Содержание к диссертации
Список сокращений 6
Список рисунков 9
Введение ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИ ЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ИФВЭ И ПРОБЛЕ МЫ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕК ТРОФИЗИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ 11
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ОБРУДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К СРЕДСТВАМ УПРАВЛЕНИЯ ИМ 24
Введение 24
1.1. Основные параметры и характеристики исследуемого и управляемого электрофизического оборудования 25
1.2. Анализ требований к средствам управления электрофизическим оборудованием 31
Выводы 35
Глава 2. ВЫБОР И РАЗРАБОТКА СИСТЕМНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ 36
Введение 36
2.1. Краткий обзор состояния систем управления ускорителями в зарубежных центрах в 80- годы 36
2.2. Унифицированная аппаратура сопряжения оборудования с ЭВМ 42
2.2.1. Аппаратура сопряжения в системах управления на каналах частиц ускорителя У-70 42
2.2.2. Выбор стандарта интерфейсной электроники СУ УНК
2.3. Унифицированные вычислительные средства и программное обеспечение для построения систем управления электрофизическим оборудованием каналов и стендов ИФВЭ 52
2.4. Структурные схемы и коммуникационное оборудование
систем управления 55
2.4.1. Структурные схемы сосредоточенных (нераспределенных) систем 55
2.4.2. Структурные схемы распределенных систем 59
2.4.3. СУ на базе персональных ЭВМ и локальной сети передачи данных 74
2.5. Некоторые тенденции развития систем управления и модернизация системы управления комплекса каналов частиц 76
2.5.1. Некоторые тенденции развития систем управления 76
2.5.2. Модернизация системы управления комплексом каналов выведенных из ускорителя У-70 частиц 84
2.5.2.1. Контроллер оборудования 88
2.5.2.2. Контроллер магистрали CAN 90
2.6. Результаты анализа и выводы 92
Глава 3. ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ 94
Введение 94
3.1. Аппаратура мультиплексных каналов передачи данных 94
3.2. Средства управления источниками питания магнитных элементов 97
3.2.1 Аппаратура измерения и управления на базе цифрового вольтметра 98
3.2.2. Аппаратура на базе АЦП и ЦАП 99
3.2.3. Аппаратура управления генератором импульсного тока 101
3.3. Электронная аппаратура для магнитных измерений 101
3.3.1. Измерения с помощью датчика Холла 101
3.3.2. Измерения величины магнитного поля с помощью датчика, использующего ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) 102
3.3.3. Измерения полей с помощью гармонических катушек (ГК)...Ю2
3.3.3. Измерения методом натянутой струны 103
3.4. Электронная аппаратура измерения криогенных параметров и управления криопроцессами 104
3.4.1. Измерение температуры 104
3.4.2. Измерение давления 105
3.4.3. Измеритель уровня жидкого гелия 105
3.4.4. Двухканальный счетчик оборотов турбодетандера 106
3.5. Электронная аппаратура для исследования характеристик СП-магнитов 106
3.5.1. Измеритель активной мощности, рассеиваемой СП магнитом 106
3.5.2. Измеритель давления в элементах обмоток СП магнита 106
3.5.3. Приборы для контроля перехода СП магнита в нормальное состояние 107
3.6. Электроника контроля вакуума и управления вакуумнымоборудованием 107
3.6.1. Измерение вакуума 107
3.6.2. Блок управления клапан-дозатором 1
3.7. Электроника стенда исследования мишеней с высокой плотностью энерговыделения 108
3.8. Системы стабилизации напряжения импульсных модуляторов 1
3.8.1. Стабилизация плоской части высоковольтного импульса напряжения 112
3.8.2. Система стабилизации зарядного напряжения импульсных модуляторов 118
3.9. Измерение и ввод большой высокочастотной мощности в диафрагмированный волновод 121
3.9.1. Схемы защиты волноводных трактов питания ВЧ-сепаратора 121
3.9.2. Повышение пробивной прочности мощного клистрона 125
3.9.3. Измерение высокочастотной мощности 127
Выводы 127
Глава 4. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАНАЛАМИ ВЫВЕДЕННЫХ ИЗ УСКОРИТЕЛЯ У-70 ПУЧКОВ ЧАСТИЦ И СТЕНДАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ УНК1 СТУПЕНИ 129
Введение 129
4.1. Система управления каналами выведенных из ускорителя У-70 частиц 130
4.1.1. Система управления каналом сепарированных частиц 131
4.1.2. Система управления на базе мультиплексного канала 1
4.1.2.1. Подсистема управления технологическим оборудованием... 13 6
4.1.2.2. Подсистема управления МОЭ 136
4.1.2.3. Программное обеспечение системы 138
4.1.3. Модернизированная СУ каналов 139
4.1.3.1.Программное обеспечение модернизированной системы 139
4.2. Системы управления стендом исследования мишеней с большим удельным энерговыделением 143
4.2.1. Подсистема фокусировки протонного пучка 147
4.2.2. Подсистема диагностики протонного пучка 148
4.2.3. Подсистема управления положением объектов стенда 149
4.2.4. Подсистема синхронизации и таймирования 150
4.2.5. Система мониторирования протонного пучка 151
4.2.6. Программное обеспечение системы управления стендом 151
4.3. Системы управления стендами магнитных измерений 153
4.3.1. Измерения с использованием ЯМР - магнитометра 155
4.3.2. Измерения с помощью датчика Холла 156
4.3.3. Измерения полей с помощью гармонических катушек 157
4.3.4. Измерения методом натянутой струны 160
4.3.5. Управление источниками питания магнитов 161
4.3.6. Структурные схемы систем магнитных измерений 162
4.3.7. Программное обеспечение систем управления магнитными измерениями 163
Выводы 163
Глава 5. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТЕНДАМИ ИССЛЕ ДОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И КРИОГЕН НЫМИ ПРОЦЕССАМИ 166
Введение 166
5.1. Системы управления стендами исследования характеристик сверхпроводящих магнитов 166
5.2. Системы управления криогенными процессами 1
5.2.1. Особенности управления криогенными процессами 175
5.2.2. Система управления стендами исследования криогенного оборудования 177
5.2.3. Система управления криогенным комплексом стенда калибровки сверхпроводящих магнитов 183
5.2.4. Акустический газоанализатор 188
Выводы 191
Заключение 192
Список литературы 195
Введение к работе
Основными направлениями физических исследований на ускорительном комплексе У-70 ИФВЭ являются мезонная спектроскопия, поиск экзотических состояний частиц (многокварковые мезоны и ба-рионы, глюболы и др.), поляризационные исследования, наблюдения редких распадов каонов, а также исследования взаимодействий нейтрино. Источником частиц для большинства экспериментов является протонный синхротрон У-70, который обеспечивает интенсивность до 5х1013 протонов за цикл при полной длительности цикла ускорения 8 с [1]. Внутренние мишени ускорителя позволяют формировать вторичные пучки различной интенсивности с моментом от 10 до 70 ГэВ/с [2].
Ускорительный комплекс включает в себя линейный ускоритель ЛУ-30 на энергию 30 МэВ, кольцевой бустер на энергию 1,5 ГэВ, протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ с системами быстрого и медленного вывода, а также систему транспортировки выведенных из ускорителя частиц. Каналы вывода обеспечивают потребителям транспортировку как вторичных частиц с мишеней, находящихся в экспериментальном зале, так и протонов, выведенных непосредственно из синхротрона У-70.
В 70-е годы крупнейшими экспериментальными установками были пузырьковые камеры «Мирабель» [3], СКАТ [4] и «Людмила» [5]. Они облучались сепарированными пучками частиц малой интенсивности и высокой чистоты.
Начиная с середины 80-х годов, создаются новые установки для работы на выведенных из ускорителя пучках. Кратко рассмотрим системы каналов вывода пучков из У-70 и несколько больших экспериментальных установок, которые были созданы в ИФВЭ для работы на них. В таблице 1 приведены основные сведения о каналах вывода пучков, для которых были созданы описываемые в диссертации системы управления (СУ). На рис В-1 показана схема расположения каналов. Эти каналы являются в настоящее время базовым инструментом для экспериментальной программы ИФВЭ.
Крупнейшая из них, Комплекс Меченых Нейтрино (КМН), состоит из нейтринного детектора БАРС и станции мечения, которые могут работать как совместно, так и автономно [6]. Станция мечения позволяет регистрировать все продукты распада каонов, что дает возможность определять энергию и координату образования нейтрино. Детектор нейтрино включает в себя два криостата БАРС, заполненных жидким аргоном, и мюонный спектрометр. Пучок протонов из У-70 отклоняется тремя магнитами на канал № 23 меченых нейтрино. Система из 7 квадрупольных линз и двух магнитов формирует пучок вторичных адронов и переводит его в распадную трубу, где от распадов образуются электронные и мюонные нейтрино. Интенсивность пучка вторичных частиц типично 108 -109 частиц за цикл в пересчете на 1012 протонов за цикл ускорителя.
Независимая программа исследований осцилляции нейтрино проводится на установке ИФВЭ - ОИЯИ Нейтринный Детектор (НД). Выведенный из У-70 пучок протонов транспортируется в канале № 8 и фокусируется на мишень-поглотитель, расположенную непосредственно перед стальным мюонным фильтром. НД расположен за мюонным фильтром и включает в себя калориметр, детектор электронов и гамма-квантов и мюонный спектрометр. Центральной частью НД является калориметр, который состоит из чередующихся слоев жидкого сцинтиллятора и алюминия и предназначен для работы в пучках нейтрино с энергией от 2 до 30 ГэВ [7].
Широкая программа исследований в барионных реакциях реализована на установке СФИНКС-М, которая представляла собой широко-апертурный магнитный спектрометр с пропорциональными и дрейфовыми камерами, работающий в сочетании с многоканальным гамма-детектором и системой черенковских детекторов для идентификации вторичных заряженных частиц [8, 9]. Установка была расположена на канале № 21, типичная интенсивность выводимого пучка составляла (2-3)х106 частиц за цикл.
На многоцелевом канале 22 расположены двухплечевой спектрометр ФОДС-2 [10, 11] для изучения глубоконеупругих процессов и спектрометр СВД [12] с быстроциклирующей пузырьковой камерой в качестве вершинного детектора для исследования образования очарованных частиц. Оба канала обеспечивают медленный вывод протонного пучка с предельной интенсивностью, дифракционный вывод протонного пучка с меньшей интенсивностью, а также вывод вторичных пучков обоих знаков в широком диапазоне импульсов и интенсивностей.
Как видно из приведенных выше примеров, наряду с высокой интенсивностью пучков вторичных частиц для экспериментов необходима возможность ее изменения в пределах нескольких порядков. Высоки требования и по составу пучка, что позволяет, имея определенную смесь частиц, осуществлять на одной установке несколько экспериментов одновременно. Создание новых и модернизация действующих установок потребовали развития и системы каналов транспортировки частиц для них [2]. Существенным также является то, что во многих случаях часть аппаратуры канала входит в состав той или иной установки. Рост объема магнитооптического оборудования вместе с его усложнением, а также значительная протяженность каналов потребовали нового комплексного подхода к созданию системы управления ими.
Проект ускорительно - накопительного комплекса УНК предусматривал создание в 21-км тоннеле первой ступени ускорителя на 600 ГэВ на базе теплых магнитов, а также второй ступени на энергию 3 ТэВ на базе сверхпроводящих (СП) магнитов [13]. При этом действующий синхротрон У-70 использовался бы в качестве инжектора (рис. 2).
Предполагалось, что разработка, исследование, производство и испытания СП-магнитов будут осуществлены силами ИФВЭ [14], в то время как криогенный комплекс для обеспечения СП-магнитов жидким азотом и гелием создавался в основном силами НПО «Криогенмаш», г. Балашиха [15]. Разработка в ИФВЭ теплых и СП-магнитов и другого оборудования предопределила создание значительного числа (более 10) исследовательских и испытательных стендов.
1. Комплекс каналов выведенных из ускорителя У-70 частиц (№№7,8,21,22,23).
2. Стенд исследования мишеней с большим удельным энерговыделением для каналов частиц УНК.
3. Стенд магнитных измерений магнитов каналов частиц УНК.
4. Криогенный стенд исследований прототипов СП-магнитов.
5. Криогенный погружной стенд исследования обмоток полномасштабных СП-магнитов.
6. Криогенный прокачной стенд исследования полномасштабных СП-магнитов.
7. Стенд магнитных измерений СП-магнитов.
8. Криогенный стенд «Криотрон» НПО «Криогенмаш», г. Балашиха.
9. Криогенный комплекс стенда испытания СП-магнитов УНК.
10.Стенд магнитных измерений теплых серийных магнитов УНК.
11.Стенд магнитных измерений серийных СП-магнитов.
12.Стенд исследования вакуумного оборудования УНК.
13.Высокочастотный сепаратор для получения пучков антипротонов для жидководородной пузырьковой камеры (ЖВПК) «Людмила». В составе современных автоматизированных систем измерения и управления условно можно выделить следующие основные уровни.
Вычислительные и коммуникационные средства с программным обеспечением (ПО). Вычислительные средства решает две основные задачи: а) программное управление процессом, б) интерфейс с оператором. Коммуникационные средства обеспечивают связь вычислительных средств разных уровней.
Электронные средства сопряжения объекта управления с ними. Информация об объекте, чаще аналоговая, собирается датчиками. Воздействие на регулируемый процесс осуществляется с помощью исполнительных механизмов. На этом уровне происходит сопряжение датчиков и исполнительных устройств, с одной стороны, вычислительных средств - с другой с помощью аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Условность такого разбиения состоит в том, что средства сопряжения становятся все более интеллектуальными, т.е., содержащими элементы вычислительной техники и ПО.
Задача создания для каждого объекта автоматизации системы управления со своей конфигурацией делает необходимым выбор принципов конфигурирования. При общности многих требований к системам управления различными объектами они все же могут сильно различаться в зависимости от назначения и масштабов объекта, количества каналов измерения и управления, сложности алгоритмов обработки, наличия готовых аппаратных и программных средств. Проблемы выбора и унификации базовых средств СУ особенно актуальны для таких уникальных по решаемым задачам, сложности, разнообразию и масштабам оборудования, как электрофизические установки и стенды ИФВЭ.
Общим для систем управления различными объектами является большой объем трудозатрат разработчиков для достижения качества системы, соответствующего требованиям пользователей. По оценке, которую сделал в 1991 году известный специалист в области автоматизации ускорителей Berend Kuiper [16], трудозатраты программистов при автоматизации ускорителя средних размеров составляют 500-1000 человеко-лет, при автоматизации крупного ускорительного комплекса - 2000-3000 человеко-лет. По общему признанию, затраты труда разработчиков интерфейсной электроники систем управления сопоставимы с затратами на разработку ПО. Отсюда видна огромная важность правильного, т.е. эффективного и экономного выбора средств и стратегии построения систем управления.
Целью диссертационной работы было создание набора тиражируемых унифицированных модульных средств и построение на их основе систем управления электрофизическим оборудованием каналов частиц и стендов ИФВЭ.
Системную часть набора образуют ЭВМ с их операционными системами (ОС), языки программирования, коммуникации, системы электронных модулей.
В задачи автора, как системного интегратора, входило максимально возможное привлечение коммерчески доступных средств. Однако в 80-е и ранние 90-е годы в силу ограниченности рынка вычислительной техники в ряде случаев приходилось, в дополнение к коммерческим, заказывать разработку специализированных ОС и языков программирования, и разрабатывать коммуникационные системы. Что же касается электронной аппаратуры, то в основном это были специализированные разработки как в рамках принятых стандартных систем, так и вне их, т.к. отечественный рынок интерфейсной аппаратуры практически не существовал.
Актуальность темы.
Последние несколько десятилетий фундаментальная наука и, в первую очередь, физика высоких энергий, требует все более сложных и дорогих приборов - ускорителей и экспериментальных установок для проведения исследований на них. В свою очередь, создание ускорителей на высокие и сверхвысокие энергии включает в себя разработку аппаратуры с предельными параметрами по точности, диапазону, надежности, а также исследования этой аппаратуры на специальных стендах. Эти исследования невозможны без комплексной автоматизации процессов измерения и управления.
Большое количество объектов, требующих одновременной автоматизации, широкий функциональный состав аппаратуры (магнитная,
вакуумная, криогенная, механическая), большой динамический диапазон и высокие требования к точности измерения и управления, а также распределенность управляемого оборудования на значительной площади требуют системного подхода к выбору структуры и созданию аппаратно-программных средств измерения и управления и определяют актуальность задачи разработки комплекса унифицированных средств для построения систем управления электрофизическими установками и стендами ИФВЭ.
Цель диссертационной работы - разработка комплекса унифицированных программно-аппаратных средств измерения и управления электрофизическим оборудованием и его применение для каналов выведенных из ускорителя частиц и стендов исследования и испытания электрофизической аппаратуры в ИФВЭ, повышение ее технических характеристик.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые предложен, создан и внедрен унифицированный набор программно-аппаратных средств для систем управления различными группами электрофизического оборудования на установках и стендах ИФВЭ.
1. Впервые в отечественной физике высоких энергий автоматизирована сложная система каналов выведенных из ускорителя пучков частиц.
2. Созданы системы управления стендами исследования и испытания мишеней с большим удельным энерговыделением и стендов исследования «теплых» и сверхпроводящих магнитов ускорительно-накопительного комплекса ИФВЭ.
3. Впервые в стране для обеспечения сверхпроводимости автоматизирован криогенный комплекс для получения жидкого азота и гелия.
4. Разработан ряд систем для первого в отечественной физике высоких энергий высокочастотного сепаратора для выделения чистых пучков частиц на жидководородную пузырьковую камеру «Людмила».
5. Разработана набор магистрально-модульной аппаратуры для построения систем управления электрофизическим и технологическим оборудованием.
Практическая ценность работы заключается прежде всего в том, что реализация ее обеспечила высококачественное и своевременное выполнение научной программы Института физики высоких энергий как в области экспериментов на ускорителе У-70, так и при разработке оборудования ускорительно-накопительного комплекса УНК. Разработаны единые решения для различного класса задач:
- научных, таких как управление каналом частиц или исследование характеристик теплых и сверхпроводящих магнитов;
- технических задач для научных применений, таких как автоматизация производства жидкого гелия;
- промышленных задач на базе разработок для электрофизического оборудования.
Ряд найденных в процессе работы научно-технических решений были использованы в практике создания и эксплуатации линейных ускорителей, других импульсных систем и разработки криогенного оборудования. Сюда относятся:
- стабилизация напряжения импульсного модулятора;
- исследование и улучшение характеристик импульсных трансформаторов;
- исследование и улучшение характеристик мощных клистронов;
- методика ввода в нагрузку большой высокочастотной мощности и удобное измерение ее;
- система управления стендом испытания криогенного оборудования.
Автор защищает
1. Проанализированные требования к системам управления электрофизическим оборудованием ускорительных и технологических установок, методы и средства измерения, допустимые погрешности и динамический диапазон измеряемых величин. Рассмотренные структура и вопросы организации вычислительных средств для систем управления, коммуникационного оборудования и протоколов обмена, а также требования к интерфейсной аппаратуре для сопряжения с объектами измерения и управления.
2. Разработанный и внедренный в составе систем управления электрофизических установок и стендов ИФВЭ набор унифицированной аппаратуры для:
- магнитных измерений и управления источниками питания магнитных систем;
- вакуумных измерений и управления вакуумным оборудованием;
- исследования мишеней с высоким удельным энерговыделением;
- измерения и управления параметрами криогенного оборудования;
- исследования характеристик сверхпроводящих магнитов.
3. Разработанную, созданную и внедренную в многолетнюю эксплуатацию систему управления комплексом каналов выведенных из ускорителя У-70 частиц для экспериментальных установок
«Мирабель», «Людмила», ФОДС, СВД, КМН. 4. Разработанное новое и улучшенные характеристики существующего оборудования высокочастотного сепаратора, обеспечившие повышение чистоты пучка антипротонов для ЖВПК «Людмила».
5. Разработанные и внедренные в эксплуатацию системы управления стендами магнитных измерений, исследования мишеней, исследования свойств сверхпроводящих магнитов, криогенного оборудования, обеспечившие наряду с другими мерами разработку магнитов УНК.
6. Разработанную систему управления криогенным комплексом, осуществленный автоматический режим работы при получении жидкого азота и гелия.
7. Разработанный и использованный в промышленности набор магистрально-модульной аппаратуры для построения систем управления электрофизическим и энергетическим оборудованием.
Апробация диссертации
Основные результаты опубликованы: в виде статей в журналах: «Журнал технической физики», «Приборы и техника эксперимента», «Электронная техника», «Электронные приборы», «Вопросы атомной науки и техники»; препринтов ИФВЭ, FNAL (США),
трудов конференций: 8h International Conference on High Energy Accelerators, CERN, 1971; International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems, Tsukuba, 1991, Chicago, 1995, Beijing, 1997, Trieste, 1999; Los Angeles, 2001, 7 Всесоюзного, 15, 17 Российских совещаний по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1982, Протвино, 1996, 2000; 3 и 4 Всесоюзного семинара по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях; Всесоюзных и Российских совещаниях по ускорителям заряженных частиц.
Материалы, вошедшие в диссертацию, свыше 10 лет использовались автором в учебном процессе со студентами кафедр 2 и 14 МИФИ.
