Содержание к диссертации
Введение
1 Принципы автоматизации масс-спектрометрических приборов 15
1.1 Обзор шин промышленной и лабораторной автоматизации 15
1.2 Современные fieldbus-системы 24
1.3 Особенности программного обеспечения систем автоматизации 30
1.4 Открытые системы и проблемы стандартизации 34
1.5 Структура и функционирование сети CAN 36
1.5.1 Область применения и технические характеристики CAN 36
1.5.2 Принципы работы CAN 38
1.5.3 Сравнение CAN с другими сетями 39
1.5.4 Стандарты CAN 40
1.5.5 Формат кадра сообщения CAN 43
1.5.6 Управление ошибками в протоколе CAN 44
1.6 Выводы к главе 46
2 Структура и функционирование комплекса средств управления масс-спектрометром (КСУМ) 48
2.1 Структура КСУМ и организация информационного обмена 49
2.2 Канал регистрации ионных токов 50
2.2.1 Блок регистрации токов 50
2.2.2 Блок питания умножителя 52
2.2.3 Принцип действия КРИТ 54
2.3 Канал питания электромагнита анализатора 55
2.3.1 Блок питания магнита 55
2.3.2 Блок стабилизации индукции 57
2.3.3 Принцип действия КПЭА 58
2.4 Канал питания газового источника ионов 58
2.4.1 Блок высокого напряжения 59
2.4.2 Блок питания источника 59
2.4.3 Принцип действия КПГИИ 60
2.5 Канал индикации вакуума 61
2.5.1 Контроллер системы откачки 61
2.5.2 Блок индикации форвакуума 62
2.6 Блок управления клапанами 62
2.7 Программное обеспечение сетевых контроллеров 65
2.8 Протокол прикладного уровня 68
2.8.1 Адресация узлов сети и распределение идентификаторов 68
2.8.2 Способы вызова и типы сообщений 69
2.8.3 Фрагментированные сообщения 70
2.8.4 Системные сообщения 71
2.8.5 Прикладные сообщения 74
2.9 Оценка эффективности КСУМ... 82
2.9.1 Оценка стабильности работы электронных схем 82
2.9.2 Производительность системы информационного обмена 83
2.10 Выводы к главе 85
Методы и алгоритмы обработки масс-спектрометрических данных 87
3.1 Управление разверткой магнита анализатора 88
3.2 Разделение перекрывающихся масс-спектрометрических пиков 92
3.3 Аппроксимация масс-спектров методами вейвлет-анализа 95
3.3.1 Обзор методов аппроксимации данных 95
3.3.2 Разновидности вейвлет-анализа и свойства вейвлетов 97
3.3.3 Быстрое вейвлет-преобразование 98
3.3.4 Обработка масс-спектров с помощью вейвлет-фильтра 102
3.4 Способ учета фактора «памяти» масс-спектрометра 105
3.5 Выводы к главе 109
Структура и функционирование ПК МТИ-350Г 111
4.1 Структура ПК МТИ-350Г 112
4.1.1 Модуль управления техническими средствами МТИ-350Г 113
4.1.2 Модуль «Тесты» 114
4.1.3 Модуль «Котировочная среда» 115
4.1.4 Модуль «Измерения» 116
4.1.5 Модуль «Общие настройки» 117
4.2 Автоматизация процесса измерений изотопного состава урана 118
4.2.1 Круглосуточный график измерений 120
4.2.2 Алгоритм измерения перепада давлений в технологической трассе 121
4.2.3 Автоматические измерения изотопного состава урана 122
4.3 Передача результатов измерений в сетевую базу данных 135
4.4 Защита информации от несанкционированного доступа 136
4.5 Результаты испытаний ПК МТИ-350Г 137
4.6 Выводы к главе 139
Заключение 140
Литература 143
- Особенности программного обеспечения систем автоматизации
- Программное обеспечение сетевых контроллеров
- Обработка масс-спектров с помощью вейвлет-фильтра
- Автоматизация процесса измерений изотопного состава урана
Введение к работе
Масс-спектрометрия является сегодня одним из наиболее надежных, информативных и чувствительных аналитических методов. Масс-спектрометрические приборы незаменимы во многих областях науки и техники, в том числе, они широко используются в атомной промышленности.
В настоящее время для анализа изотопного и элементного состава продукции разделительных предприятий применяются в основном масс-спектрометры Сумского завода электронных микроскопов и масс-спектрометров (ОАО «SELMI», Украина). Учитывая значительный износ парка масс-спектрометров и стратегическую важность этих приборов для атомной отрасли, руководством Минатома РФ было принято решение об организации российского производства масс-спектрометрического оборудования. В соответствии с этим решением была разработана долгосрочная программа разработки специализированных масс-спектрометров различного назначения. Первым и базовым прибором этой серии стал масс-спектрометр МТИ-350Г, предназначенный для анализа изотопного состава урана в газовой фазе [1-8].
Специфика масс-спектрометрического контроля технологического процесса на УЭХК, как и на других разделительных предприятиях отрасли, предусматривает автоматическое и круглосуточное определение содержаний изотопов 234U, 235U, 236U и 238U. Отбор проб в форме гексафторида урана UF6 осуществляется «на протоке» по газопроводам, соединяющим технологические коммуникации с масс-спектрометром. При этом предъявляются исключительно высокие требования экспрессности анализов, точности и воспроизводимости результатов измерений. На масс-спектрометре МТИ-350Г эти требования достигаются за счет использования многоколлекторного приемника ионов, стандартных образцов изотопного состава урана (СОИСУ или СО) и строгого выполнения операции, предусмотренных регламентом измерений.
С учетом специфики решаемой задачи, важнейшая роль в составе масс-спектрометра МТИ-350Г отведена аппаратным и программным средствам, образующим измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) прибора, который позволяет обеспечить полную автоматизацию измерений, реализовать эффективные методы обработки данных для достижения высоких аналитических характеристик прибора, осуществлять непрерывный контроль работоспособности технических средств, интегрировать масс-спектрометр в существующую схему АСУТС.
Учитывая высокую стоимость прибора, длительный срок эксплуатации масс-спектрометра МТИ-350Г (10 лет), а также будущую необходимость создания на его базе масс-спектрометров различного назначения, можно показать, что жизненный цикл такого прибора составляет не менее 20-30 лет. Вместе с тем, стремительное совершенствование компьютеров, микропроцессоров, коммуникационной техники и программного обеспечения (ПО) приводит к быстрому моральному старению аппаратных и программных средств автоматизации. Многие технические решения, отработанные при разработке масс-спектрометров 15-20 лет назад, в настоящее время безнадежно устарели и не могут быть использованы в новом современном приборе. На смену им приходят принципиально новые современные технологии, однако их огромное разнообразие и агрессивная реклама со стороны производителей средств автоматизации делают выбор интерфейса разрабатываемого прибора стратегически сложной задачей.
Таким образом, актуальность темы диссертации определена острой необходимостью разработки специализированных масс-спектрометров российского производства для атомной отрасли и обязательным требованием автоматизации этих приборов на современном техническом уровне, с учетом специфики области применения и необходимости долговременного развития.
Идеологии приборной автоматизации в настоящее время кардинально меняются. Это связано, прежде всего, с появлением новых шинных интерфейсов, задающих общую концепцию построения систем автоматизации.
Подавляющее большинство зарубежных масс-спектрометров, эксплуатирующихся в Центральной заводской лаборатории УЭХК (производства фирм Thermo Firmigan, Perkin-Elmer, VG Elemental, ОАО «СЕЛМИ») [9-16], имеют централизованную архитектуру систем управления, базирующуюся на одном (центральном) вычислительном устройстве. Это, как правило, параллельные интерфейсы, основные недостатки которых заключаются в дороговизне и громоздкости коммуникаций, ненадежности многоконтактных разъемов, неустойчивости к внешним помехам. Уникальность устройств сопряжения с ЭВМ, а также сложность и несовершенство коммуникационных протоколов вызывают серьезные трудности при модернизации таких систем и поиске неисправностей. Высокая степень централизации управления, постоянная загрузка управляющей ЭВМ задачей связи с техническими средствами масс-спектрометра значительно ограничивают потенциальные возможности прикладного программного обеспечения и требуют использования специфичных и дорогих операционных систем реального времени (ОСРВ).
Анализ развития технологий автоматизации показывает, что для сложного технологического прибора, каким является МТИ-350Г, предпочтительна организация распределенного управления, при котором каждый блок является заменяемым и независимым от других и обладает собственным контроллером, реализующим сетевой интерфейс [17].
Именно распределенные системы занимают сегодня доминирующее положение на рынке средств промышленной и лабораторной автоматизации и темпы их развития показывают, что в ближайшие годы они окончательно вытеснят с рынка централизованные системы. Такая тенденция связана с быстрым развитием и удешевлением микропроцессорной техники и следующими очевидными преимуществами распределенных систем над централизованными: значительным снижением стоимости коммуникаций; уменьшением помех, а значит, повышением надежности системы; - увеличением гибкости системы, упрощением ее дальнейшего развития и модернизации; - уменьшением сроков и стоимости разработки системы.
Кроме того, принцип распределенного управления позволяет эффективно воплощать в жизнь идеи открытых систем, что дает возможность быстро и с малыми затратами создавать эффективные решения практически для любых прикладных областей за счет системной интеграции разнообразного оборудования различных производителей.
Аналогичные тенденции можно выявить в развитии программного обеспечения для современных автоматизированных систем. Поскольку прикладное ПО неразрывно связано с управлением прибором, то вместе с развитием шинных интерфейсов меняются и принципы взаимодействия с техническими средствами. Быстрое развитие современной компьютерной техники служит основой развития новых вычислительных методов и алгоритмов, которые представляют эффективный аппарат для решения многих задач, но не были востребованы ранее из-за недостатка мощности ЭВМ.
Круг задач автоматизации сегодня стремительно расширяется, вызывая появление новых методов и алгоритмов обработки данных. Однако подавляющее большинство этих технических решений лежит в области коммерческих интересов фирм-производителей оборудования и программных средств, поэтому для успешной реализации ИВК МТИ-350Г необходима собственная разработка математического, методического, алгоритмического аппарата и прикладного ПО.
Целью данной работы является разработка комплекса аппаратных средств, математических методов, программных алгоритмов и прикладных методик получения и обработки информации, обеспечивающего настройку, тестирование и комплексную диагностику прибора, автоматическое выполнение анализов и интегрирующих масс-спектрометр МТИ-350Г в существующую АСУТС УЭХК. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи: определить концепцию построения ИВК МТИ-350Г, выбрать шинный интерфейс для автоматизации прибора; разработать коммуникационный протокол и устройства сопряжения технических средств масс-спектрометра с управляющей ЭВМ; разработать математический и алгоритмический аппарат для обработки масс-спектрометрической информации, учитывающий специфику области применения прибора; разработать алгоритмы автоматизации измерений и адаптировать их для нового масс-спектрометра МТИ-350Г; разработать, отладить и внедрить программный комплекс (ПК), реализующий математический и алгоритмический аппарат измерений.
Каждая из этих задач может представлять самостоятельный интерес в соответствующей области знаний, однако для успешного решения конечной задачи автоматизации масс-спектрометра, они обязательно должны рассматриваться в комплексе.
Научная новизна работы состоит в следующих положениях: обоснована и реализована принципиально новая концепция автоматизации масс-спектрометра на базе современной промышленной сети CAN (Controller Area Network), обеспечивающая перспективы для создания, развития и долговременного сопровождения всей серии масс-спектрометров различного назначения МТИ-350; создан комплекс аппаратно-программных средств управления масс-спектрометром МТИ-350Г, обеспечивающий распределенную систему управления и широкие возможности при работе с прибором; предложен и реализован новый способ управления магнитом анализатора МТИ-350Г, позволяющий повысить точность идентификации масс; предложен и реализован оригинальный метод разделения частично перекрывающихся масс-спектрометрических пиков с использованием СОИСУ, учитывающий реальную форму пика и возможные изобарические наложения; — для обработки масс-спектров применен и адаптирован к конкретной прикладной задаче математический аппарат вейвлет-анализа; предложен и реализован оригинальный способ учета фактора «памяти», позволяющий повысить точность определения минорных изотопов 234U, 236U при измерениях многолучевым методом; впервые создан ИВК МТИ-350Г, полностью автоматизирующий процесс анализа изотопного состава урана, и поддерживающий все сервисные функции необходимые для работы прибора, как в лабораторных условиях, так и в условиях контроля технологического процесса обогащения урана.
Практическая ценность работы состоит в том, что: создан автоматизированный ИВК МТИ-350Г, работоспособность и эффективность которого подтвердили метрологические испытания и Государственные приемочные испытания масс-спектрометров МТИ-350Г;
ПК МТИ-350Г унифицирован с разработанными автором программными комплексами газовых изотопных масс-спектрометров МИ-1201 всех модификаций, эксплуатирующихся на УЭХК [18,19]; реализованы математические методы, алгоритмы, аппаратные и программные средства, которые могут быть использованы для разработки последующих типов (твердофазного [20], примесного, сублиматного) масс-спектрометров на базе МТИ-350Г.
На защиту выносятся:
Принцип построения и структура системы автоматизации масс-спектрометра МТИ-350Г.
Алгоритмы управления техническими средствами МТИ-350Г.
Протокол прикладного уровня сети CAN, описывающий функциональность и взаимодействие технических средств масс-спектрометра.
Способ прецизионного управления разверткой магнита анализатора МТИ-350Г.
Метод разделения перекрывающихся масс-спектрометрических пиков с использованием СОИСУ.
Реализация метода цифровой фильтрации масс-спектров на основе быстрого вейвлет-преобразования.
Способ учета фактора «памяти» масс-спектрометра при измерениях минорных изотопов 234U, 236U четырехлучевым методом.
Структура и функциональная схема ПК МТИ-350Г.
Алгоритмы автоматизации измерений изотопного состава урана в газовой фазе на масс-спектрометре МТИ-350Г.
Диссертация содержит 152 страницы основного текста, 30 рисунков, 21 таблицу, 110 библиографических ссылок и 3 приложения на 15 страницах.
Диссертация состоит из четырех глав.
В первой главе рассмотрены современные технологии автоматизации применительно к масс-спектрометрическим приборам. Описаны схемы автоматизации зарубежных масс-спектрометров, эксплуатирующихся в Центральной заводской лаборатории УЭХК. Определены основные достоинства и недостатки этих схем. Выделены тенденции в развитии шинных интерфейсов и программного обеспечения современных систем промышленной и лабораторной автоматизации. Проведен сравнительный анализ распределенных систем на базе полевых шин. Подробно рассмотрены стандарты, технические характеристики и основные аспекты функционирования сети CAN.
Во второй главе описана структура комплекса средств управления масс-спектрометром МТИ-350Г и принципы его функционирования. Представлен разработанный протокол прикладного уровня, который определяет принципы адресации узлов и распределение идентификаторов, способы вызова и типы сообщений, фрагментацию сообщений, перечень системных и прикладных сообщений устройств управления масс-спектрометром МТИ-350Г.
Третья глава посвящена методам обработки масс-спектрометрических данных. Рассмотрены методы обработки данных, построенные на базе линейного регрессионного анализа и на основе перспективного направления вычислительной математики - вейвлет-анализа, а также новый способ учета фактора «памяти» прибора при измерениях четырехлучевым методом. Опи-
14 сан математический аппарат используемых методов и алгоритмы их реализации, а также приведены примеры их использования.
Четвертая глава содержит материал, посвященный структуре и функционированию программного комплекса, его интеграции в существующую схему АСУТП. Подробно рассматриваются функциональные схемы программных модулей и алгоритмы автоматических измерений изотопного состава урана в газовой фазе.
Апробация и публикации.
Материалы диссертации докладывались на заседаниях Координационного научно-технического совета по масс-спектрометрии (КНТС-М) Минатома РФ в 2000-2003 годах, VI симпозиуме по геохимии изотопов (г. Москва, 2001 г.) [4], 14-ой ежегодной конференции Ядерного Общества России (г. Удомля, 2003 г.) [1], 16-ой Уральской конференции по спектроскопии (Новоуральск, 2003 г.). Результаты работы опубликованы в восьми статьях научно-технических журналов [2,3,5,7,8,17,18,20], двух сборниках докладов [1,4], пяти отчетах о НИР [6,21-24].
Особенности программного обеспечения систем автоматизации
Специфика аппаратных средств систем автоматизации определяет ключевые особенности программного обеспечения, применяемого в этой сфере. Быстродействие систем автоматизации должно быть адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля и управления. Иначе говоря, большинство систем автоматизации относится к системам реального времени (СРВ) [49,50].
Различают системы реального времени двух типов - «жесткого» и «мягкого» реального времени. Системы «жесткого» реального времени не допускают задержек реакции ни при каких обстоятельствах, т.к. стоимость опоздания может оказаться бесконечно велика. К системам «жесткого» реального времени относятся бортовые системы управления, системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий. Системы «мягкого» реального времени характеризуются тем, что задержка реакции не является критическим фактором, хотя может увеличивать стоимость достижения результата работы и уменьшать производительность системы в целом.
Ориентация на режим реального времени предполагает использование в системах автоматизации операционных систем (ОС) соответствующего типа. Строго говоря, самые популярные в России операционные системы Windows 98/NT/2000/XP не являются операционными системами реального времени. Хотя ОС Windows NT/2000/XP в принципе способна обеспечить гарантированное время реакции 5-10 мс, на практике эта характеристика зависит от используемых драйверов, режима подкачки страниц и множества других факторов [51]. Более того, механизм обработки прерываний Windows имеет принципиальные особенности, которые мешают использовать эту ОС в приложениях «жесткого» реального времени. Представленные на рынке программные средства для работы в реальном времени можно условно разделить на две категории: - операционные системы, специально разработанные для работы в реальном времени (ОСРВ); - надстройки над операционными системами общего назначения, поддерживающие работу в реальном времени. К первому типу можно отнести относительно недорогие системы OS9, QNX, стоимостью до 10 тыс. долларов, и дорогие системы стоимостью порядка 20 тыс. долларов, в частности VxWorks. ОСРВ включают в себя развитые и удобные специализированные средства отладки, что позволяет сократить продолжительность разработки, особенно при построении сложных систем реального времени, для которых требуется отладка нескольких взаимодействующих процессов [50].
К программным средствам, расширяющим возможности ОС Windows для работы в реальном времени относят, например, подсистемы TA-Spox, RTX, Falcon, Hyperkemel [51]. Стоимость таких программных средств, как правило, существенно ниже стоимости ОСРВ.
Кроме собственно операционной системы, в статью затрат на программную часть проекта входят средства разработки, сама разработка (включая затраты на освоение системы), дальнейшая модификация проекта, необходимые лицензии, сопровождение и возможные риски. С учетом суммарных затрат стоимость программного проекта на основе ОСРВ несоизмеримо выше, чем проекта на основе ОС общего назначения (Windows, Unix). Кроме того, использование сложных в установке и настройке ОСРВ значительно сокращает число потенциальных покупателей разрабатываемой системы. Поэтому ведущие производители масс-спектрометрического оборудования стараются избежать применения ОСРВ, а вместо них используют иные программные и аппаратные средства. Например, на масс-спектрометрах типа Element-2 и
МАТ-95 фирмы Тепло Finnigan применена двухкомпьютерная схема, т.е. функции управления в реальном времени переложены на компьютер «нижнего» уровня, который работает под управлением однозадачной операционной системы MS DOS. Принцип переноса функций реального времени из центра (компьютера) на периферию (контроллеры) заложен в самой природе распределенных систем, поэтому именно распределенные системы во многих случаях могут быть реализованы без использования ОСРВ. Разработки промышленных приложений часто ведутся в SCADA-системах (Supervisory, Control And Data Acquisition - системы операторского контроля и сбора данных) [52,53]. Эти программные пакеты содержат большое количество типовых элементов для визуализации и управления технологическим процессом и позволяют разрабатывать программы в короткие сроки. Однако специфика SCADA-систем практически не позволяет применять их в масс-спектрометрии. Особенностями программного обеспечения масс-спектрометрических приборов являются: - работа с комплексом разнообразных технических средств; - специализированные средства визуализации и представления данных; - специальные математические методы обработки данных; - сложные методики измерений (необходимость во встроенном языке программирования); - специфические экспертные системы; - базы данных (БД), в том числе — распределенные. Программное обеспечение современных масс-спектрометров сочетает в себе требования к различным специализированным программным продуктам: средствам программирования виртуальных приборов, математическим пакетам, интерпретаторам языков программирования, системам управления базами данных и т.д. Каждый из таких программных пакетов несет несомненные преимущества для работы в своей области, однако их интеграция в рамках единого проекта чрезвычайно сложна, а с учетом требования высокой надежности, предъявляемого к технологическому прибору - просто невозможна. Кроме того, ориентация на узкоспециализированные программные средства не позволяет уверенно планировать долгосрочное развитие таких проектов. Поэтому наиболее целесообразной представляется разработка прикладных программ для масс-спектрометра на базе универсальных языков программирования высокого уровня (Си, Паскаль, Бейсик, Java и т.д.) с возможным привлечением дополнительных библиотек. Именно такой подход реализован на всех зарубежных масс-спектрометрах, эксплуатирующихся на УЭХК.
Существенную часть ПО систем автоматизации составляют микропрограммы логических контроллеров. Сегодня фирмы, производящие оборудование для систем автоматизации, всегда стараются сопровождать его набором программных инструментов, с помощью которых можно описывать логику работы контроллеров. Как правило, это развитая интегрированная среда разработки, включающая языки программирования международного стандарта IEC 61131-3 (МЭК 61131-3). Примерами таких систем могут быть пакеты AVR Studio [54], ISaGRAF [55], TRACE MODE [56]. Кроме того, технология программирования логических контроллеров поддерживается широким набором аппаратных средств разработки (стартовые наборы, программаторы, внутрисхемные эмуляторы и т.д.).
Программное обеспечение сетевых контроллеров
Кадр начинается стартовым битом SOF (Start of Frame). За ним следует поле арбитража, содержащее 11 -битный идентификатор и бит RTR запроса удаленной передачи (Remote Transmission Request). Этот бит указывает, передается кадр данных или кадр запроса (в кадре запроса отсутствует поле данных).
Управляющее поле содержит бит расширения идентификатора (IDE — identifier extension), который указывает тип формата кадра — стандартный или расширенный. Кроме того, в этом поле находятся зарезервированный для будущего применения бит R0 и четыре бита DLC для указания длины поля данных. За управляющим полем идут поле данных (0-8 байт) и поле циклического контроля CRC, используемое для определения ошибок.
Поле подтверждения (АСК) состоит из области АСК длиной в 1 бит и ограничителя поля АСК, АСК-бит помещается на шину передатчиком как рецессивный. Приемники, корректно принявшие эти данные, переписывают этот бит, делая его доминантным. Таким образом, передающий узел получает подтверждение, что хотя бы один приемник правильно принял его сообщение. Сообщения подтверждаются приемниками независимо от результата тестирования данных при приёме.
Конец сообщения указывается концом кадра, после которого идет пауза. Длина паузы равна минимальному количеству битов, отделяющих последовательные сообщения. Если в этот момент ни одна из станций не выдает запрос на доступ к шине, то шина остается незанятой.
В отличие от других шинных систем, в протоколе CAN не используются подтверждающие сообщения. Вместо этого он сигнализирует о возникших ошибках передачи. Всего в CAN-протоколе реализовано пять механизмов проверки на наличие ошибок [63,64]. Из них первые три реализованы на уровне сообщений. Это - «циклический контроль», «контроль кадра» и «ошибки при неподтверждении».
При использовании «циклического контроля» в конце передачи добавляются биты циклического избыточного кода. При приеме сообщения происходит его повторное вычисление и сравнение с полученным кодом циклического контроля. Если эти два значения не совпадают, то выявляется ошибка CRC. «Контроль кадра» заключается в проверке соответствия структуры передаваемого кадра его фиксированному формату и размеру. Как уже было показано ранее, принятые кадры подтверждаются всеми приемниками. Если передатчик не получил никакого подтверждения, то это может означать, что приемники обнаружили ошибку (искажено поле АСК), либо приемники отсутствуют в сети («ошибки при неподтверждении»). Следующие два механизма определения ошибок реализованы в протоколе CAN на битовом уровне. Мониторинг шины — это одна из уникальных особенностей сети CAN состоит в том, что передающий узел может контролировать свой собственный сигнал на шине во время передачи. Таким образом, каждый узел может наблюдать за уровнем сигнала на шине и определять различие переданного и принятого бита.
NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю) - это представление битов способом, гарантирующим максимальную эффективность битового кодирования. Но если подряд идет слишком много битов с одним и тем же значением, то возможен сбой синхронизации. Для избежания подобной ситуации генерируются синхронизирующие фронты методом битстаффинга (т.е. «имплантации бита», bit stuffing). Если в сообщении подряд идут пять битов
с одинаковым значением, то передатчик автоматически вставляет бит с обратным кодом. Впоследствии этот бит автоматически удаляется из сообщения приемниками.
Если в течение передачи хотя бы одна станция обнаружит ошибку с помощью описанных методов, то она выставляет флаг ошибки, который аварийно завершает текущую передачу. После этого все другие станции не получают данное сообщение, чем достигается непротиворечивость данных во всей сети.
После аварийного завершения дефектной передачи сообщения, передатчик автоматически пытается повторить передачу. Как правило, повторная передача начинается в течение периода времени, соответствующего передаче 23 битов, отсчитываемого с момента обнаружения ошибки. В специальных случаях время восстановления системы составляет 31-битный период.
Однако какими бы эффективными не были вышеописанные методы обнаружения ошибок, если не будет предпринято никаких мер по самодиагностике, одна неисправная станция может прекращать передачу любых, в том числе и безошибочных, сообщений, блокируя всю систему.
Для этих целей в протоколе CAN предусмотрен механизм, позволяющий отличить случайные ошибки от постоянных и локализовать неисправности станций. Механизм использует статистические оценки сбойных ситуаций на станции для распознавания неисправностей самой станции и возможного перевода станции в операторный режим, при котором работа остальной части сети не страдает. В критических случаях станция может отключаться полностью для того, чтобы не прерывать передачу сообщения, ошибочно распознаваемого как некорректного.
Таким образом, в протоколе CAN заложены сложнейшие механизмы обнаружения и обработки ошибок передачи. Эффективность этих механизмов такова, что максимальная вероятность искажения одного бита составляет величину порядка 10"13. Это значение соответствует одной необнаруженной ошибке за 1000 лет работы узла. Но самым важным обстоятельством является то, что описанные выше свойства протокола реализованы на аппаратном уровне в микросхемах приемопередатчиков CAN.
Обработка масс-спектров с помощью вейвлет-фильтра
Сравнение формальных параметров шинных интерфейсов для различных масс-спектрометров и соответственно для различных шин не может быть корректным ввиду принципиальных различий в концепциях информационного обмена. Например, для того чтобы считать текущее значение ионного тока по заданному каналу системы регистрации на масс-спектрометре МИ-1201 нужно выполнить определенную последовательность процедур записи-чтения в порты ввода-вывода, а в МТИ-350Г это действие выполняется только тройкой команд (запрос-готовность-данные). При этом в промежутках между этими командами, в отличие от МИ-1201, по шине могут проходить и другие сообщения. Кроме того, имеются принципиальные отличия в работе технических средств (электронных блоков) и прикладного программного обеспечения. Наконец, существенные различия могут быть вызваны той или иной операционной системой, под которой осуществляется работа и даже ее настройками.
Таким образом, МТИ-350Г и МИ-1201 (так же как и МАТ-281 и другие масс-спектрометры разных производителей) являются совершенно разными приборами и корректно экспериментально сравнить, например, такие важнейшие показатели как интенсивность информационного обмена или пропускная способность не представляется возможным. Поэтому технические характеристики используемой в МТИ-350Г шины CAN уже сравнивались в Главе 1 с шинами аналогичного класса (fleldbus), и далее приводится экспериментальная оценка эффективности разработанной системы только с позиций обеспечения требований технического задания.
Как уже было сказано ранее, со стороны управляющей ЭВМ связь с CAN реализована с помощью контроллера PCL-841 [69] производства Advantech Co., Ltd., устанавливаемый в ISA-слот компьютера. Характерной особенностью PCL-841 является то, что он адресует заданігую область физической памяти компьютера. Соответственно, работа с контроллером сводится к работе с предопределенной структурой в памяти компьютера, что может быть сделано программистом самостоятельно, т.е. PCL-841 не требует фирменного драйвера. Недостатком этой платы является малый объем (64 байта) FIFO-буфера приемника, а это накладывает жесткие временные требования к программному обработчику поступающих сообщений.
Позднее был испытан и адаптирован по программному обеспечению интерфейсный контроллер USBo-CAN [70,71] (производства IXXAT Automation GmbH, Германия). Несмотря на более высокую стоимость, контроллер USBo-CAN имеет существенно более высокие технические характеристики и лучшие потребительские свойства. Главной его особенностью является наличие собственного 16-битного процессора Infineon SAB СІ61, 256 Кб SRAM- и 512 Кб FLASH-памяти. Таким образом, интерфейс USBo-CAN является активным (PCL-841 - пассивный), самостоятельно реализующим передачу и прием CAN-сообщений, не загружая этой задачей управляющую ЭВМ. Активный интерфейс позволяет обеспечить плотный трафик, независимую от операционной системы обработку прерываний, точный тайм-штамп и дополнительную предварительную обработку сообщений (например, фильтрацию). К аппаратной части интерфейса USBo-CAN прилагается фирменный пакет мощных программных средств - VCI (Virtual CAN Interface). VCI является единой программной оболочкой для всей линейки PC/CAN интерфейсов фирмы IXXAT Automation GmbH (ISA, PC-104, PMC, PCI, LPT, USB, PCMCIA, Ethernet, Bluetooth) и для всех поддерживаемых ОС Windows (NT4/98/ME/2000/XP).
Обе рассмотренные интерфейсные карты имеют по два независимых порта. Это позволяет использовать второй порт для независимого мониторинга шины или программной эмуляции аппаратных средств. Мониторинг может осуществляться как самой основной программой, так и любыми другими (независимыми) программами.
Пропускная способность шины, которая определяется настройками тактового генератора приемопередатчика, как в случае использования PCL-841, так и для IXXAT USBo-CAN составляет 1000 Кбит/с, т.е. величину макси 85 мальную для шины CAN. В ходе эксперимента интенсивность обмена, т.е. количество сообщений, проходящих по шине, и их тайм-штампы фиксировались с помощью программы CanAnalyzer32, разработанной IXXAT GmbH.
При использовании платы PCL-841 интенсивность трафика ограничивалась величиной 1200-1400 сообщений/сек. Увеличение трафика сопровождалось переполнением FIFO-буфера приемника и, следовательно, потерей некоторых сообщений. Указанное ограничение определяется неспособностью используемой операционной системы (Windows) работать в режиме жесткого реального времени, а также малым размером буфера приемника платы PCL-841. Поэтому, чтобы избежать потери данных, в программный обработчик сообщений были внесены ограничения, не позволяющие отправлять очередные запросы до тех пор, пока от соответствующих устройств не получены ответные данные по прежним запросам. Тем не менее, полученная производительность вполне удовлетворяет требованиям ТЗ.
В случае с модулем IXXAT USBo-CAN достигнутая производительность составила 5500-6000 сообщений/сек. При этом поддержка сервисом VCI виртуальных очередей приема-передачи размером в тысячи и даже десятки тысяч сообщений обеспечивает гарантированную доставку абсолютно всех сообщений, даже если их программная обработка не связана с режимом реального времени. Реализуется это следующим образом: прикладное приложение периодически (по прерыванию или по сообщению от VCI или по таймеру) обрабатывает очередь поступающих сообщений. Если эта очередь не была обработана в течение одного цикла, то приложение просто обращается к ней позднее.
Автоматизация процесса измерений изотопного состава урана
Проведен анализ шинных интерфейсов и программного обеспечения современных систем промышленной и лабораторной автоматизации, показавший, что шинные интерфейсы серийных масс-спектрометров для анализа ГФУ представляют частнофирменные решения производителей, являются устаревшими и не могут быть использованы в разрабатываемой серии масс-спектрометров МТИ-350. Для организации управления масс-спектрометром МТИ-350Г предложена распределенная система, которая предоставляет существенные преимущества перед централизованной, прежде всего, по техническим возможностям, срокам и стоимости разработки, а также перспективам развития и модернизации. Из большого многообразия современных распределенных систем специфике решаемой задачи в наибольшей степени удовлетворяет шина CAN (Controller Area Network), которая и внедрена на масс-спектрометре МТИ-350Г.
Разработан КСУМ МТИ-350Г, обеспечивающий эффективное автоматическое управление прибором в соответствии со спецификой области применения масс-спектрометра и позволяющий использовать значительную часть технических средств для последующих модификаций масс-спектрометров серии МТИ-350. Аппаратные средства, входящие в КСУМ МТИ-350Г, обеспечивают технические характеристики, не уступающие аналогам прибора (МАТ-281, МИ-1201АГМ). Заложенные в КСУМ МТИ-350Г принципы: независимая индикация, автоматическое и ручное управление устройствами, встроенная диагностика электронных блоков - позволяют повысить надежность системы управления и упростить поиск неисправностей.
Разработан коммуникационный протокол МТИ-350Г, который определяет принципы адресации узлов и распределение идентификаторов, способы вызова и типы сообщений, фрагментацию сообщений, перечень системных и прикладных сообщений. Программная реализация протокола позволяет осуществить эффективный информационный обмен в соответствии с современными принципами приборной автоматизации и отказаться от использования дорогих и специфичных ОСРВ. Унификация программных средств поддержки протокола позволяет значительно упростить и ускорить разработку масс-спектрометров на базе МТИ-350Г.
Внедрены методы и алгоритмы обработки данных, позволяющие повысить экспрессность анализов, улучшить точность и воспроизводимость результа тов измерений на масс-спектрометре МТИ-350Г. В частности: — предложен и реализован метод управления разверткой магнита анализатора МТИ-350Г, позволяющий повысить точность установки на заданную массовую линию; — разработан и реализован метод разделения частично перекрывающихся масс-спектрометрических пиков с использованием СОИСУ, учитывающий реальную форму пика и возможные изобарические наложения; — применен и адаптирован к задаче обработки масс-спектров математический аппарат вейвлет-анализа, позволяющий в значительной степени устранить субъективизм и на новом техническом уровне реализовать автоматические процедуры аппроксимации данных; — предложен и реализован способ учета фактора «памяти», позволяющий повысить точность определения минорных изотопов 234U, 236U при измерениях многолучевым методом. Разработан программный комплекс, позволяющий полностью автоматизи ровать процесс измерений на масс-спектрометре МТИ-350Г в соответствии с технологическими требованиями и спецификой прикладной области. В рамках ПК МТИ-350Г реализованы: — общая структура ПК и функциональные схемы программных модулей; — процедуры тестирования и диагностики технических средств масс-спектрометра, оперативного контроля работоспособности прибора в процессе автоматической эксплуатации; — функции настройки и градуировки измерительной аппаратуры масс-спектрометра, юстировки магнита, отбора и подготовки проб; — алгоритмы, позволяющие автоматизировать процесс измерений изотопного состава урана на масс-спектрометре МТИ-350Г; — программные средства, интегрирующие МТИ-350Г в АСУТС УЭХК; — функции работы с базами данных результатов измерений; — средства защиты информации от несанкционированного доступа. На ПК МТИ-350Г подготовлена необходимая документация и получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ в ФИПС (РосПатент). 6. ИВК МТИ-350Г, как составная часть масс-спектрометра, проверен и испытан в ходе лабораторных, заводских и Государственных приемочных испытаний МТИ-350Г. Результаты испытаний подтвердили соответствие ИВК МТИ-350Г требованиям ТЗ и показали, что аналитические характеристики масс-спектрометра МТИ-350Г не уступают, а по ряду позиций превосходят характеристики аналогичных зарубежных приборов.
