С.И.Балакин, В.П.Воеводин, М.Н. Горохов, А.А.Инчагов, Ю.Г.Каршев,
Е.В.Клименков, В.В.Комаров, Г.Т.Кузьмин, В.А.Медведев, В.А.Новиков

ГНЦ РФ Институт физики высоких энергий, Протвино, Россия

1. Введение

В настоящее время Система управления [1] (СУ) ускорительного комплекса У-70 позволяет осуществлять оперативное управление работой различных систем вывода пучка протонов из ускорителя У-70 в 8 и 22 каналы для физических экспериментов. К таким системам относятся система быстрого вывода, резонансного медленного вывода, вывода пучка с помощью изогнутых монокристаллов и "тонких" внутренних мишеней.

Вывод пучка осуществляется комбинацией из 34 магнитооптических элементов (МОЭ) и 29 источников питания (ИП). Это - септум-магниты систем вывода, квадрупольные линзы модернизированной системы медленного вывода [2] и электромагнитное оборудование 8 и 22 каналов.

Для каждого типа вывода пучка формируется свое локальное искажение орбиты. Оно формируется парами блоков кольцевого электромагнита, на дополнительные обмотки которых подается ток от 24 ИП.

Различные системы вывода пучка могут работать как по отдельности, так и в любой последовательной комбинации, поддерживая возможность 8 независимых режимов работы (PPM - Pulse to Pulse Modulation) ускорительного комплекса [1].

Все ИП управляются от встроенных микроконтроллеров МК231 [3] (МК), подключенных к контроллерам оборудования (КО). МК формируют кусочно-линейные временные функции опорного напряжения, заданные оператором. Последовательность из нескольких функций образует закон изменения опорного напряжения ИП в течение цикла, состоящий из 64 линейных участков.

2. Организация ПО верхнего уровня

Для хранения и передачи параметров в СУ используется распределенная база данных реального времени [4] (БД). Разработанное программное обеспечение (ПО) верхнего уровня соответствует стандартной в СУ организации задачи управления [5] технологической подсистемой, поддерживающей PPM. Выделены базовые задачи [6], связанные между собой параметрами через БД, – задачи контроля и просмотра данных, задачи управления.

Контроль включает в себя стандартную в СУ диагностику [7] и измерение параметров ИП. Эту задачу выполняют ПО в МК и КО, а постоянно работающая на Рабочей станции прикладная программа (ПП), называемая в СУ Супервизором [6], считывает средствами БД данные из КО и обрабатывает их.

Просмотр данных, подготовленных Супервизором, обеспечивают универсальная в СУ программа Мастер [6] и единый пользовательский интерфейс СУ [8]. Имеется несколько базовых задач управления:

  • Заполнение БД на Рабочей станции информацией об ИП - техническая спецификация ИП, подключение ИП к магнитам, МК и КО.
  • Создание в БД на Рабочей станции расписания работы систем вывода.
  • Управление работой ИП - задание в БД на Рабочей станции значений токов, вычисление функций опорного напряжения для ИП и пересылка данных функций в КО. Управление ИП, подключенных к МОЭ, можно вести также в терминах магнитного поля.

Задачи управления расписанием и ИП реализуются двумя соответствующими ПП, т.к. эти задачи идентичны для всех систем вывода пучка и системы локального искажения орбиты во всех режимах работы ускорительного комплекса. Информацию об ИП использует ПП на Рабочей станции при редактировании значений тока/поля, вычислении функции опорного напряжения и генерации команд для МК.

Все задачи (рис.1), выполняющиеся на Рабочих станциях, являются асинхронными по отношению к технологическому процессу.

БД данных на Рабочей станции и в КО содержат около 100 таблиц для хранения значений около 2000 управляющих, измеренных и архивных параметров, суммарный объем которых составляет более 15 Мбайт. Диалоговое меню имеет более 350 пунктов.

3. Взаимодействие ПО верхнего и нижнего уровней для работы с МК

Взаимодействие ПО является стандартным [7] в СУ и характеризуется структурой хранения [9] управляющих и измеренных данных в КО.

Значения заданного оператором закона изменения опорного напряжения хранятся в таблице (рис.2), имеющей 8 идентичных плоскостей, соответствующих каждому режиму работы ускорительного комплекса. Каждый столбец таблицы содержит данные закона для одного ИП в одном цикле работы ускорителя. Весь закон составлен из нескольких временных кусочно-линейных функций, соответствующих каждой системе вывода пучка. Суммарное количество участков всех функций не должно превышать 64 [3]. Каждой функции предшествует заголовок – количество значений функции и начальное значение. Сама функция представлена тройками чисел – команда для МК, длительность линейного участка, значение функции в конце участка. Начальная амплитуда равна 0, если данная функция не пересекается во времени с другой функцией этого закона.

Для хранения измеренных данных используется таблица (рис.3), имеющая одну плоскость. Каждый столбец соответствует одному МК.

 

4. Организация ПО нижнего уровня

Нижний уровень управления системами вывода пучка и локального искажения орбиты построен по единому принципу и включает в себя КО, управляющий локальной сетью встроенных в источники питания микроконтроллеров МК321 [3].

Контроллер оборудования реализует следующие основные функции:

  • взаимодействие с компьютерами верхнего уровня (магистраль MIL1553 [10,11]);
  • синхронизация с технологическим процессом посредством общей таймерной системы [1] (ОТС);
  • управление работой и контроль состояния подключенных микроконтроллеров, включая прием и передачу данных контроля и управления, выдачу команд синхронизации с процессом и управление режимом РРМ (магистраль RS485).

Микроконтроллеры обеспечивают:

  • функциональное управление ИП,
  • выдачу дискретных управляющих сигналов,
  • измерение выходных токов и напряжения ИП синхронно с генерированием управляющего напряжения,
  • считывание статусных сигналов состояния ИП,
  • работу в режиме РРМ.

Для взаимодействия КО с МК разработан нестандартный сетевой протокол, в рамках которого осуществляется как обмен данными, так и передача таймерных сообщений. Причем время доставки последних гарантированно не превышает 1 мс, независимо от загрузки сети.

Единая схема аппаратной реализации и фиксированные требования к МК позволили разработать универсальное программное обеспечение нижнего уровня реализующее все необходимые функции контроля и управления ИП для систем вывода и локального искажения орбиты.

Настройка ПО осуществляется путем загрузки в КО и МК данных конфигурации. Эти данные содержат информацию, которая практически не меняется в течение всего сеанса работы ускорителя:

  • Для МК - это коэффициенты преобразования данных, учитывающие особенности трактов аналогового ввода/вывода, и таблица синхронизации, однозначно определяющая действия, которые необходимо выполнить в ответ на то или иное событие в пределах цикла работы ускорителя.
  • Для КО - это количество, топология подключения и сетевые адреса микроконтроллеров, перечень таймерных событий ОТС, которые необходимо транслировать в МК.

Вся эта информация объединена в один файл конфигурации, который загружается в КО вместе с программным обеспечением. Данные готовятся в режиме off-line в БД Oracle на компьютерах верхнего уровня.

5. Аппаратная адаптация источников питания к МК

Цепи управления регулирующей электроники источников питания, в большинстве случаев, изолированы от "земли" и могут находиться под напряжением до 1.5 тысяч вольт. Поэтому микроконтроллер, непосредственно соединенный с регулятором, подключен к магистрали RS485 через высоковольтную гальваническую развязку. Для выполнения логических функций контроля и управления микроконтроллеры имеют достаточный набор входных и выходных сигналов. Однако для полной совместимости с разными типами источников питания необходимо нормализовать эти сигналы по амплитуде, полярности и длительности. Такие задачи выполняет адаптирующая электроника, блок-схемы которой приведены на рисунках 4 и 5.

6. Заключение

Эксплуатация программно-аппаратных средств управления и контроля подтвердила их эффективность и надежность в работе с системами вывода пучка и локального искажения орбиты. Резко снизились затраты времени на настройку режимов вывода пучка, исчезли простои, связанные с работой прежней системы ручного управления. Впервые появилась возможность измерения токов и управления ИП со всех пультов управления У-70. Планируется широкое использование встраиваемых микроконтроллеров в технологических подсистемах ускорительного комплекса.

Список литературы

[1] Komarov V.V., Milichenko Y.V., Voevodin V.P., Yurpalov V.D. Draft Design Study for the Control System of the U-70 Complex — IHEP&CERN, CERN internal note: PS/CO/Note 96-26.

[2] Каршев Ю.Г., Максимов А.В., Троянов Е.Ф., Федотов Ю.С. Модернизация системы медленного вывода протонного пучка из ускорителя ИФВЭ для повышения его эффективности — Труды XVII Совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино, 2000, т.2, стр.263.

[3] Балакин С.И., Воеводин В.П., Инчагов А.А., Комаров В.В. Архитектура встроенных микроконтроллеров в системе управления комплекса У-70 — Труды XVII Всероссийского Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000, т.1, с.319.

[4] Воеводин В.П. ССУДА – Специализированная Система Управления распределенными Данными реального времени — Труды XVI Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1999, т.1, стр.135.

[5] Клименков Е.В. Организация задач контроля и управления в Системе Управления комплекса У-70 — Труды XVII Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000, т.1, стр.135.

[6] Клименков Е.В. Структура прикладного программного обеспечения в Системе Управления комплекса У-70 — Труды XVII Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000, т.1, стр.263.

[7] Балакин С.И., Клименков Е.В. Первичная диагностика в Системе Управления комплекса У-70 — Труды XVII Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000, т.1, стр.255.

[8] Воеводин В.П., Кузьменко В.Г., Щербаков С.Е. Пользовательский интерфейс в новой системе управления ускорительного комплекса У-70 — Труды XVI Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1999, т.1, стр.141.

[9] Воеводин В.П., Клименков Е.В. Описания основных объектов Системы Управления комплекса У-70 — Труды XVII Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000, т.1, стр.267.

[10] Воеводин В.П., Елин А.П., Комаров В.В. Вычислительные средства новой системы управления ускорительного комплекса У-70 — Труды XVI Всероссийского Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1998, т.1, с.138.

[11] Балакин С.И., Воеводин В.П., Клименков Е.В. Организация прикладного программного обеспечения контроллеров оборудования в новой Системе Управления комплексом У-70 — Труды XVI Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1999, т.1, стр.176.