Разработка аппаратуры и программного обеспечения интеллектуальных контроллеров для систем управления ускорительно-накопительными комплексами

Актуальность темы

Система управления современным ускорительно-накопительным комплексом или < другой крупной электрофизической установкой, представляет собой многоуровневый программно-аппаратный комплекс. В первом приближении, рассматривают три уровня аппаратных средств. На нижнемуровне (уровень датчиков) происходит измерение параметров физических процессов и преобразование их в электрическую форму. На среднем (приборном) уровне происходит мультиплексирование сигналов от различных датчиков и их предварительная обработка. Обработка может включать аналого-цифровое преобразование, накопление данных, управление обратными связями и т. д. Верхний уровень обычно представляет собой средства человеко-машинного интерфейса. Как правило, интеллектуальные контроллеры занимают средний уровень системы управления. Под интеллектуальностью контроллера подразумевается возможность реализации в данном контроллере сложного алгоритма управления, а также возможность оперативно изменять этот алгоритм путем замены программного обеспечения контроллера. Если рассматривать программное обеспечение системы управления в целом, то также можно выделить три уровня. На нижнем уровне, разработчики стараются сосредоточить всю аппаратно-зависимую часть программного обеспечения. Нижний уровень представляет собой интерфейс между аппаратурой и верхними слоями программного обеспечения. На среднем уровне решаются задачи обработки данных и управления системой. На верхнем уровне находятся программные средства, отвечающие за представление данных и визуализацию. Программное обеспечение интеллектуальных контроллеров, как правило, охватывает два нижних уровня рассмотренной иерархии программных средств. Наиболее распространенным решением на среднем уровне системы управления является применение контроллеров магистрально-модульных стандартов САМАС и VME. Например, в ИЯФ СО РАН, было разработано несколько вариантов контроллеров САМАС [33,34]. В качестве контроллеров VME в физических, центрах используются контроллеры общеиндустриального назначения, наиболее популярным из которых является MVME162 производства фирмы Motorola [44]. По ряду причин, рассмотренных далее, эти контроллеры перестали удовлетворять в полной мере потребностям современной системы управления.

Развитие микроэлектроники приводит к необходимости смены компонентной базы контроллеров каждые 5−7 лет. Общеизвестен факт экспоненциального роста производительности процессоров и объемов памяти в одном кристалле. Это? приводит к резкому удешевлению компонентов на единицу ресурса. Применение современных компонентов. приводит к повышению степени интеграции контроллера, а значит, упрощается сборочный процесс, который при малых объемах производства обычно связан с дорогостоящим ручным трудом. Уменьшение энергопотребления уменьшает нагрузку на системы питания и приводит к увеличению надежности всей системы управления. Кроме того, по экономическим причинам производители микроэлектроники прекращают выпуск устаревших изделий, поэтому обслуживание и ремонт устаревших электронных блоков становится проблематичным. Периодическая смена поколений контроллеров, очевидно, является объективным фактом. Например, в ИЯФ СО РАН последние разработки интеллектуальных контроллеров САМАС проводились в конце 80-х, начале 90-х годов. К настоящему времени в таких разработках вновь возникла необходимость.

С общим развитием вычислительных средств, связана и смена подходов к проблеме телекоммуникаций. С одной стороны, появляются все новые стандарты в области передачи данных. С другой стороны, все больше внимания уделяется коммуникационным возможностям контроллеров. Как правило, современный контроллер, разработанный в каком-либо магистрально-модульном стандарте, имеет интерфейс Ethernet 10 или 100 мбит/с. Развитие эффективных протоколов верхнего уровня выдвигает определенные требования к системному программному обеспечению. Стек протоколов TCP/IP на сегодняшний день является универсальной коммуникационной средой, на которой базируется большинство систем управления. С телекоммуникационными возможностями контроллера связана гибкость его применения, возможность удаленной диагностики и т. д. Хотя стек протоколов TCP/IP и Ethernet нельзя назвать новыми стандартами, в САМАС контроллерах, используемых в России для научных исследований, эти стандарты не были поддержаны в полной мере.

Появление новых телекоммуникационных стандартов привело, в некоторой мере, и к изменению подходов к построению систем управления. Речь здесь идет о появлении целого семейства так называемых полевых шин-PROFIBUS, CAN и других. Система управления, построенная по «полевому» принципу, представляет собой совокупность интеллектуальных датчиков, объединенных последовательной помехозащищенной магистралью. Датчики территориально привязаны каждый к своему объекту управления. Управляется эта система датчиков обычно от центральной ЭВМ. По сравнению с магистрально-модульной системой, в «полевой» системе управления значительно уменьшается число соединительных: кабелей, и, следовательно, увеличивается помехозащищенность. Главными требованиями к магистрали при таком подходе являются детерминированное время доступа, помехозащищенность, дальность связи (характерные размеры физических установок могут достигать сотен метров). Кроме специализированных магистралей, в качестве полевой шины все чаще используется стандарт Ethernet [16]. Удовлетворяя большинству требований к полевой шине, Ethernet обладает рядом преимуществ — скорость передачи данных, возможность наращивания масштабов сети, дешевизна и доступность оборудования. Местом применения контроллера в системе управления, построенной по «полевому» принципу, является интеллектуальный датчик. Принцип построения такого датчика ясно просматривается — это разбиение на модуль коммуникационного контроллера и специфический для данной физической установки модуль сопряжения. Необходимость разработки такого контроллера и программного обеспечения для него возникла из необходимости реализации для управления физическими установками «полевого» подхода в целом, и, в частности, использования Ethernet в качестве полевой шины.

Другая тенденция, наблюдаемая в настоящее время — переход к, идеологии так называемых открытых систем. Под открытой: понимают систему, разработанную в соответствии с опубликованными и принятыми в промышленности стандартами. В сфере программного обеспечения существует соответствующее понятие — программное обеспечение с открытым кодом. Использование идеологии открытых систем дает возможность разрозненным разработчикам аппаратуры и программного обеспечения объединять свои усилия. Примером открытой системы является операционная система Linux, возникшая и ставшая популярной как система с открытым кодом. Linux — результат усилий сотен разрозненных программистов. Подобные открытые системы успешно конкурируют с фирменными системами — ОС MS Windows, VxWorks и другими. Если говорить о программном обеспечении в научной автоматизации, то на уровне контроллеров преимущества использования открытых систем практически не реализованы в России, по крайнеймере, если судить по публикациям последних лет. Использование в интеллектуальном контроллере операционной системы с открытым кодом, дало бы неоспоримые преимущества разработчику системы управления. По возможностям программного обеспечения такой контроллер приблизился бы к уровню рабочей станции. Постоянное развитие программного обеспечения обеспечивалось бы усилиями большого сообщества программистов. Учитывая, что такие UNIX-подобные ОС как Linux, FreeBSD широко используютсяв научной автоматизации на уровне рабочих станций и серверов, произошла бы унификация базового программного обеспечения контроллеров и рабочих станций. Это немаловажно, учитывая что сложившаяся в России система подготовки программистов ориентирована, в основном, на изучение и преподавание особенностей общераспространенных ОС — MS Windows и UNIX-подобных.

В последние годы для отечественной науки открылись новые возможности участия в международных исследовательских проектах в физике высоких энергий. Более тесное сотрудничество с зарубежными научными центрами позволяет использовать международный опыт в создании систем управления крупными физическими установками. В частности, система управления EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System) создана членами коллаборации около 100 институтов и лабораторий, среди которых Argonne National Laboratory (США), Los Alamos National Laboratory (США), КЕК (Япония), SLAC (США), BESSY II (Германия), DESY (Германия), INFN (Италия) [54]. Система EPICS создана специально для автоматизации крупных физических установок и отвечает большинству требований, предъявляемых к такому программному обеспечению. Интерес представляет опыт использования EPICS в отечественных условиях. Исследование возможностей системы, границ ее применимости, надежности, даст важную информацию для выбора направления дальнейших разработок в области автоматизации. Работа с передовым программным обеспечением в своей области, позволит программистам-разработчикам систем управления получить ценный опыт и расширить свой кругозор. Разрешение этих вопросов возможно при появлении соответствующей аппаратной базы, отвечающей требованиям EPICS, то есть интеллектуальных контроллеров, позволяющих функционировать основным компонентам системы.

По известным причинам, разработчики нового оборудования вынуждены учитывать вопросы себестоимости их изделий и технологичности производства. Доступные сейчас на рынке контроллеры САМАС и VME [18] зарубежного производства, отвечают большинству технических требований, предъявляемых к системе управления, однако их высокая стоимость делает их неприменимыми в отечественных условиях по причинам экономическим. Стоимость рядового контроллера VME составляет около 2000 $. С учетом VME крейта и необходимых средств расширения возможностей контроллера (например, дисковый накопитель), начальная стоимость VME системы может доходить до 5000 $. При использовании коммерческих средств разработки программного обеспечения, стоимость одного рабочего места программиста может возрасти до 10 000 $ и более. О массовом внедрении новой технологии при таких условиях не может быть и речи. С другой стороны, общеиндустриальные контроллеры, в силу своего универсализма, часто страдают избыточностью. Отсюда возникает вывод о необходимости сбалансированного и комплексного подхода к разработке новых контроллеров. При выборе компонентной базы контроллеров должны учитываться не только функциональные возможности, но и себестоимость изделия, технологичность его производства в российских условиях, возможность использования свободно распространяемого программного обеспечения.

Таким образом, актуальность разработки интеллектуальных контроллеров для управления ускорительно-накопительными комплексами вызвана необходимостью решения следующих задач:

— замена компонентной базы контроллеров на более современную, уменьшение энергопотребления и себестоимости контроллеров на единицу ресурса;

— расширение коммуникационных возможностей контроллеров путем использования интерфейсов Ethernet и полноценной реализации протоколов TCP/IP;

— апробация Ethernet в качестве полевой шины и принципа построения системы управления на базе встраиваемых контроллеров с интерфейсом Ethernet;

— использование на контроллерном уровне преимуществ открытых систем для решения задач автоматизации;

— использование международных разработок в области специализированного программного обеспечения для систем автоматизации, исследование их возможностей;

— создание средств автоматизации, экономически адекватных финансовым возможностям отечественных научных институтов;

Цель диссертационной работы.

Основной целью работ, вошедших в диссертацию, стала разработка и внедрение семейства контроллеров и программного обеспечения для них, обеспечивающих решение задач автоматизации на современном уровне. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ архитектуры системы управления ускорительно-накопительным комплексом, и, в частности, места и роли интеллектуального контроллера в ней;

— сформулировать требования к аппаратной части интеллектуального контроллера и требования к системному программному обеспечению;

— разработать и реализовать архитектуру контроллеров САМАС, VME и встраиваемого контроллера с интерфейсом Ethernet;

— разработать и реализовать концепцию системного программного обеспечения контроллеров;

— использовать разработанные интеллектуальные контроллеры в качестве аппаратной базы для системы управления EPICS, исследовать возможности и границы применения системы;

— повести апробацию разработанных программно-аппаратных средств в системах управления реальными физическими установками;

— указать возможности дальнейшего усовершенствования программно-аппаратных средств контроллеров;

Научная новизна диссертационной работы.

1. В соответствии с целями диссертационной работы проанализирована архитектура систем управления ускорительно-накопительными комплексами, сформулированы требования к аппаратуре и программному обеспечению интеллектуальных контроллеров.

2. Предложены и реализованы архитектура и программное обеспечение интеллектуальных контроллеров, использующих программное обеспечение с открытым кодом. В частности, разработаны контроллеры в стандартах САМАС, VME, встраиваемый контроллер с интерфейсом Ethernet.

3. Предложен и реализован оригинальный метод программно-аппаратной защиты адресного пространства процессов в операционной системе uLinux.

4. Предложен и реализован оригинальный метод организации твердотельного диска с файловой системой ext2 в операционной системе uLinux.

5. Разработан ряд расширений ОС RTEMS, существенно расширяющих возможности этой ОС. В частности, загрузчик модулей формата elf и файловая система romfs.

6. На базе разработанных контроллеров апробирована система управления EPICS, изучены ее возможности и область применения.

7. Показаны возможности дальнейшего развития программно-аппаратных средств контроллеров.

Практическая ценность диссертационной работы и внедрение результатов.

1. Контроллер BIVME-1 используется в системе управления стендом магнитных измерений в ИЯФ им. Будкера СО РАН.

2. На базе контроллера BIVME-1 и разработанного автором VME крейта создано 6 стендов для разработки и отладки аппаратуры VME.

3. Освоена сборка дешевых крейтов VME. Стоимость контроллера, крейта VME и средств разработки: программного обеспечения сопоставима со стоимостью настольного ПК, что позволяет говорить о широком внедрении технологии VME.

4. Около 20 контроллеров САМАС СМ5307 работают в системе управления комплекса ВЭПП-5 в ИЯФ им. Будкера СО РАН.

5. Около 10 контроллеров IP302 используются в системе управления установкой ГДЛ в ИЯФ им. Будкера СО РАН.

6. Разработанный на базе контроллера IP302 специализированный мультиплексор эксплуатируется более чем в 20 городах и населенных пунктах России. Мультиплексор получил сертификат Минсвязи РФ и был включен в государственный реестр средств связи.

7. Получен практический опыт использования системы управления EPICS на установках: стенд магнитных измерений и 200 кВ электронная пушка форинжектора ВЭПП-5 (ИЯФ им. Будкера СО РАН). Апробация работы.

Результаты работы докладывались на научном семинаре в ИЯФ им. Будкера СО РАН, на конференциях: Automation, Control and Information Technology, June 10−13, 2002, Novosibirsk, RussiaXVIII конференция no ускорителям заряженных частиц RUPAC-2002, Обнинск, Россия и других. По теме работы опубликованы статьи [1−8]. На защиту выносятся результаты:

1. Анализ структуры систем управления ускорительно-накопительными комплексами и выработка на его основе требований к интеллектуальным контроллерам.

2. Разработка архитектуры интеллектуальных контроллеров, использующих программное обеспечение с открытым кодом.

3. Разработка семейства контроллеров САМАС, VME, встраиваемого контроллера с интерфейсом Ethernet.

4. Разработка системного программного обеспечения контроллеров.

5. Исследование на базе разработанных аппаратных средств возможностей и границ применимости системы управления EPICS.

6. Разработка сопутствующих средств отладки и тестирования контроллеров.

Личный вклад.

Автором сформулированы и реализованы цели диссертационной работы, получены основные научные и практические результаты. Внедрение результатов работы на реальных физических установках происходило при непосредственном участии автора.

4.7. Выводы.

Приведено сравнение различных программных систем управления. Рассмотрена система управления EPICS и особенности ее функционирования на интеллектуальных контроллерах САМАС и VME. В частности, при переносе контроллера ввода-вывода EPICS в операционную среду RTEMS, потребовалась разработка файловой системы romfs, сервера удаленной консоли, системы загрузки модулей для RTEMS. Исследования свойств системы EPICS проводились на реальных системах управления, по результатам эксплуатации которых сформулированы преимущества и недостатки системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты работы следующие:

1. Проанализирована структура систем управления ускорительно-накопительных комплексов с точки зрения места и роли в них управляющих микропроцессорных контроллеров. Сформулированы требования, предъявляемые к современным системам управления.

2. Сформулированы требования к аппаратуре и программному обеспечению интеллектуальных контроллеров, применяемых для управления ускорительно-накопительными комплексами.

3. Разработана аппаратная архитектура интеллектуальных контроллеров, удовлетворяющих сформулированным требованиям.

4. Разработана и доведена до мелкосерийного производства аппаратура интеллектуальных контроллеров трех типов: контроллер шины УМЕ BIVME-1, контроллер КАМАК СМ5307, встраиваемый контроллер IP302. При разработке автором были предложены и реализованы несколько оригинальных технических решений: метод организации flash диска, метод аппаратной защиты процессов в ОС uCLinux.

5. Для интеллектуальных контроллеров разработано системное программное обеспечение, которое включает начальный загрузчикадаптированные ОС трех видов (Linux, RTEMS, VXWORKS) — систему драйверов устройств, адаптированные средства разработки и генерации кода. Решена проблема организации файловых систем в бездисковых контроллерах.

6. Проанализирована структура программных систем управления. Приведена сравнительная характеристика программных систем управления, использующихся в современных системах научной автоматизации.

7. Адаптирован EPICS ЮС для использования в разработанных интеллектуальных контроллерах САМАС и УМЕ. Разработана программная среда, облегчающая разработку и эксплуатацию приложений EPICS.

8. На базе разработанных реальных систем управления с использованием интеллектуальных контроллеров, произведено исследование преимуществ и недостатков системы EPICS, сделан вывод о возможности использования контроллеров в сложных распределенных системах управления на базе EPICS.

9. Разработаны средства отладки и тестирования. В частности, налажена сборка крейтов УМЕ, адаптированы программные отладчики для использования с контроллерами.

10. Интеллектуальные контроллеры САМАС и VME используются в системах управления различных физических установок ИЯФ им. Будкера СО РАН. Аппаратура на базе встраиваемых контроллеров IP302 сертифицирована Министерством Связи и Информатизации РФ и включена в государственный реестр средств связи.

В заключение автор хотел бы выразить благодарность научным сотрудникам ИЯФ СО РАН: Г. С. Карпову, за помощь и консультации при разработке программного обеспечения ЯМР магнетометраЕ.А.Гусеву, за ряд конструктивных замечаний и предложений по системе EPICSзаведующему лабораторией 6−1 ИЯФ СО РАН, д.т.н. Э. А. Куперу и профессору, д.т.н. В. И. Нифонтову за помощь при подготовке диссертации.