на оси вращения криостата излучал световые импульсы, а спаренный с ним неподвижный фототранзистор принимал их и передавал компьютеру. Сигналы управления из компьютера передавались пяти световым диодам, соединенным параллельно и расположенным коаксиально. Их излучение принимали шесть фототранзисторов, расположенных коаксиально во вращающейся части установки. Такая система позволяла передавать последовательную серию импульсов, поэтому предварительно происходило преобразование параллельного кода данных в последовательный и обратно Скорость передачи данных составляла 20 Kbit/s. Связь с компьютером осуществлялась через магистраль ЕЕЕЕ-488 (HP-IB) (рис. 8).
¡'не. 8. Принципиальная схема системы «шоматизации ыршцжощеюся криостата для исследования с.жшггн сверхтекучего 3Не.
Микрокомпьютер Неи1еП-Раскагс1 НР-85А представлял собой устройспю, Ы (И< > \н<1,ш<и> К одном блоке, в котором
объединялись процессор, ОЗУ 32 Kb, клавиатура, дисплей размером 5", узкий термо-прннтер, драйвер касетного магнитофона. Микрокомпьютер имел выносной блок расширения постоянной памяти (ROM) с шестью ROM модулями, которые управляли внешними устройствами: гибкими магнитными дисками, графопостроителем, широким принтером, широким (14") дисплеем и магистралью HP-IB.
С помощью этой установки была проведена серия экспериментов по определению свойств сверхтекучего 3Не во вращающемся состоянии.
Образец был расположен в цилиндрическом сосуде диаметром 5 мм и длиной 30 мм. Было показано, что амплтуда пиков ЯМР поглощения в А-фазе сверхтекучего 3Не уменьшается во вращающемся состоянии, что свидетельствует о возникновении вихрей из-за вращения.
В этой же главе описана система автоматизации процесса обогащения медной руды на Маднеульском ГОК-е. Для оптимизации процесса обогащения применяется метод нейтронного активационного анализа, в. котором существенное значение имеют время облучения, время выдержки после облучения и время измерения интенсивности у-излучения. С целью повышения точности определения указанных времен била создана система автоматизации, которая с точностью 10 млсек определяет необходимые времена и управляет системой транспортировки контейнера с образцом на облучение, на измерения и на сброс проб. Система транспортировки
представляет собой пневматическую систему, в которой поворотом распределителей выбирается необходимый путь транспортировки и включением соответствующих пневмоклапанов осуществляется подача сжатого воздуха и перенос контейнера в нужное место.
Система автоматизации пневмопочты была опробована на микро-ЭВМ Электроника-60. В результате была создана автоматическая схема управления и внедрена на Маднеульском ГОК-е. Система позволила сократить время проведения анализа с 4-6 часов до 15 мин, увеличить выход продукции высшего качества и тем самым повысить эффективность процесса обогащения медной руды.
Седьмая глава посвящена перспективам дальнейшего развития автоматизации научных исследований. С появлением IBM совместимых персональных компьютеров связан новый этап в развитии систем автоматизации. Уже первые персональные компьютеры РС-ХТ и АТ-286 были оснащены цветными 1рафическими мониторами CGA и EGA, оперативной памятью не менее 640 Kb. дисковой памятью не менее 20 Mb и совершенным программным обеспечением - операционной системой MS-DOS. К тому же они обладали исключительно высокой надежностью и были доступны по цене.
В настоящее время достигнут исключительно высокий . уровень микроминиатюризации элементной базы компьютеров, что позволило на несколько порядков повысить возможности современных персональных компьютеров: повысилось быстродействие, увеличился 42
объем оперативной памяти, дисковой памяти, значительно улучшились возможности цветного графического монитора, появились новые устройства — лазерные и струнные принтеры, лазерные диски памяти. Созданы новые операционные системы, новые языки програмировапия, мощные системы баз данных, средства локальных и глобальных компьютерных сетей и др.
Развитие новых информационных технологий создало новые возможности для автоматизации научных исследований и новые направления применения систем автоматизации. А именно, развитие сетевых технологий позволяет оперативно провести исследования на экспериментальных установках, удаленных друг от друга на десятки и сотни километров, обмениваться научной информацией с учеными разных стран и выполнять совместные научные работы.
В седьмой главе описан проект такой комплексной работы, предусматривающий наблюдение геодинамических процессов различными физическими методами. В частности:
— исследование малых перемещении, вызванных деформационными процессами в земной коре;
— исследование акустического излучения в широком диапазоне частот (от пнфразвуковых до ультразвуковых 4астот);
— исследование температуры и электропроводности тодземных вод;
— исследование изменения упругих параметров скальных пород и другие исследования.
Методика исследовании подразумевает применение существующих высокочувствительных и высокоточных методов измерения, создание новых приборов, основанных на волоконной оптике и оптоэлектронике, их подключение к компьютерам через оптические кабели и создание компьютерной измерительно-вычислительной сети.
Проект предусматривает увеличение чувствительности трехкомпонентного экстензометра, установленного в подземном тоннеле Института геофизики АН Грузин, создание оптоволоконного датчика акустических сигналов для частот от 10-15 гц до 20000 гц, оптоволоконных датчиков температуры и электропроводности подземных вод и некоторых других датчиков.
Эти датчики могут быть созданы на базе оптоволоконного фазовращателя, работа которого основана (рис.9а) на измерении изменения фазы гармонического сигнала (и| ==ио5ш(соИ-(р1)) при прохождении через схему задержки т. (Здесь со=2пГ, Г — частота гармонических колебаний, t — время). После задержки
и2=ио5т(о>1+ф1+Д(р), дср=<от=2тст£
Отсюда следует, что изменение фазы зависит от частоты гармонических колебаний.
Для того, чтобы сигналу с фиксированной частотой придать переменную разность фаз, в схему введем дополнительный генератор гармонических сигналов О,, и 44
два миксера М1 и М2 (рис. 9 б), каждый из которых на выходе дает гармонический сигнал, обладающий разностью частот и фаз сигналов на двух его входах. Если ^ и сро — частота и фаза входнго гармонического сигнала, а ^ и (ра — частота и фаза сигнала на выходе генератора в, то на выходе схемы будем иметь гармонический сигнал с частотой & и фазой фо+Д<р. Изменение фазы Дф определяется задержкой т и частотой генератора fG:
Дф=27ст^.
М,
М2
о-
Фо
> х
1
О—
ио
-еЮ их
1
%
Е
Фа-Ф0
7\]
т
9Л
ъО
я>
Гс
и
-АЧ> и2
«?0+Д9
1
Фг
их 1
Рис. 9. Принципиальная схема фазовращателя
Если в плечо стандартного источника гармонических сигналов или в плечо одного из миксеров (М] или М2) ввести соответствующий датчик, то можно построить зысокочувствительную измерительную аппаратуру раз-мгчного назначения.
Проектом предусмотрено создание сети компрыотерных информационно-измерительных комплексов. Для этого предполагается создание локальных измерительно-вычислительных центров и их объединение в Республиканскую информационно-измерительную сеть.
Локальные центры предполагается построить на базе современных персональных компьютеров Pentium-200 или Pentium-233 с оперативной памятью не менее 32 Mb, дисковой памятью 2,5 Gb. Эти центры будут объединены через быстрые модемы и высокоскоростные телефонные, радиорелейные или оптоволоконные каналы. В качестве сервера сети предполагается использовать Pentium 11-400 с оперативной памятью не менее 64 Mb и максимально возможной дисковой памятью. В качестве сервера возможно использование и мощной ЭВМ Sun Spark Station Ultra.
Таким образом, комплексное исследование геодинамических процессов на базе высокопроизводительных персональных компьютеров возможно позволит обнару-Ж1ггь и исследовать предвестники сильных землетрясений, что имеет важное значение для народного хозяйства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации описаны работа по автоматизации научных исследований за период с 1970 года по настоящее время. Это - период быстрого развития вычислительной техники и его математического обеспечения.
Развитие вычислительной техники вызвало эволюцию систем автоматизации научных исследований. Автоматизация экспериментальных исследований зародилась в области физики высоких энергий, а зетем охватила другие области физики, а также и другие направления науки. В диссертации описаны системы автоматизации экспериментов в таких областях физики, как физика низких температур, физика твердого тела, биофизика, нейтронография и др. В отличие от физики высоких энергий, эти эксперименты представляют собой сравнительно простые установки, с двумя-тремя измерительными приборами. Для автоматизации таких экспериментов в 70-х годах было целесообразно построить систему коллективного пользования, в которой одна ЭВМ используется одновременно несколькими экспериментами. В диссертации описаны такие системы коллективного пользования, основные параметры которых определены на основе теории массивного обслуживания и уточнены с помощью имитационного моделирвания.
С появлением в конце 70-х и начале 80-х годов микроЭВМ и персональных компьютеров стало актуальным создание индивидуальных схггем автоматизации. В диссертации описано несколько таких систем, созданных в Институте физики АН Грузии.
В настоящее время в результате развития информационных технологий стало возможным создание систем автоматизации, в которых будет происходить высокоскоростной обмен информацией между центрами,
расположенными на больших расстояниях и тем самым будут выполняться наблюдения и исследования нового типа. Проект такой работы описан в диссертации, он связан с исседованиями геодинамических процессов и предусматривает дальнейшее развитие волоконно-оптической технологии.
Таким образом» в диссертации описана эволюция систем автоматизации экспериментальных исследований и даются перспективы их дальнейшего развития.
Можно сформулировать и конкретные результаты диссертационной работы:
1. Разработана ситема коллективного пользования, в которой с помощью одной мини—ЭВМ автоматизировано несколько экспериментальных установок с различной экспериментальной методикой и сильно отличающейся интенсивностью получения данных. Для этого использован аппарат теории массового обслуживания, на основе которого обоснована необходимость применения уровней абсолютных и относительных приоритетов. С помощью имитационного моделирования уточнены параметры системы коллективного пользования.
2. Создана система комплексной автоматизации экспериментальных исследований "КСАНИ", в которой малая ЭВМ М-1000 использовалась коллективно несколькими экспериментальными установками. С помощью системы "КСАНИ" автоматизированы эксперименты в области физики низких температур, физики твердого тела, биофизики, радиационной химии. 48
Были разработаны необходимые электронные устройства, алгоритмы и программное обеспечение. Система была построена с применением трех уровней абсолютных приоритетов, а в каждом уровне была реализована дисциплина относительных приоритетов.
3. Создана система коллективного пользования "КСАНИ", с помощью которой автоматизированы 13 экспериментов в области физики низких температур, бйозифики, физики твердого тела, физики плазмы и др. Система была построена на основе двух мини-ЭВМ СМ-3 и СМ-4. Были разработаны электронные устройства в стандарте САМАС, созданы алгоритмы и программы. В системе КСАНИ-2 была применена двухуровневая дисциплина абсолютных и относительных приоритетов.
4. С целью передачи информации из ЭВМ М4030 в СМ-4 был создан канал М4030 — СМ-3 — СМ-4. Разработаны и реализованы соответствующие технические и программные средства, осуществляющие перенос данных из М4030 в СМ-4 и запись в формате СМ-4.
5. С помощью мини-ЭВМ СМ-4 и графического дисплея СМ7300 была создана интерактивная система графического представления информации. Был разработан алгоритм, представляющий собой диаграмму состояний системы. Система была создана с целью графического отображендя результатов моделирования в ЭВМ М4030. В системе был реализован диалоговый режим между оператором и ЭВМ СМ-4, для чего применялись световое перо и программное "меню".
6. На базе микро-ЭВМ созданы индивидуальные системы автоматизации. В том числе — система контроля температурных режимов и выделяемой мощности реактора ИРТ-М, системы автоматизации экспериментов, проводимых в каналах реактора. -
7. На базе микро-ЭВМ Не\\'1еи-Раскагс1-85А создан уникальный автоматизированный вращающийся криостат для исследования свойств сверхтекучего 5Не. С помощью криостата впервые экспериментально был наблюден эффект возникновения вихрей в А-фазе 3Не из-за его вращения.
8. Разработан проект исследования процессов, происходящих в коре Земли, который предусматривает создание новых опто-волоконных датчиков, с , одной стороны, а с другой стороны создание локальных измерительно-вычислительных центров на базе персональных компьютеров и их объединение в сеть с помощью быстрых модемов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Е П.Велихов, АН.Выставкин. Проблемы развития работ по автоматизации научных исследований, УСкМ, №4, 1984, 3-12.
2. Д.И.Гарнбашвнли, САШрабштеГш, Э.В.Шфдидзе, АХ. Джагаров, А.Г. Инавншли, Е.Е.Корпсепа, Л.ВЛ'енлквиша,
Г.Г.Чнгаиладзе, В.М.Федорои. Комплексная система автоматизации научных экспериментов в биофизике, физике низких температур, физике твердого тела, ядерной химии, Препринт Института физики АН ГССР, 28-ВТ, 1976, 12 стр.
3. ГОСТ 26.201-80. Единая система стандартов приборостроения. Система КАМАК. Крейт и сменные блоки. Требования к конструкции и интерфейсу. Госстандарт, М,. 1980.
4. A Modular Instrumentation System for Data-Handling. ESONb Committee Report EUR-4100e, Luxemburg, CEC, 1969.
5. CAMAC Products Comperhensive Summaiy. Краткие сведения фирмы "POLON", Варшава, 1982.
6. В.АХмириов. Использование "открытых" стандартов электроники для физических исследований. Краткие сообщения ОИЯИ, № 4(84)-97, 1997, 71-84.
7. Отчет Института физики All Грузии по теме 018.091.е) Разработать методы и технические средства для сбора и обработки данных, получаемых в процессе физического эксперимента, в том числе: 17. Автоматизации съема информации и управления экспериментом но изучению теплоемкости и внутреннего трения в твердых телах при температуре от 2°К до 400°К. Гос. регистрации № 73051046. Информационный бюллетень Совета по автоматизации научных исследований при Президиуме AM СССР № 4, 1972, 7-8.
И. Отчет Института физики АН ГССР по теме: Создание второй очереди автоматизированной системы обработки данных. Тбилиси, Гос. регистрации № 01.85.0009725, 1985.
9. Э.В.Вардидзе, Д.И.Гарибашвнли, ЛЛО.Отарова, С .А. Шрабштейн. Разработка имитационной модели системы автоматизации научных исследований. Материалы XII Всесоюзной школы по автоматизации научных исследований, Тбилиси, 1978, 13-14.
10. Д.И.Гарибашвили, С.А.Шрабштейн, Э.В.Вардидзе, А.Г. Ииашвилм, В.М.Федоров. Комплексная система автоматизации научных исследований КСАНИ. ПТЭ, 1, 1976, 54-56, (ВИНИТИ Деп. №75).
11. Д.И.Гарибашвилп, С.А.Шрабштейн, В.М.Федоров, Э.В. Вардидзе, ЕЕ. Корнеева. Спектрометрические эксперименты на линии с ЭВМ М-1000, ABT, 1, 1978, 50-52.
12. Д.И.Гарибашвили, А.Г.Джагаров, В.М.Федоров. Устройство для автоматического съема информации с потенциометра
постоянного тока Р-308 (Р-348) в стандарте KAM/VK. В сб.: Методы и средства автоматизации научных исследований, Минск, 1978, 122-124.
13. Д.И.Гарнбашвили, СЛ-Шрабштейн. Использование малых ЭВМ в научных экспериментах. В сб.: Выч. мат. и ЭВМ в автоматизации физических исследований, Тбилиси, Мецниереба, 1978, 93.
14. Э.В.Вардидзе, Д.И.Гарнбашвили, А-Г.Джагаров, А.Г. Михайлов, С.А. Шрабштейн. Комплексная система автоматизации научных исследований на базе СМ ЭВМ "КСАНИ-2". В сб.: Автоматизация научных мсследований, г.Горький, 1982, 241-242.
15. Э.В.Вардидзе, Д.И.Гарнбашвили, А-Г.Джагаров, А.Г. Михайлов, С-А-Шрабштейн. Использование ЭВМ серии СМ для автоматизации биофизических и низкотемпературных экспериментов. Препринт Института физики АН ГССР, АНИ-3, 1984, 23 стр.
16. В.Г.Брегадзе, Д.И.Гарнбашвили, К.Г.Кочламазашвили, П.А.Попов. Автоматизированный импульсный многоканальный плазменноэмиссионный спектрометр. В сб.: Конформационные изменения биополимеров в растворах, Тбилиси, 1985, 193.
17. Д.И.Гарибашвилн, С.В.Микеладзе, Г.Н.Циликишвнлн.
Интерактивная графическая система динамики радиационных процессов в кристаллах. В сб.: Структура и организация диалоговых систем реального времени, 1986, 59-60.
18. P.J.Hakohen, O.T.Ikkala, S.T.Islander, T.KLMarkkula, P. Roubcau, K.M.SaIoheimo, D.I.Garibashvili, J.S.Tsakadze. ROTAting Mini lab -Desigh and Performance. Physica, 107B, 1981, 567-568.
19. P.J.Hakonen, O.T.Ikkala, S.T.IsIauder, T.fCMarkkula, P.M. Roubcau, K.M.Salohcimo, D.LGaribashvili, J,S.Tsakadze. Rotating Nuclcar Demagnetization Refrigerator for Supcrfluid 3He Experiments. Report TKK-F-A479, Low Temperature Laboratory, Helsinki University of Technology, 1982, 36 p.
20. P.J.IIakonen, O.T.Ikkala, S.T.Islander, O.V.Louriasmas, Т.К. Markkula, P.Roubcau, K.M.Salohcimo, G.E.Volovik, E.L. Andromkashvili, IM.GaribasHvili. J.S.Tsakadze. NMR Experiments on
Rotating Superfluid 3He-A: Evidence for Vorticity. Phys. Rev. Lett. 48, 26, ■ 1982, 1838-1841.
21. P.J.IIakonen, O.T.Ikkala, S.T.Islander, T.KMarkkuIa, P.M. Roubeau, K.M.SaIohcimo, D.LGaribashvili, J.S.Tsakadze. Rotating Nuclear Demagnetisation Refrigerator for Experiments on Superfluid He-3. Cryogenics, May, 1983, 243-250.
22. L.I.Akopov, A.G.Dane!yan, D.I.Garibashvili, K.Z.Kartvelishvili, N.RNadirashvili. Some Possibilities of Fiber Optics for Monitoring of Geodynamic Phenomena. Spie, v. 2107, Optical Monitoring of the Environment, 1993, 584-594.
23. KKartvelishvili, A-Danelyan, A.Kavalov, D.Garibashvili. Monitoring of Geodynamic Processes by Means of Fiber Optics and Opto-Electronic Technique. In Collection of Reports: Georgian Symposium for Project Development and Conversion, Tbilisi, 1995, 185-188.
24. Д.И.Гарибашвили, А-Г.Данелян, В.А.Данелян, Г.В.Датна-швили, А.Л.Капалов, С.А.Кравченко, В.В.Фоменков. Регулируемый волоконно-оптический фазовращатель электрических сигналов. Измер. техника, № 2, 1997, 26-29.
25. А.Г.Даиелян, Д.И.Гарибашвили, К.З.Картвелишзили, В.А. Данелян. Оптический циркулятор и его возможности для измерительной техники. Измер. техника, № 8, 1997, 38-41.
26. Дж.С.Цакадзе, С.Дж.Цакадзе. УФН, 115, вып.З, 1975, 503.
27. Н.Г.Бакрадзе, Д.Р.Монаселидзе. Прецизионный дифференциальный микрокалориметр. Измерительная техника, 2, 1971, 58-60.
28. КА-Квавадзе. Метрология, 5, 1973, 38.
29. В.Г.Брегадзе, Э.С.Гелагуташвили. Исследование содержания меди в сыворотке периферийной крови человека. В сб.: Материалы шестого симпозиума по конформационным изменениям биополимеров в растворах, Тбилиси, 1985, 194.
30. Б.В.Гнеденко. Введение в теорию массового обслуживания, М., 1966.
31. А-Я.Хинчин. Работы по математической теории массового обслуживания, М, "Физматгиз", 1963.
32. Методические указания но курсу: "Диалоговые средства автоматизированного проектирования", Разделы I и II, Составители: О.Ф.Цурин, Л.Е.Заичснко, В.И.Мищенко, Г.Ветцольд, Киев, КПИ, 1984.
33. Методические указания к практическим задачам по курсу "Автоматизированные рабочие места для проектирования РЭА и ЭВМ". Составители: О.Ф.Цурин, В.И.Мищенко, Л.Е.Заиченко, Киев, КПИ, 1984.
34. И.В.Прангишвили. Микропроцессоры и локальные сети микро-ЭВМ в распределенных системах управления. М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 272.
35. Дж.Г.Чигвинадзе, А.Г.Джагаров, В.С.Надарейшвили, ТА.Джапнашвили. ПТЭ, 5, 1984, 192-196.
36. Модуль управления пневмопочтой (в стандарте КАМАК). Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Тбилиси, Институт физики АН ГССР, 1987.
