Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Описание установки как объекта управления 7
1. Принцип работы ЛСЭ, параметры первой очереди. Основные подсистемы ЛСЭ первой очереди 7
2. Основные подсистемы 11
2.1 Инжектор 11
2.2 ВЧ-Система 12
2.2.1 Высоковольтный источник анодного питания ВЧ генераторов... 12
2.3 Магнитная система 16
2.4 Система измерения положения пучка 16
2.5 Система управления и контроля оптическим излучением 17
2.6 Система температурного контроля 18
3. Особенности ускорителя-рекуператора и ЛСЭ 19
4. Требования к системе управления 21
4.1. Требования, предъявляемые к управлению и контролю источников постоянного тока и программному обеспечению 21
4.2. Требования, предъявляемые к системе контроля положения электронного пучка 24
4.3. Требования, предъявляемые к системе контроля и диагностики когерентного излучения 27
5. Выбор программной и аппаратной базы 28
5.1. Выбор управляющего оборудования для магнитной системы 28
5.2. Выбор управляющего оборудования для системы измерения положения электронного пучка 35
5.3. Выбор управляющего оборудования для системы контроля когерентного излучения 37
5.4. Выбор программного обеспечения 38
Глава 2 Управление магнитной системой ускорителя-рекуператора ...41
1. Принцип действия и калибровочные характеристики 41
2. Структура системы, размещение источников питания и схема соединения контроллеров с управляющей машиной 44
3. Управляющее программное обеспечение 47
3.1 Управление источниками питания 55
3.2. Диагностика источников питания 57
3.3 Удаленное управление системой 62
3.4 Прочие возможности 66
4. Заключение 67
Глава 3. Система контроля положения электронного пучка 67
1. Датчики положения пучка. Принцип действия, калибровочные характеристики 67
2. Структура системы и управляющее оборудование 70
2. Программное обеспечение 75
2.1. Последовательный опрос всех пикап-станций для вычисления поперечных координат пучка 75
2.2. Сканирование по величине задержки, и получение продольного распределения импульса, наводимого пучком 81
2.3. Режим измерения пульсаций амплитуды электронного пучка на пластинах одного из пикапов 83
2.4. Удаленное управление 85
3. Одновременное использование управляющих программ. Программа вывода пучка на центр камеры 86
Глава 4. Система управления и контроля оптическим пучком 90
1. Описание системы 90
2. Управляющая и измерительная аппаратура 92
3. Управляющее программное обеспечение 93
3.1 Механическая настройка и диагностика параметров системы 95
3.2 Диагностика параметров когерентного излучения 97
3.3 Сканирование подлине волны излучения 102
Заключение 105
- Требования, предъявляемые к управлению и контролю источников постоянного тока и программному обеспечению
- Структура системы, размещение источников питания и схема соединения контроллеров с управляющей машиной
- Последовательный опрос всех пикап-станций для вычисления поперечных координат пучка
- Механическая настройка и диагностика параметров системы
Введение к работе
Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) являются уникальными источниками когерентного излучения, принцип действия которых основан на преобразовании части энергии электронного пучка в энергию излучения. По сравнению с другими лазерами ЛСЭ имеет целый ряд преимуществ : непрерывность излучения, большая мощность излучения, перестраиваемость длины волны излучения.
В настоящее время в специализированном отдельном корпусе Института химической кинетики и горения СО РАН создается Сибирский Центр фотохимических исследований на базе мощного лазера на свободных электронах [1]. Строящийся полномасштабный ЛСЭ базируется на многооборотном микротроне-рекуператоре с энергией электронного пучка 40МэВ и будет иметь диапазон перестройки монохроматического излучения от 3 до 20 микрон со средней мощностью излучения до 50кВт.
На настоящий момент разработана, изготовлена и запущена первая очередь ЛСЭ[2], включающая в себя однооборотный микротрон-рекуператор с энергией электронного пучка 14 МэВ и мощностью когерентного излучения до 7кВт. Как и для всех крупных научных и промышленных установок, для полноценного управления и контроля для микротрона-рекуператора была создана система управления, которая состоит из ряда независимых подсистем, связанных между собой.
Целью работы была разработка программного обеспечения системы управления ЛСЭ [11] с максимально возможным использованием уже готовых программных компонентов (для сокращения времени разработки и повышения надежности системы), которое бы работало с аппаратурой, специально разработанной для управления ЛСЭ, и аналогичными
установками, и представляло набор возможностей, необходимых для полноценного контроля и управления всеми системами ЛСЭ. Аппаратная часть системы управления ЛСЭ создавалась многими разработчиками, а выбор архитектуры системы, формулировка требований и возможностей системы управления, а также запуск тестирование и наладка системы производилась автором совместно с разработчиками аппаратуры.
В данной работе описывается архитектура и возможности подсистем, которые предназначены для управления и диагностики электронного пучка в канале ускорителя и получаемого в ЛСЭ когерентного излучения, а именно:
Система управления магнитными элементами.
Система измерения положения электронного пучка.
Система настройки оптического канала и управления и диагностики когерентного излучения.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе диссертации приведено описание установки ЛСЭ как объекта управления, включая описание основных подсистем ЛСЭ. Там же приведены основные требования к управлению перечисленных выше подсистем с учетом особенностей всей установки и индивидуальных задач, стоящих перед каждой системой в отдельности. Далее подробно описано аппаратное обеспечение, которое было использовано для управления данной подсистемой, описаны основные факторы, обусловившие выбор этой аппаратуры. Далее перечислены основные характеристики используемых устройств.
Во второй главе описана система управления магнитными элементами ЛСЭ. В частности описана архитектура системы, схема соединения источников питания магнитных элементов с управляющей ЭВМ. Также подробно описано программное обеспечение данной подсистемы, основные её возможности и примеры использования. Описан ряд программно-
7 аппаратных алгоритмов, разработанных автором для ряда задач, возникающих в процессе работы с системой.
В третьей главе аналогичным способом описана система измерения положения электронного пучка. Кратко описаны физические принципы, лежащие в основе работы данной системы. Также приведено подробное описание возможностей программного обеспечения. В этой же главе приведен пример одновременного использования двух управляющих программ - программы управления магнитными элементами и программы измерения положения пучка через их сервера удаленного управления. Была написана оригинальная программа для проводки пучка по центрам квадрупольных линз с одновременным использованием данных от обеих программ.
В четвертой главе описана система управления и контроля когерентным излучением. Описана структура системы, основные её компоненты, рассмотрены основные задачи, стоящие перед системой. Далее аналогично двум предыдущим главам, описано программное обеспечение, основные его функциональные возможности, показаны примеры использования отдельных его возможностей.
В заключении приведены результаты проделанной работы, основные возможности системы и перспективы её развития.
Требования, предъявляемые к управлению и контролю источников постоянного тока и программному обеспечению
Система температурного контроля [8] предназначена для измерения и передачи в управляющую ЭВМ значений температуры термодатчиков, которые установлены на различных объектах микротрона-рекуператора (канал движения пучка, обмотки мощных магнитов, и т.д.). Система температурного контроля ЛСЭ первой очереди включает в себя 160 термодатчиков в качестве которых используются обмотки реле РЭС49. Обмотки реле подсоединены к измеряющей схеме, которая преобразует падение напряжения на обмотке, и выдает в АЦП для измерения. Значения измеренных напряжений передаются из АЦП в управляющий компьютер по интерфейсу CAN-BUS, где они преобразуются в значения температуры. Сопротивление обмотки линейно зависит от температуры, следовательно, температура термодатчика вычисляется из падения напряжения на обмотке по формуле: Т — AmU + В, где U — падение напряжения на обмотке, А и В — постоянные коэффициенты, зависящие от конструкции обмотки. Управляющая программа выводит значения температуры на экран компьютера, а также следит за тем, чтобы значение температуры не превысило определенных предельных значений. Имеется два таких значения для каждого термодатчика. В случае превышения первого предела, программа выдает звуковой сигнал. В случае превышения второго предела программа передает по локальной сети программе управления электроннй пушкой сигнал на отключение электронной пушки. Для этого используется протокол Epics Channel Access.
Как любая электрофизическая установка (в первую очередь как ускоритель заряженных частиц) ЛСЭ на базе микротрона-рекуператора имеет ряд особенностей, которые оказывают влияние на создание системы управления: Наличие ряда больших независимых подсистем, различающихся по типу используемого и управляющего оборудования, чаще всего разделенных территориально, и требующих отдельных подсистем управления. Микротрон-рекуператор состоит из ряда подсистем слабозависящих друг от друга: ВЧ-система, магнитная система, электронная пушка, вакуумная система, и т.д. Каждая система как правило использует специфическое оборудование - систему питания, систему контроля, которые размещаются в определенном месте, раздельно от оборудования других систем. Территориальное разделение и специфическое оборудование каждой из подсистем приводит к тому, что приходится использовать различные управляющие интерфейсы, что в свою очередь влияет на выбор используемого программного обеспечения.
Большое количество измеряемых и управляющих величин. Общее количество каналов управления всеми подсистемами микротрона-рекуператора составляет около 1500. Данное количество требует разнесения потока измеряемых и задаваемых значений для удобства работы.
Возможность непрерывной работы установки в течении длительного времени. Для обеспечения исследовательской работы с когерентным излучением необходима непрерывная работа микротрона-рекуператора в течении многих часов.
Кроме того ЛСЭ на базе микротрона-рекуператора имеет следующие особенности, отличающие его от других аналогичных установок: а) Характер управления — все управление сводится в основном к заданию и измерению постоянных либо медленно меняющихся величин(токи электромагнитов, показания датчиков, напряжения резонаторов) и отсутствие необходимости организовывать быстрые управляющие процессы, жестко синхронизованные по времени с какими-либо параметрами ускорителя(отсутствие «реал-таймовских» задач). б) Большая предельная мощность пучка и как следствие - необходимость создания систем диагностики некоторых параметров установки(температуры радиационного фона) и систем быстрого отключения для предотвращения аварийных ситуаций. в) Масштабируемость некоторых подсистем. Данная реализация установки является первой очередью. Вторая очередь будет содержать четырехоборотный микротрон-рекуператор, который будет использовать отдельные подсистемы микротрона первой очереди (инжекционный канал, ВЧ-система). В то же время некоторые системы будут расширены по количеству элементов примерно в 2 раза — магнитная система, система диагностики положения пучка, система температурного контроля. В этих системах будут использоваться как элементы, относящиеся к первой очереди, так и «новые» элементы, относящиеся только ко второй очереди. Данные факторы позволили сформулировать как общие требования ко всей системе управления, так и частные требования к управлению отдельными подсистемами.
Структура системы, размещение источников питания и схема соединения контроллеров с управляющей машиной
Исходя из требований к данной подсистеме, представленных выше было выбрано следующее оборудование:
Шаговые двигатели, управляемые контроллерами, производимыми в ИЯФ. Используются шаговые двигатели разных марок и габаритов. Все они удовлетворяют требованиям к аппаратуре перечисленным выше.
Разнообразные датчики излучения. Используются пироэлектрические, оптоакустические, термоэлектрические датчики. Как правило, эти датчики используются вместе с соответствующими усилителями, преобразователями мощности и т.п., сигнал с которых подается непосредственно на АЦП. Все используемые устройства также удовлетворяют требованиям к измерительной аппаратуре, перечисленным выше. Стоит отметить, что данная система находится в процессе непрерывного изменения. Происходит замена отдельных компонентов на более современные модели. Кроме того, добавляются новые измерительные стенды. Следовательно, полностью описать используемое оборудование на данный момент не представляется возможным. Выбор программного обеспечения для системы управления включает в себя выбор следующих компонентов: 1. Выбор операционной системы. 2. Выбор средств разработки — языки программирования, среда разработки. 3. Выбор протоколов межпрограммного взаимодействия. На выбор этих компонентов, используемых для разработки управления перечисленными выше подсистемами повлияли следующие факторы: Особенности микротрона-рекуператора, как объекта управления: Этот вопрос рассмотрен в 3 данной главы. Управляющее аппаратное обеспечение, используемое для управления данными подсистемами: До недавнего времени в ИЯФ для создания систем управления широко использовался аппаратный стандарт КАМАК. За время его использования в институте было создано большое число уникальных управляющих устройств в этом стандарте, которые до сих пор широко используются. С другой стороны в последнее время в связи с развитием компьютерной техники и с появлением мощных персональных компьютеров появилось большое количество аппаратных интерфейсов, различающихся между собой как конструктивно, так и по типу и скорости взаимодействия. Соответственно, при создании новых установок в ИЯФ и соответствующих им систем управления используются как старые интерфейсы (КАМАК), так и более современные, например CAN-BUS, VME. Таким образом необходимо, чтобы создаваемое программное обеспечение могло работать со всеми этими стандартами. Необходимость по возможности свести к минимуму трудозатраты и время, необходимое на разработку управляющих программ. Необходимость совместимости с уже существующими разработками и программами, а также с программным обеспечением разработчиков управляющей аппаратуры. Исходя из этих факторов, в качестве операционной системы была выбрана система Microsoft Windows 2000. По сравнению с другими известными системами (Linux, VxWorks), выбор данной системы имеет следующие преимущества: Сравнительная легкость в освоении и использовании данной системы и программного обеспечения как для разработчиков систем управления так и для пользователей. Большой выбор развитых средств разработки программного обеспечения (Visual C++, Delphi, Lab Windows CVI и т.д.) и наличие документации к ним, в том числе на русском языке. Кроме того, широкая распространенность данных пакетов среди программистов существенно упрощает решение различных проблем возникающих в процессе разработки программ. Наличие драйверов всех устройств, необходимых для связи с управляющей аппаратурой. Наличие большого числа готовых программных компонентов, существенно упрощающих процесс разработки программного обеспечения - библиотека MFC (Microsoft Foundation Classes), библиотеки для работы с базами данных MySQL, разнообразные библиотеки, представляющие готовые интерфейсы работы с управляющими устройствами, например библиотека VCI. Совместимость с программным обеспечением разработчиков управляющей аппаратуры. В процессе создания и отладки управляющих устройств разработчики используют на своих рабочих местах различные тестовые программы, используя при этом компьютеры с операционной системой MS Windows или даже MS-DOS. Использование системы Windows на управляющих компьютерах позволяет разработчикам использовать свои диагностические программы для тестирования своей аппаратуры уже после её установки в место постоянной работы, непосредственно с пульта установки. В качестве языка программирования был выбран язык C++ как наиболее распространенный в среде программистов язык. Среда разработки была выбрана Microsoft Visual C++. Для обеспечения возможности межпрограммного взаимодействия и удаленного управления отдельными управляющими программами был выбран протокол Channel Access из состава Epics[14]. Этот протокол предназначен для связи управляющих узлов в распределенных системах управления. Протокол распространяется виде набора исходных текстов библиотек и примеров. Архитектура и использование протокола подробно описаны в [15] и [16]. Использование этого протокола имеет следующие преимущества: 1. Наличие исходных текстов всех компонентов протокола. 2. Совместимость протокола с большим числом операционных CHCTeM(Windows, Linux, VxWorks), что позволяет связывать между собой подсистемы на разных операционных системах и платформах. Таким образом, для разработки программного обеспечения вышеперечисленных подсистем были выбраны следующие программные компоненты(см. Таблицу 6).
Последовательный опрос всех пикап-станций для вычисления поперечных координат пучка
Кроме того, программа создает дополнительные временные потоки при запуске различных пользовательских процессов, например для измерения пульсаций источников питания (см. ниже).
Данная организация программы обеспечивает её стабильную работу даже на сравнительно слабой машине без перегрузок и зависаний, так как обеспечивает распараллеливание основных процессов - обслуживание пользовательского интерфейса, прием и посылка CAN-сообщений, диспетчеризация процесса задания токов в источники питания, контроль соответствия заданных и измеренных значений токов. В результате реализации такой архитектуры все функциональные части программы могут работать одновременно не мешая друг другу.
Главное окно программы изображено на рисунке 6. На передней панели программы схематично отображены все источники питания, находящиеся в 4-х стойках маломощного питания в виде строк различного цвета. Строки элементов сгруппированы в столбцы по 16 штук (по числу источников питания в секции), а столбцы пронумерованы в соответствии с общим номером данной секции в стойках: SEC01-SEC12 - всего 12 секций в 4-х стойках. Цвет текста строки, цвет фона, содержимое строки отображает текущее состояние данного канала. Так, цвет текста строки показывает, подключен данный источник питания в работу или нет. Цвет фона строки показывает текущее состояние элемента и правильность работы источника питания. Существует 4 градации цвета фона строки: 1. Черный цвет - в источник задано ноль. 2. Синий цвет - в источник задан ненулевой ток, и отклонение измеренного выходного тока от заданного значения находится в заданных пределах. 3. Желтый и красный - превышение первого и второго предела по отклонению значения измеряемого тока от заданного значения. Цвет текста строки имеет 2 состояния: 1. Серый цвет - канал неактивен (временно отключен, либо отсутствует источник питания). 2. Белый цвет - канал активен (включен и используется). Содержание строк показывает порядковый номер источника питания в данной секции (или номер канала ЦАГТ), имя элемента магнитной системы, управляемого данным источником, и текущее значение заданного в него тока. Кроме-того если нет ответа от контроллера, соответствующего данному источнику, то текущее значение тока не выводится. Эта особенность позволяет легко контролировать, включены ли стойки. 1. Текущую аппаратную конфигурацию системы - наличие свободных мест в стойках для подключения новых элементов и какой магнитный элемент к какому источнику питания подключен. 2. Состояние источников питания - наличие токов в магнитных элементах и правильность работы источников питания. 3. Состояние магистрали CAN и управляющих контроллеров - включены или выключены стойки и располагающиеся в них контроллеры. Управление мощными источниками питания производится из отдельной диалоговой панели, вызываемой из меню программы (см. Рисунок 7). Для удобства работы все параметры системы, которые со временем могут меняться (характеристики источников питания, названия магнитных элементов, адреса CAN-устройств), вынесены во внешние конфигурационные файлы. После старта программа считывает информацию из этих файлов. Всего существует два конфигурационных файла. В первом файле хранится информация об CAN-устройствах (адреса, скорость работы CAN-магистрали) и параметры всех источников питания, сгруппированные по каналам и по стойкам. Все источники питания первой и второй группы имеют следующие параметры: 1. Максимальный выдаваемый ток. 2. Входное управляющее напряжение, которое нужно задать ЦАП-ом, чтобы получить максимальный ток. 3. Максимальное напряжение источника, выдаваемое в нагрузку. 4. Напряжение, выдаваемое источником в АЦП, соответствующее максимальному напряжению нагрузки. Данные параметры полностью описывают характеристики источников питания. Следовательно задавая разные наборы этих параметров для разных каналов во внешнем конфигурационном файле, можно указывать управляющей программе, какой источник питания подключен к данному каналу. Программа использует эти параметры для преобразования тока, который задает оператор в напряжение ЦАП, и для пересчета напряжений, измеряемых АЦП, в ток и напряжение на выходе источника. Для источников питания первой и второй группы (ЗА и 10А) существуют стандартные наборы этих параметров. Модифицируя отдельные параметры, можно подключать в работу различные уникальные источники, например с увеличенным выходным током(14 и 17 Ампер). Во втором конфигурационном файле хранится информация о магнитных элементах, подключенных к источникам. Данная информация включает в себя следующее: 1. Состояние элемента (включен он или нет). 2. Уникальное имя элемента (например 1MQ3), состоящее максимум из 8 символов, которое отображается в главном окне программы. 3. Более полное имя элемента (например 20МС)20_Обмотка_Коррекции_по_Х), которое отображается в индивидуальном диалоговом окне элемента. 4. Тип обмотки элемента (В - поворотный магнит, Q — квадрупольная линза, и т.д.). Таким образом, эти два конфигурационных файла полностью описывают все параметры системы, которые могут со временем подвергаться изменениям (замена источников питания, перекоммутация нагрузок между разными источниками). Использование внешних файлов избавляет от необходимости модифицировать и перекомпилировать управляющую программу.
Механическая настройка и диагностика параметров системы
Кроме основных вышеописанных возможностей в программе есть ряд дополнительных возможностей: 1) Процесс размагничивания всех элементов системы. В этом режиме программа блокирует весь пользовательский интерфейс и запускает процесс, в течение которого на все источники питания последовательно подаются значения тока чередующейся полярности затухающей амплитуды от максимального тока каждого источника до нуля. 2) Автоматическая восстанавливаемость последнего состояния системы. При загрузке программы происходит чтение значений заданных токов в источниках питания (чтение каналов ЦАП). Прочитанные значения объявляются в программе как заданные токи. Наоборот, при своем закрытии программа оставляет заданные токи в источниках питания, если не была задана команда сбросить все токи в ноль. Таким образом, можно закрывать и снова загружать программу, не изменяя текущий режим работы системы. В процессе работы программы в случае выключения отдельных секций источников питания (или целых стоек) при последующем повторном включении, программа сама восстанавливает последние значения заданных токов во всех источниках питания. Это бывает полезно при отладке или проверке источников питания, когда нужно часто включать и выключать стойки. 3) Один раз в 10 минут производится процедура калибровки каналов ЦАП-а всех блоков CDAC20. Это необходимо для компенсации возможного ухода каких-либо параметров контроллера (например, в следствии прогрева всей стойки), которые могут привести к потере точности измерения. Таким образом, программа удовлетворяет основным требованиям, необходимым для данной системы. Описанные выше возможности позволяют оператору полностью контролировать магнитную систему, сравнительно легко управлять движением пучка в канале ускорителя, вести контроль источников питания, быстро находить неисправности в них. Наличие сервера удаленного управления позволяет интегрировать программу в распределенную систему управления. В то же время развитый пользовательский интерфейс позволяет управлять системой непосредственно из главного окна программы. В течение трех лет своей работы программа продемонстрировала высокую надежность и удобство в использовании. В будущем возможна дальнейшая модернизация отдельных компонент программы. Возможна доработка систем диагностики источников питания и системы размагничивания магнитных элементов.
Датчики положения пучка электростатического типа представляют собой прямоугольные металлические пластины. Эти пластины изгибаются по дуге и устанавливаются в непосредственной близости от внутренней стенки камеры. Размеры пластин таковы, что они покрывают около 70% окружности камеры. Сигнал с пластин выводится через отверстия камеры с помощью специальных вакуумных вводов. При пролете пучка мимо пластины на ней
При этом передний и задний фронты наведенного импульса могут отличаться. Это связано с тем, что крутизна и форма переднего фронта зависит от распределения заряда в пучке и скорости его пролета, в то время как на форму заднего фронта импульса помимо этого влияет скорость разряда эквивалентной ЯС - цепочки. Данная цепочка образуется емкостью между пи кап-электродом и вакуумной камерой, и волновым сопротивлением кабеля (50 Ом). Емкость пикап-электрода составляет примерно 10 пФ, соответственно постоянная времени разряда ЛС-цепочки составляет 500 пикосекунд. Таким образом для времен спада поля сравнимых или меньших, чем постоянная времени ЛС-цепочки, скорость спада заряда становится меньше за счет вклада ЙС-цепочки, что приводит к несимметричной форме импульса Q(t). Появление и исчезновение заряда на пластине приводит к появлению импульса тока I(t) в кабеле. Форма амплитуда и длительность этого импульса зависит от формы импульса Q(t). В частности несимметричность фронтов в импульсе Q(t) приводит к неодинаковой форме положительной и отрицательной частей графика/ (см. рисунок 14).
Далее импульс тока передается по коаксиальному кабелю длиной от 25 до 35 метров, где происходит его расплывание до 1 не, и подается на вход мультиплексора, в котором происходит его многократное расширение до длительности 20-25 наносекунд при помощи фильтра нижних.частот на 100 МГц. Как показано в приложении Б, положение пучка в данном случае определяется из разности амплитуд сигналов с противоположных пластин. Поскольку импульс Q(t), наводимый пучком на разные пластины пикап-станции, имеет одинаковую форму и различается только на постоянный коэффициент, то импульсы I(t) также пропорциональны между собой. Следовательно, положение пучка можно определять из соотношения значений I(t0) с разных пластин в определенный момент времени t0. Следует отметить, что данный способ работает только для малых отклонений пучка от центра орбиты, т.е. когда
Другой полезной информацией, которую можно получить из импульсов I(t) является приближенная величина заряда сгустка. Сумма амплитуд сигналов со всех четырех пластин слабо зависит от поперечных координат пучка. Данную особенность можно использовать для приблизительного определения коэффициента прохождения тока пучка на данном пикап-электроде, вычисляя отношение суммы сигналов с его пластин и аналогичной величины одной из пикап-станций, расположенных раньше по ходу пучка. Этот метод является очень приближенным, и может хорошо работать только если пучок пролетает вблизи центра вакуумной камеры.
