WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Шведунов Иван Васильевич ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ УСКОРИТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОНОВ НИИЯФ МГУ Специальность 01.04.20 – Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре общей ядерной физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В.

Ломоносова.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Борис Саркисович Ишханов кандидат физико-математических наук Игорь Валерьевич Грибов

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук Карев Александр Иванович доктор технических наук, профессор Каминский Владимир Ильич

Ведущая организация:

ФГУП НПП «Торий»

Защита состоится «19» июня 2009 года в «15» часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д501.001.77 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу:

119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 5, «19 корпус» НИИЯФ МГУ, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан 15 мая 2009 года.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д501.001.77 доктор физико-математических наук, профессор С.И. Страхова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Ускорители заряженных частиц являются сложными электрофизическими установками, включающими значительное число разнообразных систем, обеспечивающих их функционирование, таких как система питания магнитных элементов, система высокочастотного питания, система высоковольтного питания, система механических перемещений, вакуумная система, система подачи изолирующего газа, система охлаждения, система датчиков пучка и т.п. Контроль работы ускорителя осуществляется системой управления, сложность которой определяется масштабами и сложностью ускорителя. Неотъемлемой частью современной системы управления является программа верхнего уровня, обеспечивающая взаимодействие оператора с объектом управления, выполнение различных сценариев, связанных с включением и выключением установки, изменением режима работы, обработкой аварийных ситуаций, проведением процедур измерений и оптимизации, а также ведение журналов, поддержание баз данных, конфигурирование системы под конкретный набор оборудования и выполнение других функций, связанных с работой установки.

В настоящее время существуют два подхода к программному обеспечению верхнего уровня систем контроля и управления – разработка собственной программы и использования стандартного программного обеспечения – коммерческой SCADA системы (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition - система супервизорного управления и сбора данных). В частности, при автоматизации процессов в промышленности использование коммерческих SCADA систем в сочетании с программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) на нижнем уровне системы управления позволяет существенно ускорить и удешевить процесс автоматизации.

Разработка собственной программы верхнего уровня системы контроля и управления (собственной SCADA системы) позволяет в наиболее полной мере учесть особенности автоматизируемого объекта и возможные направления его развития, что особенно важно для таких “нестандартных” объектов, как ускорители заряженных частиц. Безусловно, создание собственной SCADA системы на начальном этапе может потребовать больших финансовых и временных затрат, по сравнению с закупкой одной из существующих на рынке систем, однако при последующем серийном выпуске изделий эти затраты вполне окупаются.

Цели работы. Целью настоящей диссертационной работы является создание программного обеспечения верхнего уровня (SCADA системы) системы контроля и управления ускорителей электронов нового поколения НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова и развитие этой системы для применения в серийном технологическом ускорителе.

Научная новизна работы. Разработаны базовые принципы и создано программное обеспечение системы управления ускорителей электронов.

Система настраивается под конкретный набор оборудования, допускает расширение и внедрение новых алгоритмов управления. Таким образом, обеспечивается непрерывное функционирование ускорительных установок и экспериментальных стендов, значительно эволюционирующих в течение своего жизненного цикла. В состав программного обеспечения ускорителей введена программа расчета оптики пучка, что существенно упрощает процесс настройки линий транспортировки и инжекции пучка электронов в ускоритель.

На основе решений, опробованных на действующих ускорительных установках, реализована версия системы контроля и управления для серийного промышленного ускорителя со специализированными микроконтроллерами на нижнем уровне системы.

Практическая значимость. Созданное в рамках настоящей работы программное обеспечение верхнего уровня системы контроля и управления в течение ряда лет обеспечивает функционирование ускорителей электронов нового поколения и экспериментальных стендов, разрабатываемых в НИИЯФ МГУ. На основании данного программного обеспечения создана специализированная SCADA система для серийного технологического ускорителя.

Личный вклад автора. Автор диссертации полностью самостоятельно разработал программы верхнего уровня системы контроля и управления, обеспечил ее отладку и последующее сопровождение при проведении пусконаладочных работ на ускорителях и испытательных стендах.

На защиту выносятся следующие результаты:

Концепция построения программного обеспечения верхнего уровня системы контроля и управления ускорителями электронов нового поколения НИИЯФ МГУ.

Программа верхнего уровня системы контроля и управления.

Методика оптимизации и результаты проведения пуско-наладочных работ на ускорителях электронов и экспериментальных стендах с использованием программы верхнего уровня, в том числе методика настройки трактов транспортировки и инжекции пучка с встроенной программой расчета динамики пучка.

Модификация программы верхнего уровня для системы контроля и управления серийным технологическим ускорителем.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 7-и работах (список работ приведен в конце автореферата) и докладывались на конференциях:

Ломоносовских чтениях 1999 г.

Международной конференции по ускорителям заряженных частиц PAC Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» в 2001 г.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 148 страниц, рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 41 наименование.

Содержание диссертации В первой главе дан краткий обзор существующих систем контроля и управления ускорителями, а также систем управления промышленным оборудованием, приведено описание принципа построения системы контроля и управления ускорителями НИИЯФ МГУ, описан нижний уровень системы.

В публикациях о системах управления, применяемых в научных учреждениях, как правило, основное внимание уделяется нижним уровням системы. В качестве верхнего уровня чаще всего используется коммерческое программное обеспечение, например, Intellution iFIX, простые графические оболочки либо сравнительно устаревшие решения, выполненные с использованием таких инструментальных средств, как OSF/Motif, Tcl/Tk и др.

В §1.1 даётся описание систем управления исследовательских установок.

Рассматривается система управления ускорителем MAMI (Mainz Microtron) и система «EPICS» («Experimental Physics and Industrial Control System» – «Система управления для экспериментальной физики и промышленности»).

MAMI (Mainz Microtron) является ускорителем электронов непрерывного действия с нормальной проводимостью, энергией пучка до 1.5 ГэВ и током пучка 100 мкA, и представляет собой каскад из трех разрезных и одного двухстороннего микротронов. Этот ускоритель был построен в Институте ядерной физики Университета г. Майнц, Германия, и обеспечивает работу четырех экспериментальных комплексов.

Система управления MAMI имеет распределённую структуру и использует специальной схемы межпроцессового взаимодействия (IPC, Interprocess Communication), основанный на схеме адресации по именам объектов. IPC и подсистема управления процессами доступны для целого ряда платформ. В качестве аппаратного обеспечения на нижнем уровне системы используются системы на основе CAMAC, VME и Interbus-S.

Человеко-машинный интерфейс системы состоит из графического интерфейса пользователя с обзорными схемами управляемого объекта, сенсорной панели и интерпретатора управляющего языка, созданного на основе языка Basic. Графический интерфейс реализован с использованием коммерческого пакета Gipsy, являющегося производным от DataViews фирмы VI Corporation, и доступного для различных ОС. Для ввода данных используются цифровые ручки-регуляторы с небольшими индикаторными дисплеями, на которых отображаются имя, состояние и действительное значение управляемого параметра.

Система EPICS включает в себя архитектуру для построения масштабируемых систем управления, набор соответствующего программного обеспечения и документации, а также сотрудничество ведущих научных лабораторий и промышленности. EPICS является продуктом работы, прежде всего, группы ускорительной техники (Accelerator Technology, AT-8) в Национальной Лаборатории Лос-Аламоса, а также группы Advanced Photon Source в Аргоннской Национальной Лаборатории. На данный момент EPICS используется более чем в 70 лабораториях, университетах и промышленных производствах в Северной Америке, Европе и Азии, и обеспечивает управление такими объектами, как ускорители и детекторы, телескопы, а также промышленное оборудование.

Архитектура EPICS является полностью распределенной: каждый уровень системы функционирует без помощи какого-либо центрального устройства или программного приложения. Это свойство обеспечивает масштабируемость, надежность, а так же возможность постепенного запуска компонентов системы в эксплуатацию. Использование EPICS вполне допускает ситуацию, когда одни части системы находятся в работе, в то время как другие находятся под разработкой либо отключены. Следует отдельно упомянуть об отсутствии в системе центрального сервера имен – EPICS использует широковещательные сетевые пакеты для распознания имен объектов.

В §1.1 рассматриваются коммерческое программное обеспечение систем управления, Wonderware InTouch и Intellution iFix.

В §§1.3-1.4 даётся описание системы управления ускорителей НИИЯФ МГУ.

В НИИЯФ МГУ ведется разработка и создание компактных ускорителей электронов нового поколения, создаваемых по схеме линейного ускорителя или разрезного микротрона. Работа машин поддерживается единой трехуровневой системой управления на основе РС совместимых компьютеров (рис. 1).

Система управления состоит из нескольких бездисковых станций первого и второго уровней, работающих под управлением операционной системы RTLinux, и одной полнофункциональной станции верхнего уровня, объединенных сетью Ethernet. Для связи между станциями используются протоколы TCP/IP. Станции нижнего уровня оснащены многоканальными устройствами сбора и распределения данных, кроме того, на первом уровне системы задействованы импульсные мониторы пучка, разработанные на основе цифровых сигнальных процессоров и подключенные к станциям второго уровня посредством сети CAN-bus. Станция верхнего уровня представляет собой PC под управлением операционной системы Linux. Программное обеспечение этой станции, CSLite, предоставляет, в частности, графический интерфейс пользователя (Graphical User Interface, GUI), и написано на языке C+ + для X Window System с использованием библиотеки Qt фирмы Trolltech.

Совместно с параметрической технологией эти решения образуют полнофункциональный SCADA пакет, ориентированный на работу с быстро и значительно эволюционирующими объектами.

Недостатком большинства описанных выше систем управления, применяемых в научных учреждениях, является отсутствие удобного и современного интерфейса пользователя. Как правило, в качестве интерфейса оператора используется либо компоненты, разработанные с помощью устаревших и неэффективных технологий (например, OSF/Motif в случае интерфейса MEDM, используемого в EPICS), либо с использованием коммерческих пакетов. Основной задачей CSLite является предоставление удобного пользовательского интерфейса для системы управления ускорителя.

Рис.1. Схема системы управления ускорителей НИИЯФ МГУ.

Во второй главе описана логическая структура верхнего уровня системы, даны детали реализации пакета CSLite, включая использовании программы расчета динамики пучка для оптимизации тракта транспортировки и инжекции пучка.

В §2.1 описано информационное представление объекта управления.

Задачей параметрической технологии является полное, прозрачное и взаимно согласованное представление свойств и характеристик всех подсистем объекта управления. Это представление включает в себя качественное и количественное описание параметров объекта, а также правил и методов работы с ними. Таким образом, формируется информационная модель управляемого объекта, а также обеспечивается интерфейс между процедурно-функциональным подходом нижних уровней и объектно-ориентрованным представлением верхнего уровня системы. Использование параметрической методики дает возможность программировать каждый уровень системы управления применяя наиболее подходящий, максимально естественный инструментарий, не ограничиваясь рамками лишь одной технологии составления программ. Используя современную классификацию программных систем, параметрическую технологию можно считать ядром EPICS/SCADA (Experimental Physics and Industrial Control System / Supervisory for Control And Data Acquisition) пакета, ориентированного на работу с быстро и значительно эволюционирующими объектами.

В §2.2 описан графический интерфейс оболочки верхнего уровня.

Рис. 2. Основное окно программы CSLite.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»