Разработка аппаратуры сопряжения для многомашинных систем управления ускорителями заряженных частиц

В Институте ядерной физики СО АН СССР с 1965 года ведутся эксперименты по физике высоких энергий на ускорителях и накопителях заряженных частиц. Современные ускорители, как правило, являются сложными и дорогостоящими экспериментальными установками. Многообразие систем, разное функциональное назначение, территориальная разнесенность объектов управления усложняют задачу создания системы управления ускорителями. Такая система должна обладать повышенной эксплуатационной надежностью в условиях длительной круглосуточной работы экспериментальной установки. Аппаратура систем управления представляет собой широкий класс оборудования, состоящий из большого количества разнотипных устройств. По функциональному назначению их можно условно разделить на четыре основные группы:

1. Устройства логической обработки и хранения информации. Это прелще всего ЭВМ, накопители информации на магнитных лентах и дисках.

2. Преобразователи аналоговой информации в цифровой вид и обратные преобразователи управляющих сигналов. Эта группа устройств самая многочисленная и разнообразная, т.к. в системах управления ускорителями заряженных частиц приходится применять практически весь арсенал существующих преобразователей информации.

3. Аппаратные средства для организации системы управления, или структурные системные средства, основным назначением которых является передача данных мезду элементами системы, например, преобразователями информации и ЭВМ, а в распределенных многомашинных системах — между самими ЭВМ.

4. Средства взаимодействия оператора с управляющей системой. Данная группа устройств включает в себя дисплеи, терминалы ЭВМ, графопостроители, печатающие устройства, пульты управления и т. п.

Основные трудности, возникающие перед разработчиками аппаратных средств дая организации систем управления, связаны со следующими особенностями ускорителей:

1. Территориальная разнесенность объектов управления. Современные ускорители являются крупногабаритными сооружениями, занимающими помещения, удаленные друг от друга на расстояния от сотен метров до километров. Это обстоятельство не позволяет сконцентрировать аппаратуру управления в одном месте.

2. Различное функциональное назначение управляемых систем. Естественно, что требования, предъявляемые к высокочастотным системам питания резонаторов, существенно отличаются от требований к источникам питания электромагнитов ускорителей, или от требований к системе контроля вакуума.

3. Большое количество однотипных устройств и систем. Например, канал транспортировки электронного пучка в накопитель «Сибирь» содержит около 30 импульсных источников питания поворотных магнитов и линз и около 20 источников питания корректирующих магнитов.

4. Высокий уровень электромагнитных помех. Он определяется, в основном, необходимостью использования мощных импульсных источников питания таких систем как электроннооптические каналы, инжекторы и т. п.

5. Повышенные требования к надежности системы в течение продолжительного времени эксперимента. Ускорители являются дорогостоящими установками, функционирующими не один год, и в течение всего рабочего времени установки система управления должна быть безотказной. Кроме того, при проектировании системы управления необходимо учитывать перспективы ее развития. Появление новых задач и моральное старение радиоэлектронного оборудования приводит к необходимости модернизации систем, поэтому очень важно правильно выбрать стратегию проектирования, а в дальнейшем, развития и эксплуатации такой системы.

Многолетний опыт создания автоматизированных систем управления ускорителями в СССР [1−3] и за рубежом [4,5] позволяет сформулировать основные принципы построения таких систем.

1. Модульность аппаратуры, обеспечивающая взаимозаменяемость элементов, и возможность проведения модификаций.

2. Применение ЭВМ, оснащенных операционными системами с языками высокого уровня.

3. Распределение обязанностей между ЭВМ по функциональным и территориальным признакам.

4. Рациональное и методически обоснованное проектирование аппаратуры в целях получения высокой надежности.

Модульность аппаратуры обеспечивает легкую наращиваемость и расширяемость систем, поэтому разработчики стараются, по возможности, применять готовое модульное стандартное оборудование, например, КАМАК или какой-либо другой стандарт, а при разработке специализированных устройств выдерживают модульный принцип.

В настоящее время применение ЭВМ в системах управления является объективной необходимостью в связи со сложностью решаемых задач. При выборе типа ЭВМ в первую очередь учитывается ее производительность и оснащенность программным обеспечением. Надо отметить, что очень важным фактором повышения эффективности работы является предоставление возможности написания рабочих и тестовых программ самим физикам и инженерам, работающим на ускорителе, а это требует применения удобной операционной системы с языками высокого уровня. Очень важно также сохранить преемственность (или совместимость) программного обеспечения в новых усовершенствованных системах. С другой стороны, это обстоятельство вызывает определенные трудности при внедрении новой микрои процессорной техники.

Если системы управления раннего периода состояли, в основном, из одной управляющей ЭВМ [ 6 ], в настоящее время проявилась тенденция к распределению обязанностей между несколькими ЭВМ, причем обязанности распределяются как по территориальным, так и по функциональным признакам. Необходимость применения многомашинных систем вызвана тем обстоятельством, что производительности одной ЭВМ (быстродействия, пропускной способности каналов связи) уже недостаточно для решения задачи управления большими ускорительными комплексами. Кроме того, ускорительные комплексы, как правило, состоят из нескольких слабосвязанных подсистем, поэтому экономически выгодно осуществлять управление каждой подсистемой от собственной ЭВМ. Такая система обладает повышенной надежностью, хорошими возможностями развития и позволяет проводить автономно ряд работ: отладку программного обеспечения и аппаратуры, диагностику неисправностей и т. п.

Формирование концепций проектирования у разработчиков систем управления ускорителями достаточно ясно можно проследить на примерах создания систем управления ускорителями SPS Г 4,'7]и ВЭПП-4 С 8 Л. Именно эти системы выбраны для анализа по следующим причинам:

— презде всего, это примеры больших установок, где все проблемы, возникающие перед разработчиками подобных систем, выражены в полной мере;

— во-вторых, хотелось бы проследить эволюцию взглядов творческой группы ЦЕРНа, имеющей большое влияние на другие лаборатории. Например, в основе проекта структурной схемы системы управления ускорительно-накопительным комплексом (УЖ) в Серпухове [9] заложен тот же принцип территориального и функционального распределения системы, что и в системе SPS ;

— и, наконец, было бы целесообразно проследить развитие систем управления в ШФ, так как условия нашего института существенно отличаются от условий ЦЕРНа и являются, пожалуй, наиболее характерными для научно-исследовательских организаций АН СССР.

Большой протонный синхротрон SPS предназначен для ускорения протонов до: энергии 400 ГэВ и имеет диаметр накопительного кольца 2,2 км. Инжектором для него служит синхротрон PS на энергию 10 ГэВ.

Структура системы управления имела в первоначальном варианте звездообразную форму [ 7 ]. Такая структура определилась из-за двух основных факторов:

— наличия централизованного пульта управления с единой базой данных;

— наличия общей библиотеки программ.

Данная система включала в себя 24 управляющих ЭВМ, объединенных скоростной системой передачи данных, управляемой такой же машиной. Система передачи данных вместе с управляющей ЭВМ названа переключающим узлом. Дальнейшее развитие системы вылилось в увеличение количества ЭВМ до 60 и организацию пяти переключающих узлов. Распределение обязанностей между ЭВМ проделано, преимущественно, по функциональным признакам. В ходе проектирования системы не удалось найти единый модульный стандарт, который решал бы всю задачу управления в целом. Даже наиболее развитый к тому времени стандарт КАМАК не удовлетворял разработчиков, в основном, по следующим причинам:

— невозможность удаления аппаратуры КАМАК от ЭВМ на большие расстоянияк/ Последовательный стандарт КАМАК в то время не имел полного набора необходимых устройств.

— неполная номенклатура модулей;

— низкая помехозащищенность из-за общего контура заземления;

— высокая коммерческая стоимость модулей.

Все это привело к разработке специализированной модульной мультиплексирующей системы МРХ, обеспечивающей следующие структурные возможности:

— удаленность крейтов МЕХ друг от друга до нескольких сотен метров;

— гальваническая развязка линий в необходимых местах;

— группировка всех функций, необходимых для управления единицей оборудования, в один модуль МРХ.

Однако полностью исключать аппаратуру КАМАК из системы управления SPS разработчики не стали. С ее помощью подключены управляющие ЭВМ к системе МРХ, обеспечивая тем самым машинно-независимое подключение аппаратуры. Значительная часть аппарару-ры КАМАК использована в системах сбора данных о протонном пучке и в тех случаях, где аппаратура сосредоточена рядом с ЭВМ. Суммарное число модулей КАМАК в системе составляло величину порядка 800, а модулей МРХ — 5900. Подробные сведения о количественном и качественном составе аппаратуры управления SPS можно найти в работах [ 7,10 ] .

Заметную величину, примерно 15 $ всей аппаратуры системы управления, составляют средства для организации самой системы управления. Это, в основном, контроллеры крейтов КАМАК и МРХ, последовательные драйверы, аппаратура переключающих узлов. Причем, доля аппаратуры КАМАК стала возрастать особенно заметно при модернизации существующих систем, например, системы управления PS [II]. Это связано, в первую очередь, с развитием последовательного стандарта КАМАК, решившего основную проблему — удаление крейтов от ЭВМ на значительные расстояния, и с появлением модулей КАМАК, пригодных для задач управления. Система управления РS включает до 20 последовательных петель КАМАК, управляющих 100 крейтами. В системе предусматривается расширенное применение встроенных автономных контроллеров АСС Г 12] .

Дальнейшее развитие систем управления ускорителями в ЦЕРНе [ 13,14] определяется стремлением минимизировать цену системы за счет двух факторов:

— минимизация трасс вследствие локализации максимального количества управляющих функций в самих объектах управления с помощью микропроцессорных контроллеров;

— удешевление коммуникационной системы медду управляющим центром и контроллерами за счет применения СБИС и стандартного формата передачи данных.

Ускорительный комплекс ВЭПП-4 предназначен для ускорения встречных электронных и позитронных пучков до энергии 7 ГэВ [15]. В состав комплекса входят:

— электрон-позитронный накопитель ВЭПП-4 со средним радиусом 45,5 м и длиной равновесной орбиты 366 м;

— импульсный линейный ускоритель электронов на энергию 40 МэВ;

— синхротрон Б-4 до энергии 500 МэВ;

— электрон-позитронный накопитель ВЭПП-3 на энергию 1,8 ГэВ;

— электронно-оптические каналы транспортировки пучков.

В качестве источника позитронов используется импульсный линейный ускоритель, работающий с циклом I Гц. Полученные после конверсии позитроны на энергии 7 МэВ инжектируются в синхротрон Б-4, где ускоряются до энергии 400−500 МэВ, достаточной для ин-жекции и накопления в ускорителе ВЭПП-3. Накопленный в ВЭПП-3 позитронный пучок ускоряется до энергии 1,8 ГэВ и через электронад PA-1325 цм.

НМЛ Сх ' • Cl? Т5 (6шт) аП Cl.. 6 РТЗИ (Ьшт) г -1-^.

Н НМЛ, I •••^э Hcsosa (4шт) мультиплексор

ОДРАib О 5 «йЭПП-4» .

НМД -««.

ОДРА-1⁵ «КАНАЛ» .

ОДРА-13г5 вэпп-з" .

И Q О.

ЛS /~ч Л л к. х^ч ^.

Рис. 1. Структурная схема системы управления ВЭШ-4. но-оптический канал перепускается в ВЭПП-4, затем производится накопление электронного пучка. В этом режиме электроны инжектируются в синхротрон Б-4 непосредственно из линейного ускорителя с понижением его энергии до 7 МэВ. Для повышения эффективности установки необходимо улучшать такие параметры как светимость и время жизни пучков. Не менее важно также сокращение времени подготовки (или времени накопления) пучков и получение высокой долговременной надежности работы всех систем, что в большей степени зависит от автоматизации системы управления.

Структурная схема системы управления ВЭПП-4 представлена на рис. 1.

Система управления включает в себя 4 ЭВМ Одра-1325 и одну ЭВМ 0дра-1305 с оперативной памятью 32К 24-разрядных слов. Каждая ЭВМ оснащена дисковой памятью ЕС-5060 емкостью 0,8 Мбайт и тремя каналами последовательной связи. Один канал предназначается для связи управляющей ЭВМ с центральной ЭВМ (ЦМ) Одра-1325, оснащенной накопителями на магнитных дисках (НМД) ЕС-5052 и магнитных лентах (НИИ) РТ-3. По второму каналу организована связь с терминалами на пультах управления ускорительного комплекса, а по' третьему подключена управляющая и измерительная аппаратура. Этот канал обеспечивает три уровня ветвления с помощью магистральных станций (МС). Применение разработанного в ШФ СО АН СССР последовательного способа связи с управляющей аппаратурой [16] позволило существенно минимизировать суммарную длину кабелей на установке.

Основная часть измерительной и управляющей аппаратуры комплекса разработана в виде автономных узлов с буферными ЗУ емкостью 64 или 128 слов. Автономный функциональный узел (АФУ) представляет собой блок, состоящий из нескольких плат, на которых размещены оперативная память, блок управления, аналого-цифровые преобразователи, коммутаторы и т. п. Было разработано несколько типов АФУ разного функционального назначения [17]. Применявшиеся в АФУ блоки управления с «жесткой» логикой работы позволяли выполнять сравнительно простые операции, тем не менее, они сняли часть нагрузки с управляющих ЭВМ, сократили и упорядочили потоки данных в каналах связи. Дальнейшее развитие системы управления комплексом ВЭПП-4 связано, в первую очередь, с появлением новых экспериментальных задач и, как следствие, с созданием нового более совершенного оборудования, выполненного в стандарте КАМАК. Подключение аппаратуры КАМАК к действующей системе управления ВЭПП-4 проводилось с помощью программируемых контроллеров крейтов (КК) С 18]. В настоящее время в системе управления насчитывается около 18 крейтов КАМАК и 40 автономных узлов, а суммарное число модулей КАМАК равно 160. Затраты на средства организации системы (в отношении к затратам на всю систему) для ВЭПП-4 несколько ниже, чем для SPS. Это, по-видимому, вызвано тем обстоятельством, что подключение аппаратуры контроля и управления к ЭВМ и объединение самих ЭВМ осуществлялось без цромежуточного машиннонезависимого стандарта (в системе SPS таким стандартом является стандарт КАМАК). Анализ дальнейшего развития систем управления 5 PS и ВЭПП-4 позволяет сформулировать две основных проблемы при разработке аппаратуры сопряжения с ЭВМ:

— разработка контроллерных устройств для сопряжения аппаратуры с системой управления;

— разработка коммуникационной сети, объединяющей контроллеры и ЭВМ в одну систему. Такая сеть может включать в себя несколько иерархических уровней и должна обеспечивать связь управляющих ЭВМ как с аппаратурой управления, так и между самими ЭВМ.

Появление отечественных управляющих ЭВМ серии СМ и Электроника и их быстрое развитие делают весьма актуальной разработку многомашинных систем управления новых ускорителей на базе этих машин с учетом предыдущего опыта работы. Примером такой системы является система управления накопителем электронов «Сибирь-I», сооруженного в ИАЭ им. И. В. Курчатова [19] .

Создание аппаратуры сопряжения для организации многомашинных систем управления ускорителями заряженных частиц требует исследования и решения следующих задач:

1. Исследование информационных потоков, характерных для систем управления ускорителями.

2. Разработка методики проектирования и наладки аппаратуры.

3. Создание надежной и быстродействующей аппаратуры сопряжения с ЭВМ, обеспечивающей работу системы в реальном времени.

4. Наладка и запуск разработанных аппаратных средств в составе многомашинных систем управления ускорителями.

Решение первой из перечисленных задач позволяет сформулировать требования к пропускным способностям и функциональному назначению структурных средств.

Решение второй задачи существенно сокращает затраты на проектирование систем, ускоряет ввод их в действие и обеспечивает надежную эксплуатацию в условиях продолжительных циклов работы экспериментальной установки.

Создание аппаратуры является одной из основополагающих задач, от успешной реализации которой зависит надежность работы систем управления ускорителями заряженных частиц, их наращиваемость по функциям и, наконец, удобство эксплуатации.

В диссертационной работе изложены результаты исследований и разработок, проведенных автором в течении ряда лет по созданию аппаратных средств организации многомашинных систем управления ускорителями заряженных частиц.

Материалы диссертации расположены в следующем порядке:

В первой главе рассмотрены информационные потоки в системах управления ускорителями заряженных частиц. Приведено краткое описание основных элементов ускорителей, их режимы работы.

Во второй главе описаны средства сопряжения управляющих ЭВМ с контрольно-измерительной аппаратурой, выполненной в стандарте КАМАК. Описан способ организации контроллеров крейтов с ОЗУ NAF, повышающий быстродействие и минимизирующий потоки данных в системе. Рассмотрены особенности проектирования микропрограммных блоков управления контроллерами, позволяющие минимизировать количество используемых элементов с целью повышения эксплуатационной надежности системы.

Третья глава посвящена описанию аппаратуры сопряжения управляющих ЭВМ комплекса ВЭПП-4 с центральной ЭВМ, выполняющей функции архива. Приведено описание мультиплексора и адаптеров межмашинной связи с микропрограммной реализацией протокола физического уровня.

В четвертой главе приведено описание системы управления установкой «Сибирь-1», выполненной в соответствии с разработанными принципами организации многомашинных систем управления ускорителями. Приводится описание наладочных стендов на базе ЭВМ Электроника-60, позволивших в короткие сроки ввести в действие накопитель «Сибирь-Г' в ИАЭ им. И. В. Курчатова в Москве.

В заключении изложены основные результаты работы.

Материалы диссертационной работы опубликованы в работах Г8,18,19,23,36,40,47,50,51,60,62−65,721, докладывались и обсуждались на семинарах в ШФ СО АН СССР, на Ш, 1У, У, УП Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Москва, 1972, 1974 гг., Дубна, 1976, 1980 гг.), на П Всесоюзном совещании по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Новосибирск, 1982 г.), на П Всесоюзном симпозиуме по модульным информационно-измерительным системам (Москва, 1980 г.), на IX Международном симпозиуме по Ядерной электронике (Болгария, Варна, 1977 г.).

Основные результаты проведённой работы сводятся к следующему:

1. Проведены исследования информационных потоков в системах управления ускорительно-накопительными комплексами, позволяющие сформулировать требования к пропускной способности аппаратуры сопряжения для многомашинных систем управления.

2. Предложен, разработан и реализован новый подход к проектированию контроллеров КАМАК, заключающийся во введении в контроллер оперативного запоминающего устройства для хранения инструкций, сокращающего поток данных между ЭВМ и аппаратурой КАМАК и обеспечивающего управление ускорителем в реальном времени.

3. Предложены и реализованы в аппаратуре сопряжения с ЭВМ схемные решения, использующие технику микропрограммирования для минимизации числа элементов с целью повышения эксплуатационной надежности системы в целом.

4. Разработана и введена в действие на управляющем ВЦ «Одра» система межмашинной связи, обеспечивающая высокоскоростную передачу данных в последовательном виде. Система позволила решить задачу организации долговременного хранения информации не только для управляющих ЭВМ комплекса ВЭПП-4, но и для других экспериментальных и технологических установок Института, таких как: термоядерные установки ГОЛ, ПСПэкспериментальные установки на ВЭПП-2 и т. д. Данная система существенно улучшила эксплуатационные и надежностные характеристики системы управления экспериментальными физическими установками.

5. Разработана и введена в действие многомашинная система управления специализированным источником синхротронного излучения — накопителем «Сибирь-1» в ИАЭ им. И. В. Курчатова. Структура и принципы организации системы управления накопителем «Сибирь-1» использованы в проекте системы управления большим накопителем на энергию 2,5 ГэВ ССибирь-2″) для ИАЭ им. И. В. Курчатова.

6. Введены в действие автоматизированные стенды для наладки управляющей аппаратуры, существенно сократившие трудоемкость наладки и, что особенно важно, позволившие проводить тестирование аппаратуры на качественно новом уровне в динамических режимах.

В заключение мне приятно выразить глубокую благодарность научному руководителю Нифонтову В. И. за научное руководство и постоянное внимание во время проведения работызаведующему лабораторией Карлинеру М. М. за большое внимание к работе и полезные обсужденияКуперу Э.А., Корчуганову В. Н., Левичеву Б. В., Овчару В. К., Ощепкову Ю. И., Пискунову Г. С., Путьмакову А. Н., Уварову Н. П. и другим сотрудникам ИЯФ, принимавших участие в обсуждении, проектировании и наладке описанных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Современные ускорительно-накопительные комплексы являются одним из основных инструментов физики высоких энергий, а также источниками синхротронного излучения, применяемого для научных и технологических целей. Большое количество, многообразное функциональное назначение, территориальная разнесенность систем, обеспечивающих работу ускорительно-накопительных комплексов, не позволяют решить задачу управления ускорителями без применения многомашинных систем управления, для которых весьма актуальна проблема разработки аппаратных средств организации систем. Необходимость проведения на ускорительно-накопительных комплексах продолжительных экспериментов заставляют особенно внимательно решать проблемы повышенной эксплуатационной надежности аппаратуры сопряжения.