Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ускоритель-инжектор ЛИУ -2 8
1.1. Электронно-оптическая система 10
1.2. Система высоковольтного питания 14
1.3. Система диагностики электронного пучка 19
1.4. Задачи системы управления 27
Глава 2. Структура системы управления 31
2.1. Обзор существующих систем 31
2.2. Общая структура системы управления 34
2.3. Подсистема синхронизации и блокировок :
2.3.1. Синхронизация 37
2.3.2. Блокировки 42
2.4. Подсистема регистрации осциллограмм 44
2.4.1. Восстановление сигналов с емкостных делителей 47
2.5. Подсистема управления модуляторами и технологическими
устройствами 51
Глава 3. Аппаратные средства 55
3.1. Выбор стандарта 55
3.2. Процессорный модуль и периферийные устройства 58
3.3. Аппаратура подсистемы синхронизации и блокировок
3.3.1. DL200-ME 59
3.3.2. Плата формирователя Ф16 63
3.4. Аппаратура подсистемы регистрации осциллограмм 65
3.4.1. ADC812-ME з
3.4.2. ADC200-ME 71
Глава 4. Опыт эксплуатации ЛИУ-2 и проект автоматизации ЛИУ-20 78
4.1. Опытная эксплуатация системы 78
4.2. Алгоритмы анализа стабильности работы установки 84
4.3. Проект системы управления ЛИУ-20
4.3.1. Подсистема синхронизации 96
4.3.2. Подсистема регистрации осциллограмм 102
Заключение
- Система высоковольтного питания
- Подсистема синхронизации и блокировок
- Процессорный модуль и периферийные устройства
- Проект системы управления ЛИУ-20
Система высоковольтного питания
В ускорителе используется диспенсерный катод диаметром 190 мм, который имеет рабочую температуру от 950 до 1100 С. Питание нагревателя осуществляется источником питания накала катода, который выдаёт переменный ток на частоте 2 кГц и имеет максимальную выходную мощность 3, б кВт. За 1 мс до импульса нагреватель катода необходимо отключить на несколько миллисекунд, чтобы исключить влияние магнитного поля нагревателя на качество формируемого катодом пучка.
Для нормальной эксплуатации катода, вакуум в ускорителе должен быть не хуже 5-Ю-8 Торр, для создания такого вакуума используются магнитораз-рядные насосы типа НМД с суммарной производительностью 900 л/с. Необходимо контроллировать вакуум и отключать нагрев катода в случае превышения предельного давления.
За диодной пушкой на оптимальном расстоянии располагается ускоряющая структура, удваивающая энергию сформированного пучка. За ускоряющей системой расположена фокусирующая система состоящая из четырёх импульсных аксиальных магнитных линз и трёх двухкоординатных диполь-ных корректоров. Линзы выполнены способом, максимально уменьшающим величину сферической абберации. Первая линза, обеспечивающая согласование ускоряющей системы с последующим каналом транспортировки пучка располагается таким образом, чтобы её магнитная ось совпадала с осью ускоряющей секции с точностью 0,2 мм и 0,001 рад. За первой, второй и третьей линзами расположены дипольные корректоры, компенсирующие отклонение пучка в паразитных внешних магнитных полях и направляющие его в центр последующей линзы. Последняя, четвёртая линза используется для окончательной фокусировки пучка на мишени.
Мишень представляет собой вращающийся в вакууме диск с закреплёнными на нём 18 танталовыми пластинами толщиной 0.5 мм каждая. При попадании злеісгронного пучка в танталовую мишень происходит его конверсия в рентгеновский пучок. При этом, в месте попадания пучка пластина расплавляется, и перед следующим выстрелом необходимо повернуть диск. Поворот диска осуществляется шаговым двигателем через магнитную подвеску. Оценить размер источника рентгеновского излучения можно по отпечатку пучка на мишени, который можно зарегистрировать через встроенное в объем ва 14 куумное окно. На рис. 1.19 показана фотография мишенного узла и цилиндра Фарадея. Наличие магнитного поля в диодной пушке (особенно на эмитирующей поверхности катода) приводит к росту эмиттанса пучка и соответственно делает невозможной фокусировку пучка на мишени до требуемого размера, поэтому у диодной пушки инжектора ЛИУ нет внешнего магнитного поля. Для минимизации магнитного поля, создаваемого линзами на поверхности катода, они расположены достаточно далеко от диодной пушки инжектора.
Питание корректоров осуществляется постоянным источником тока. Питание линз осуществляется четырьмя однотипными импульсными источниками. Отсутствие тока корректора, или импульса тока на одной из линз приводит к расфокусировке пучка.
Задачей импульсной системы высоковольтного питания является формирование импульса размагничивания положительной полярности и двух последовательных прямоугольных импульсов отрицательного напряжением 21 кВ на индукторах. Разработкой импульсной системы питания для ЛИУ-2 занимались: А. В. Акимов, П. А. Бак, А. А. Елисеев, А. А. Корепанов, А. Н. Панов, А. А. Пачков. На рис. 1.4 представлена блок схема, демонстрирующая основные элементы импульсной системы.
Импульсная система высоковольтного питания состоит из 48 модуляторов, питание которых осуществляется от двух зарядных устройств (ЗУ-1, ЗУ-2). Модулятор представляет собой унифицированный блок, способный работать независимо и формировать на своей нагрузке (индукторе) импульсы требуемой формы. Каждый модулятор обеспечивает работу двух параллельно включенных индукторов в режиме с двумя последовательными им зам пульсами. Все модуляторы подключены к зарядным устройствам параллель-но.Модуляторы установлены в восемь однотипных стоек, расположенных в один ряд возле электронно-оптической системы ускорителя, зарядные устройства расположены в отдельном помещении (см. рис. 1.5).
Подсистема синхронизации и блокировок
Как уже упоминалось, системам управления линейными индукционными ускорителями для рентгенографических комплексов посвящено малое количество литературы. Приведём здесь краткий обзор тех источников, которые удалось обнаружить.
В статье [16] описана система управления DARHT (Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test Facility) - DAAAC (Data Acquisition Archival Analysis and Instrument Control System), представляющая собой распределённую систему, базирующуюся на оборудовании выполненном в стандарте CompacrPCI. DAAAC содержит 26 станций сбора данных и 14 станций обработки и анализа процессов. Число осциллографических каналов превышает 1000, а число каналов синхронизации более 200. Большое количество данных, характеризующих работу установки, приводит к сложностям при определении готовности установки к эксперименту и выявлении причин неполадок. Можно отметить оригинальный подход к решению этой проблемы с помощью нейронной, сети применяемый на установке AIRTX [17].
ЛинеЙ1ть1Й_индукционный_ускоритель_СИЛУНДт21,-разрабатывавшийся в ОИЯИ, г. Дубна, для экспериментов по СВЧ электронике и ЛСЭ подобен ЛИУ, применяющимся для рентгенографии. Параметры установки: энергия пучка около 10 МэВ, пиковый ток порядка ПСА, ширина импульса 50 не, частота повторения - 50 Гц. В статье [19], посвященной проекту системы управления этой установкой выделяется три подсистемы: 80-канальная подсистема синхронизации, подсистема контроля за ускорителем со 100 каналами управления и мониторинга и подсистема диагностики пучка. Каждая из подсистем располагается в своём VME крейте, связь между которыми осуществляется по протоколу Ethernet. Формулируются следующие требования к системе управления: временная неустойчивость, обеспечиваемая подсистемой синхронизации должна быть меньше 1 не; подсистема контроля за ускорителем должна предоставить возможность измерения параметров аналоговых сигналов длительностью от 1-100 не с большой точностью; элементы системы управления должны обеспечивать стабильную работу в условиях наводок от высоковольтных импульсных устройств.
В докладе [18] рассматривается модернизация системы управления уста 33 новкой FXR. В приложении Б приведена схема системы управления комплексом FXR образца 90-ых годов. На рис. 2.1 приведена структурная схема модернизированной системы управления. Система управления подразделяется на подсистему синхронизации, диагностическую подсистему, подсистему управления технологическими устройствами и подсистему управления источниками питания. В подсистеме управления источниками питания индукторов и фокусирующих элементов используются крейты VME. Подсистема управления технологическими устройствами основана на программируемых логических контроллерах (PLC) 801 BMCS и Modicon. Подсистема синхронизации обеспечивает срабатывание элементов установки таким образом, чтобы рентгеновское излучение появлялось в нужной фазе гидродинамического эксперимента. В качестве программного обеспечения используется LabVIEW, Bridge VIEW и разработанный модуль архивирования данных и (Datalogging & Supervisory Control).
Диагностическая подсистема, схема которй представлена на рис. 2.2 включает 5 крейтов с оборудованием фирмы Acquiris и обеспечивает 150 осцилло-графических каналов для слежения за системой импульсного питания, параметрами пучка и рентгеновскими датчиками. Крейты диагностической под системы, расположенные в непосредственной близости от ускорителя размещаются в экранирующих боксах так, как это показано на рис. 2.3.
Построение структуры системы контроля и управления начнём с оценок количества управляющих и измерительных каналов. Прежде всего, каждый модулятор подключен к шине CAN для организации взаимодействия с устройствами внутри модулятора. Далее, функционирование модулятора в быстрой фазе требует подачи 6 запускающих импульсов, таким образом, необходимо обеспечить поступление синхроимпульсов на 288 входов (6 6 8). Количество осциллографических каналов необходимых для отслеживания состояния системы импульсного питания также велико: 96 каналов для регистрации формы токов и напряжений и столько же каналов для регистрации «технологических» сигналов модулятора. Кроме того, к ним следует добавить каналы пучковых диагностик: цилиндра Фарадея, трансформаторов тока, и т.д.
Таким образом, на один метр имеющей линейную структуру установки приходится большое количество управляющих и измерительных устройств, которые не могут быть отнесены от объектов управления на заметное расстояние вследтвие жёстких требований на стабильность синхронизации и точность регистрации формы импульсов. Разумным решением в таком случае является разделение системы управления на отдельные функционально законченные узлы, распределение этих узлов вдоль установки в непосредственной близости от оконечных исполнительных устройств.
Процессорный модуль и периферийные устройства
Рассмотрим аппаратные средства системы управления. Исходя из структуры, описанной в предыдущей главе, логичным является использование ма-гистрально-модульного стандарта для объединения разнородных устройств в контроллере секции или центральном контроллере [22]. Использование ма-гистрально-модульного стандарта также позволит упростить переконфигурацию системы при необходимости. На настоящий момент существует большое количество промышленных магистрально-модульных стандартов, наибольшее распространение среди них в задачах автоматизации получили: КА-МАК, VME, CompactPCI, PXI. Выбор стандарта определяет номенклатуру используемых блоков, способы сопряжения с блоками других стандартов, сложность последующей поддержки системы управления. КАМАК основан на устаревшей элементной базе, и в последнее время от этот стандарт не используется для новых систем управления. Кроме того, при модернизации старых систем управления его заменяют другими стандартами. Учитывая большой предполагаемый срок службы ЛИУ (порядка 20 лет), выбор встал между использованием VME [23], CompactPCI [24] и PXI [25].
Проведём оценку количества информации, которую необходимо сохранять и обрабатывать при каждом выстреле, чтобы понять, какие ограничения накладываются на вычислительную мощность и скорость шины. В секционном контроллере ведётся запись 12 "быстрых" сигналов, по 2 байта на отсчёт, длиной от 100 отсчётов (в режиме с одним выстрелом), до 3000 (в двухимпульсном режиме). Таким образом, объём информации о поведении токов и напряжений на индукторах за выстрел составляет не более 70 Кбайт. 12 "Медленных" каналов (зарядные напряжения на формирующих линиях и напряжение размагничивания) требуют порядка 20 103 отсчётов по 2 байта на отсчёт, что даёт 480 Кбайт. В сумме, объём информации за выстрел порядка 700 Кбайт. Задержка между выстрелами, которая определяется временем подготовки зарядного устройства составляет 10-15 с. Следовательно, скорость передачи и обработки информации должна быть не менее 70 Кб/с, для 32-битной шины получаем 18 103 слов в секунду. Это ограничение для двухтактной шины с мультиплексированием адрес/данные выразится в том, что её частота должна быть больше 36 КГц. Очевидно, что столь малый объём данных при любых разумных манипуляциях с ними не накладывает никаких ограничений на выбор шины и процессора.
Выбор между VME, CompactPCI и PXI, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки был сделан в пользу CompactPCI. В качестве одного из преимуществ CompactPCI можно отметить, что этот стандарт, являясь расширением PCI позволяет использовать стандартное программное обеспечение для процессоров семейства Х86. В отличии от шины PXI, которая широко продвигается и поддерживатеся в основном фирмой National Instruments, оборудование в стандарте CompactPCI выпускает множество компаний . Нивелировать возможные неудобства такого выбора позволило использование мезанинного стандарта PCI Mezzanine Card (PMC). Существуют платы-носители для РМС плат в стандартах VME, CompactPCI, PXI. Это позволит использовать разработанную электронику и для других задач в институте, в частности при модернизации существующих систем управления. Подобная плата носитель была разработана даже в стандрате КАМАК. Использование РМС для электроники системы управления также позволяет помещать большее количество блоков в один крейт.
Рассматривая различные возможности оснащения системы автоматизации ЛИУ аппаратными средствами, самостоятельная разработка носителей мезонинных плат, цифровых регистраторов сигналов, программируемых линий задержки, вспомогательных модулей была сочтена наиболее подходящим способом решения задачи. Модули процессора и мезонинные платы CAN адаптеров было решено приобрести. Принятое решение обладает следующими преимуществами:
Экономической целесообразностью. Из табл. 3.1, где приведены сравнительные стоимости для разработанных модулей и модулей, доступных на рынке, видно что самостоятельная разработка, при условии достаточного объёма производства, обеспечила более чем десятикратную экономию. В качестве аналогов для сравнения стоимости рассматривались следующие модули: модуль Acquiris U1066A [26], использованный в СУ DARHT [16] или N1 PXI 5124 [27], как 200 МГц, 12 бит анало-гово-цифровые преобразователи; модуль N1 PXI 5105 [28], как многоканальный 4 МГц 12-битный преобразователь; прибор Stanford DG535 [29], использованный в СУ DARHT как таймер с дискретностью 5нс.
Возможностью усовершенствования разработанной аппаратуры с целью улучшения живучести. Электронные устройства, о которых идёт речь, имеют непосредственную связь с мощными высоковольтными элементами, поэтому вероятность повреждений при высоковольтных пробоях, особенно на этапе наладки ускорителя, весьма высока. Самостоятельная разработка позволяет вводить в схемы необходимые изменения и довести стойкость устройств до нужных показателей. Разработанное оборудование, основанное на современных стандартах, можно применять при создании и модернизации других систем управления в институте. Ниже будут описаны как отдельные подсистемы, так и входящие в их состав устройства.
Проект системы управления ЛИУ-20
Опыт эксплуатации ЛИУ-2 показал, что заложенная возможность создания сложной логики блокировок, ради которой подсистемы блокировок и синхронизации были объединены оказалась не востребованной. Единственно разумным подходом оказалось считать отказ любого из элементов установки за отказ всей системы. Кроме того, единственным импульсом, который фактически требуется запрещать является импульс ГСО. Поэтому на установке ЛИУ-20 подсистемы синхронизации и блокировок планируется разделить, причём подсистема блокировок будет нацелена на определение работоспособности всех элементов с целью подачи разрешения на старт опыта. На основе анализа систем синхронизации современных ускорительных комплексов [41-44], можно выделить несколько новых принципов. Во-первых, локальное тактирование и запуски модулей в крейтах осуществляются по специально выделенным линиям на backplan e. Во-вторых, событийный (Event-based) подход, использующий интеллектуальные синхронизационные устройства, которые вместе с синхроимпульсом передают некоторую информацию, к примеру, о типе устройств, которые требуется стартовать. Такой подход значительно уменьшает количество кабелей, требующихся для передачи сигналов синхронизации, а таюке делает возможной переконфигурацию системы программным способом без аппаратной переконфигурации. В-третьих, благодаря развитию элементной базы возможен подход, при котором на оконечных устройствах, раздающих запуски исполнительным устройствам, синхронизуются счётчики, позволяя получить синхронно идущие часы.
На установке ЛИУ-20 требования по точности подстройки синхроимпульсов аналогичны требованиям к системе синхронизации ЛИУ-2. Однако требуется обеспечить синхронизацию гораздо большего количества устройств, к тому же разнесённых территориально намного дальше (порядка 200 м). Это обстоятельство делает подход с ручным вычислением задержек между генераторами синхроимпульсов и добавлением соответствующих сдвижек трудно осуществимым. Кроме того, как уже упоминалось, большое количество кабелей и отсутствие локальных линий синхронизации вызывало неудобства при опытной эксплуатации ЛИУ-2. Опыт синхронизации со сторонними системами (ГСО в случае ЛИУ-2), показывает, что аппаратная переконфигурация системы таймирования может потребовать разработку дополнительных модулей, что может привести к значительным временным и трудозатратам. В свете того, что для использования совместно с ЛИУ-20 планируетя разработать современный комплекс регистрации рентгеновского излучения, желательно максимально упростить возмолшую переконфигурацию подсистемы синхронизации .
Рассмотрим способ синхронизации часов и реализации event-based подхода. Представим себе, что у нас есть два устройства с генераторами тактовой частоты и синхронный канал связи между ними (см. рис. 4.10). Под синхронным каналом здесь понимается такой канал, по которому данные между модулями передаются строго привязанным к таїсговой частоте образом. В настоящий момент есть следующие стандарты синхронных каналов связи: Synchronous Ethernet, РТР [45]. Особенностью всех современных используемых систем синхронных каналов является использование одного и того же (обычно оптического) канала для передачи данных и тактовых импульсов. Это достигается либо модуляцией тактовой частоты, либо выделением тактовой частоты из потока данных, передающихся равновесным кодом.
Рассмотрим процесс синхронизации часов между разнесёнными модулями, которую можно осуществить следующим образом. Во-первых, используя тактовую частоту, передающуюся по каналу синтонировать (synthonize) осцилляторы в обоих модулях, т.е. обеспечить одинаковость их частоты. Это можно сделать, используя схемы ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты -PLL), в частности ЦФАПЧ. Во-вторых, передавая сообщения, строго привязанные к частоте передачи, можно вычислить разницу показаний часов между модулями и вычитая эту разницу, полностью синхронизовать часы в обоих модулях.
К примеру, этого можно достичь следующей процедурой. Модуль 1 посылает сообщение о калибровке модулю 2, при этом запомнив время его отправки Ті по своим часам. Модуль 2 приняв это сообщение, расшифровывает его за строго заданное время (для простоты положим что он делает это мгновенно) и передаёт модулю 1 в сообщении показание своих часов Т . По часам первого модуля, это сообщение приходит в момент времени Ті . Тогда, вычислив задержку передачи 5Т = T2 Tl, можно вычислить разницу показаний часов в модулях AT = Т — Т\ + 5Т и передать эту задержку во второй модуль для коррекции показаний его часов. В действительности, процедура, которую тербуется применять, более сложна, т.к. симметричность канала передачи в обе стороны не обязательна, а также требуется учитывать время расшифровки, обработки и кодирования сообщений.
