Программное обеспечение системы контроля и управления ускорителями электронов НИИЯФ МГУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Шведунов, Иван Васильевич

• Шведунов, Иван Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шведунов, Иван Васильевич

Введение.

Глава 1. Обзор современных систем контроля и управления.

1.1 Системы управления исследовательских установок.

1.1.1 Система управления MAMI.

1.1.2 EPICS.

1.2 Коммерческое программное обеспечение.

1.2.1 Wonderware InTouch.:.

1.2.2 GEFanuc iPIX.

1.3 Особенности системы управления ускорителей НИИЯФ МГУ.

1.4 Программное обеспечение нижних уровней.

1.4.1 Структура программного обеспечения.

1.4.1.1. Драйверы устройств сбора и распределения аналоговых данных.

1.4.1.2. Драйверы устройств цифрового управления.

1.4.1.3. Основные алгоритмы управления второго уровня.

Глава 2. Программа верхнего уровня системы контроля и управления ускорителями НИИЯФ МГУ - CSLite.

2.1 Информационное представление объекта управления. Параметрическая технология.

2.1.1 Виды параметров, параметрические клиент и сервер.

2.1.2. Особенности реализации.

2.1.3 Описание свойств параметров, база данных системы управления.

2.2 Интерфейс оператора.

2.2.1 Представление объекта.

2.2.2. Общая структура интерфейса.

2.2.3 Таблицы параметров.

2.2.4 Всплывающее окно дополнительных значений.

2.2.5 Диалог изменения набора параметров в таблице.

2.2.6 Окно управления массивами сохраненных значений.

2.2.7 Окно станций.

2.2.8 Журнал (лог).

2.2.9 Окно сканирования.

2.2.10 Меню и панель инструментов.

2.3 Редактирование представлений объектов.

2.3.1 Средства редактирования базы данных.

2.3.2 Работа с редактором базы CSLite.

2.3.3 Таблица Objects - описания управляемых объектов.

2.3.4 Таблица Stations - описания управляющих станций.

2.3.5 Таблица Groups - группы параметров.

2.3.6 Таблица Classes - классы параметров.

2.3.7 Таблица Predefined actions - предопределенные действия.

2.3.8 Таблица Subparameters - дополнительные значения параметров.

2.3.9 Таблица Status values - значения статуса для параметра.

2.3.10 Таблица Parameters - параметры объекта.

2.3.11 Таблица Common status values - общие значения статуса.

2.4 Подключение программы расчета оптики пучка к системе контроля и управления.

Глава 3. Особенности использования системы контроля и управления для обеспечения работы ускорителей электронов и испытательных стендов—

3.1 Разрезной микротрон на энергию 70 МэВ.

3.2 Разрезной микротрон на энергию 35 МэВ.

3.3 Импульсный линейный ускоритель на энергию 10 МэВ.

3.4 Стенд для испытания ускоряющих структур.

3.5 Контроль флюенса электронов на ускорителе с энергией 1.2 МэВ.

Глава 4. Система контроля и управления технологическим ускорителем.

4.1 Структура системы контроля и управления.

4.1.1 Основные системы ускорителя.

4.1.2 Контроллер ускорителя.

4.2 Структура программного обеспечения консоли управления.

4.2.1 Серверная часть ПО консоли управления.

4.2.2 Конечные автоматы.

4.2.3 Протокол Modbus.

4.2.4 Принцип работы сервера.

4.2.5 Основные управляющие алгоритмы.

4.2.6 Симулятор объекта.

4.2.7 Клиентская часть ПО консоли управления.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Программное обеспечение системы контроля и управления ускорителями электронов НИИЯФ МГУ»

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 (ПЖ) 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

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.

Апробация работы

Результаты, изложенные в работе, докладывались на конференциях: Ломоносовские чтения 1999 г., на международной конференции по ускорителям заряженных частиц РАС 2001 и межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» в 2001 г.

Основные результаты изложены в следующих работах:

1. И.В. Шведунов, Разработка графического интерфейса и усовершенствование программы расчета оптики пучка, Московский Государственный Университет им. М.В.

Ломоносова, Физический Факультет, Кафедра Общей Ядерной Физики, Ломоносовские чтения 1999.

2. I. Gribov, I. Shvedunov, V. Yaliyan, RaceTrack Microtron Control System, In the Proceedings of IEEE Particle Accelerator Conference (РАС 2001), Chicago, Illinois, 18-22 Jun 2001, pp 819-821

3. И.В. Грибов, И.В. Шведунов, B.P. Яйлиян, Система управления и контроля разрезными микротронами, Труды Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» под ред. проф. Б.С. Ишханова и проф. Л.С. Новикова. Москва, НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, 13-14 ноября 2001 г. Издат. отдел УНЦ ДО, 2001, с. 31-35.

4. И.В. Грибов, И.В. Шведунов, В.Р. Яйлиян, Технология создания системы управления современными ускорителями электронов, Препринт НИИЯФ МГУ - 2002-17/701, 24 стр.

5. V.I. Shvedunov, R.A. Barday, D.A. Frolov, V.P. Gorbahev, E.A. Knapp, G.A. Novikov, N.I. Pakhomov, I.V. Shvedunov, V.S. Skachkov, N.P. Sobenin, W.P. Trower, S.A. Tyurin, A.A. Vetrov, V.R. Yailijan, and D.A. Zayarny, A Racetrack Microtron with High Brightness Beams, Nucl. Instrum. Meth. A531 (2004) 346-366

6. И.В.Грибов, Ф.Н.Недеогло, И.В .Шведунов, Верхний уровень системы управления электронных ускорителей, ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, Номер 1, 2005, стр. 62-71

7. V.I. Shvedunov, A.N. Ermakov, I.V. Gribov, E.A. Knapp, G.A. Novikov, N.I. Pakhomov, I.V. Shvedunov, V.S. Skachkov, N.P. Sobenin, W.P. Trower, and V.R. Yajlijan, 70 MeV Racetrack Microtron, Nucl. Instrum. Meth. A550 (2005) 39-53.

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 пусконаладочных 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.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 148 страниц, 75 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 41 наименование.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Шведунов, Иван Васильевич

Заключение.

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1 .Разработана концепция построения программного обеспечения систем контроля и управления ускорителями электронов нового поколения НИИЯФ МГУ.

2.Создана модель информационного представления ускорителей на основе параметрической технологии. Разработаны эффективные средства редактирования представлений объектов управления, что позволяет оперативно адаптировать систему при изменениях свойств объектов, а также формировать параметры управления для вновь создаваемых установок.

3.В рамках модели информационного представления реализована конфигурация системы управления, обеспечивающая независимое функционирование ускорителей и стендов НИИЯФ МГУ: двух разрезных микротронов на энергию 70 и 35 МэВ, импульсного линейного ускорителя на энергию 10 МэВ, стенда для испытания ускоряющих структур, стенда контроля флюенса электронов на основе ускорителя с энергией 1.2 МэВ.

4.Разработан интерфейс оператора, обеспечивающий удобную работу с ускорителями как в режиме штатного функционирования, так и в переходных режимах запуска и останова, настройки и отладки подсистем ускорителей.

5.Разработаны средства измерения взаимной зависимости любых параметров ускорительных установок с графическим представлением результатов измерений.

6.К системе управления подключена программа расчета оптики пучка на основе матричного формализма описания элементов тракта транспортировки электронного пучка. Обеспечена реализация алгоритмов измерения, оптимизации и настройки параметров пучка разрезных микротронов на энергию 70 и 35 МэВ.

7.На основе решений, опробованных на действующих ускорительных установках НИИЯФ МГУ, реализована версия системы контроля и управления для серийного промышленного ускорителя со специализированными микроконтроллерами на нижнем уровне системы. В систему управления промышленным ускорителем встроена подсистема высокоуровневых управляющих алгоритмов на основе конечных автоматов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шведунов, Иван Васильевич, 2009 год

1. GE Fanuc iFIX, http://www.gefanuc.com/asen/index.html

2. OSF/Motif, http://www.opengroup.org/motif/

3. Tcl/Tk, http://www.tcl.tk/software/tcltk/

4. Status Report on the MAMI Control System H.-J. Kreidel, Proc. of the 1999 Int. Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems, Triest, Italy, Oct. 99, p.645 1999

5. EPICS, http://www.aps.anl.gov/epics/7. InTouch,http://global.wonderware.com/EN/Pages/WonderwareInTouchHMI.aspx8. WinCC,http://w\vvv.automation.siemcns.com/hnii/html76/products/sofhvare/wincc/index.htm

6. RTLinux, http://www.rtlinuxfree.com/10. Linux, http://kernel.org/

7. Trolltech, http://trolltech.com/.

8. И.В. Грибов, И.В. Шведунов, B.P. Яйлиян, Технология создания системы управления современными ускорителями электронов, Препринт НИИЯФ МГУ, 2002-17/701

9. Г. Корн и Т. Корн "Справочник по математике для научных работников и инженеров". М., Наука, 1974 г., с. 654.

10. Borland Home Page, http://www.borland.com/

11. К. Н. Steffens: Konzeption und Optimierung eines 100 keV Injektionssystems zur Erzeugung eines longitudinal polarisierten Elektronenstrahles an MAMI, Diplomarbeit, Institut fur Kernphysik, Johannes Gutenberg-UniversitAat Mainz, 1993

12. V.I. Shvedunov, A.N. Ermakov, I.V. Gribov, E.A. Knapp, G.A. Novikov, N.I. Pakhomov, I.V. Shvedunov, V.S. Skachkov, N.P. Sobenin, W.P. Trower, and V.R. Yajlijan, 70 MeV Racetrack Microtron, Nucl. Instrum. Meth. A550 (2005) 39-53.

13. A.H. Ермаков, Создание импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва 2004

14. A.H. Ермаков, Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Чжо Чжо Тун, И.В. Макаренко, Мультинейтронные фотоядерные реакции на изотопе 197Аи, Вестник МГУ, Серия 3. Физика. Астрономия. 2007, No. 5 (сентябрь-октябрь), с.49-52

15. R. A. Aliev, E.I. Gainullina, A.N. Ermakov, B.S. Ishkhanov, and V.I. Shvedunov, Use of a Split Microtron for Instrumental Gamma Activation Analysis, Journal of Analytical Chemistry Vol. 60, No. 10, 2005, pp. 951-955.

16. A. Aryshev , B. Kalinin, G. Naumenko, A. Potylitsyn, R. Bardai, B. Ishkhanov, V. Shvedunov Experimental investigation of coherent Smith-Purcell radiation from a "flat" grating, Nucl. Instrum. Meth. B227 (2004) 175-179.

17. В.П. Горбачев, Б.С. Ишханов, В.В. Полиектов, В.П. Степанчук, В.И. Шведунов, Источник электронов с большой яркостью пучка и его применения , Вестник СГТУ. 2007. №1, с. 95-99

18. В.И. Шведунов, Ю.К. Алексеев, А.А. Ветров и др., Линейный дифракционный ускоритель заряженных частиц, препринт НИИЯФ МГУ 2004-25/764, 50 стр.

19. В.В. Полиектов, Измерение энергетического спектра пучка электронов с помощью излучения Вавилова-Черенкова, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва 2007.

20. В.П. Горбачев, Высокочастотные системы микротрона, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва 2007.

21. A.C. Алимов, Д.И. Ермаков, B.C. Ишханов, В.И. Шведунов, У.П. Трауэр, Двухсекционный линейный ускоритель непрерывного действия на энергию 1.2 МэВ, средний ток пучка 50 мА, Приборы и техника эксперимента №5, 2002, стр. 114-120

22. Douglas Comer, Internetworking with ТСРЯР: principles, protocols, and architecture. Prentice-Hall, Inc. 1988. ISBN:0-13-470154-2

23. X Window System, http://www.x.org/

24. Test Driven Development: By Example, Kent Beck, Addison-Wesley Longman, 2002, ISBN 0321146530, ISBN-13 978-0321146533

25. Common Lisp the Language, 2nd edition, Digital Press, 1990; ISBN 1-55558041-6

26. Arbib, Michael A. (1969). Theories of Abstract Automata (1st ed. ed.). Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, Inc. ISBN 0139133682

27. Cormen, Thomas H.; Leiserson, Charles E.; Rivest, Ronald L.; Stein, Clifford. Introduction to Algorithms (second edition ed.), MIT Press and McGraw-Hill. ISBN 0-262-53196-8

28. Протокол Modbus, www.modbus.org/

29. Библиотека Gtk+, http://www.gtk.org/