«АВТОМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ТРИТИЕВЫХ КОМПЛЕКСАХ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ УСТАНОВОК ТРИТОН, АКУЛИНА И ПРОМЕТЕЙ ...»

РОССИЙССКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО – ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

(РФЯЦ-ВНИИЭФ)

На правах рукописи

УДК 539.1.07; 53.08:004; 001.89:004

Курякин Алексей Валерьевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ТРИТИЕВЫХ

КОМПЛЕКСАХ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ УСТАНОВОК

«ТРИТОН», «АКУЛИНА» И «ПРОМЕТЕЙ»

Специальность: 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саров

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ

ВНИИЭФ Всероссийский НИИ экспериментальной физики, г. Саров – ОИЯИ Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна – ЛЯР Лаборатория ядерных реакций им. Флерова (ОИЯИ) – ЛЯП Лаборатория ядерных проблем им. Джелепова (ОИЯИ) – СПбГУ Санкт-Петербургский государственный университет – СПбГУТ Санкт-Петербургский государственный университет – телекоммуникаций им. М.А. Бонч-Бруевича НИИФ СПбГУ НИИ физики в СПбГУ – ТРИТОН исследовательская установка для изучения мюонного катализа – ядерных реакций синтеза на фазотроне ЛЯП ОИЯИ АКУЛИНА исследовательская установка для изучения экзотических, – нейтронно-избыточных ядер на циклотроне U-400M ЛЯР ОИЯИ ПРОМЕТЕЙ исследовательский стенд для изучения явлений пропускания и – накопления изотопов водорода в металлах, ВНИИЭФ АСКУ автоматизированная система контроля и управления – CuRves in Windows – for Data AcQuisition – созданный автором CRW-DAQ – пакет для автоматизации АСКУ, http://www.crw-daq.ru ПК персональный компьютер – ПО программное обеспечение – ОС, OS операционная система, operation system – ИК, IC ионизационная камера, ionization camera – АЦП, ADC аналого-цифровой преобразователь, analog - digital converter – МК, MCF мюонный катализ (ядерных реакций), muon catalyzed fusion – КМ конструкционные материалы – ИВ изотопы водорода – ЯВУ язык высокого уровня (C, Pascal, Fortran,…) – VM, ВМ Virtual Machine, Виртуальная Машина – Real Time Data Base – база данных реального времени RTDB – SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition ШИМ широтно-импульсная модуляция – МНК метод наименьших квадратов – region of interest, область интереса ROI – Just In Time, принцип компиляции «на лету»

JIT – DIM – Distributed Information Manager, http://dim.web.cern.ch МКИ метод концентрационных импульсов – multi-document interface, многодокументный интерфейс Hyper Text Transfer Protocol – сетевой протокол Internet Оглавление ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ

НА УСТАНОВКЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ТРИТОН

1.1. Установка ТРИТОН для исследования мюонного катализа ядерных реакций................ 1.2. Структура тритиевого комплекса установки ТРИТОН

1.3. Аппаратурное и программное обеспечение АСКУ тритиевого комплекса

1.4. Инструментальный программный пакет для автоматизации физических экспериментов

1.4.1. Общая структура пакета

1.4.2. Компоненты пакета

1.5. Автоматизация комплекса подготовки газовой смеси и системы радиационного контроля 1.6. Управление сменными мишенями и измерение параметров газовой смеси

1.7. Анализ молекулярного состава газовой смеси

1.8. Результаты экспериментов на установке ТРИТОН

1.9. Выводы

2. УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМАМИ ДЛЯ ПОДАЧИ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА

ЦИКЛОТРОНА У-400М И КОМПЛЕКСОМ ТРИТИЕВОЙ МИШЕНИ НА

УСТАНОВКЕ АКУЛИНА

Установки АКУЛИНА

Управление системой подачи ИВ в ионный источник циклотрона У-400М

Управление комплексом тритиевой мишени

Результаты экспериментов на установке АКУЛИНА

Выводы

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ

СТЕНДЕ ПРОМЕТЕЙ

3.1. Исследовательский стенд ПРОМЕТЕЙ

3.2. Аппаратура для автоматизации стенда ПРОМЕТЕЙ

3.3. Программное обеспечение для автоматизации экспериментов на стенде ПРОМЕТЕЙ. 3.3.1. Управление газовакуумной системой

3.3.2. Управление нагревателями фильтров, источников и ловушек ИВ

3.3.3. Измерения на исследовательских ячейках

3.3.4. Масс-спектрометрические измерения

3.3.5. Система радиометрического контроля

3.4. Результаты экспериментов на стенде ПРОМЕТЕЙ

3.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО

ПАКЕТА CRW-DAQ

Системы реального времени и отказоустойчивые системы

Примеры калибровок

Интерпретатор языка DaqScript

Реализация динамических расширений DPE

Построение отказоустойчивых систем управления

Работа АСКУ как навигация в фазовом пространстве

Распределенные АСКУ на базе DIM и WEB технологий

Конфигурирование измерительных систем CRW-DAQ

Система ограничения прав доступа к АСКУ

Особенности программной реализации пакета CRW-DAQ

Листинги

Введение Работа выполнена в ходе создания исследовательских установок «ТРИТОН»

«АКУЛИНА»

Исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и исследовательского комплекса «ПРОМЕТЕЙ» в Актуальность темы В РФЯЦ-ВНИИЭФ интенсивно развивается тематика [1], связанная с изучением взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами (КМ). Это обусловлено, в частности, потребностями развития современных направлений в энергетике – созданием ядерных реакторов нового поколения, созданием материалов и топливного цикла термоядерных реакторов, а также созданием материалов и инфраструктуры водородной энергетики [2].

сотрудничество между РФЯЦ-ВНИИЭФ и ОИЯИ в области исследований мюонного катализа (МК) [3] ядерных реакций синтеза и исследований структуры экзотических легких ядер и ядерных систем, находящихся на границе нейтронной стабильности. В этих исследованиях для получения пучков заряженных частиц и в качестве мишеней используются изотопы водорода и их смеси.

Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ с 60-х годов. Здесь было открыто и объяснено явление резонансного образования молекулы ddµ [4], скорость которого сильно зависит от температуры, что обуславливает необычное свойство МК – зависимость ядерной реакции синтеза ИВ от температуры, плотности и состава смеси. В 1992 г. было предсказано [5], что скорость резонансного образования dtµ-молекулы в тройной H/D/T смеси намного выше, чем в бинарной D/T смеси.

Для исследований МК и нахождения оптимальных условий протекания МК в H/D/T-смесях в 1995 г. в низкофоновой лаборатории фазотрона ЛЯП ОИЯИ началось создание установки ТРИТОН [6], предназначенной для исследования процессов МК реакций синтеза в смесях ИВ в широком диапазоне температур, давлений и концентраций. По условиям эксперимента в мишени должно находится до 10 кКи (3,7·1014 Бк) трития, а в закрытом источнике - до 100 кКи [7]. Поэтому важной частью установки является автоматизированный радиационно-безопасный комплекс высокого давления для работ с тритием [8,9].

В 2000 г. в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) ОИЯИ началась подготовка к экспериментам по получению и изучению нуклонно-нестабильных ядер 4H и 5H на установке АКУЛИНА [10,11]. Для этих экспериментов требовалось обеспечить пучок ускоренных ионов трития [12,13] и создать жидкую тритиевую мишень со стенками толщиной несколько микрон, в которой находится до 1 кКи (3,7·1013 Бк) трития [14,15], и систему контроля и управления для нее [16].

Задача создания радиационно-безопасных тритиевых комплексов и мишеней на установках ТРИТОН и АКУЛИНА решалась в РФЯЦ-ВНИИЭФ, где накоплен большой опыт работы с изотопами водорода.

Для изучения взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами в 2001 г. в РФЯЦ-ВНИИЭФ создан исследовательский комплекс низкого давления ПРОМЕТЕЙ [17,18], позволяющий безопасно работать со всеми изотопами водорода, включая тритий. На нем с 2001 г. ведутся исследования проницаемости и сверхпроницаемости ИВ через металлические мембраны, а также явлений проникновения, накопления и диффузии водорода в металлах и конструкционных материалах.

Функционирование указанных исследовательских тритиевых комплексов и проведение на них физических экспериментов без высокого уровня автоматизации невозможно. Системы автоматизации тритиевых комплексов должны обеспечивать высокую надежность управления и измерения физических и технологических параметров. Кроме того, для безопасного проведения работ на этих комплексах требуется непрерывный мониторинг объемной активности трития в газовых коммуникациях и воздушной среде рабочих помещений, оповещение персонала при возникновении опасных ситуаций, а также наличие автоматических блокировок для предотвращения аварийных ситуаций.

Все эти обстоятельства обуславливают актуальность данной работы.

Цели и задачи работы Целью диссертационной работы являлась автоматизация физических предназначенных для проведения фундаментальных и прикладных исследований с использованием изотопов водорода (в том числе трития) в ОИЯИ и РФЯЦВНИИЭФ.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

1. Создана инструментальная программная среда для быстрой разработки высоконадежных распределенных автоматизированных систем контроля и управления (АСКУ) физическими экспериментами на исследовательских установках, оснащенных газовакуумными комплексами для работы с изотопами водорода, включая тритий.

2. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для систем сбора данных и управления тритиевых комплексов и мишеней установок, предназначенных для проведения экспериментов по мюонному катализу ядерных реакций (ТРИТОН) и экспериментов по изучению легких нейтронно-избыточных ядер (АКУЛИНА) на ускорителях ОИЯИ.

3. Решена задача автоматизации исследований на стенде ПРОМЕТЕЙ, предназначенном для изучения взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами в РФЯЦ-ВНИИЭФ, а также проводимых на нем физических измерений.

Научная новизна работы Разработана оригинальная инструментальная программная среда (пакет CRW-DAQ), дающая качественно новые возможности для быстрой разработки высоконадежных многопоточных и многомашинных распределенных систем автоматизации физических измерений и управления для научных исследований в государственном реестре РФ [19].

Впервые созданы системы автоматизированного управления и сбора данных для тритиевых комплексов и мишеней, обеспечивающие в условиях неспециализированных лабораторий высокий уровень радиационной безопасности и надежности при проведении экспериментов с большими количествами трития (исследовательские установки ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ).

Автоматизированный тритиевый комплекс установки ТРИТОН позволил впервые в экспериментах с D/T-смесями получить параметры цикла мюонного катализа dt-реакции в широком диапазоне температур 20-800 K, плотностей 0,2-1, LHD (плотность жидкого водорода) и концентраций трития 15-86%.

С использованием автоматизированной системы подачи изотопов водорода в ионный источник циклотрона У-400М и автоматизированного комплекса тритиевой мишени на сепараторе АКУЛИНА впервые были изучены резонансные уровни нейтронно-избыточных ядер 4H и 5H.

Автоматизированный стенд низкого давления ПРОМЕТЕЙ позволил впервые экспериментально подтвердить явление сверхпроницаемости для трития и измерить скорость мембранной откачки трития через ниобиевые и ванадиевые мембраны при различных давлениях и температурах.

Практическая ценность работы Разработанный инструментальный пакет CRW-DAQ использовался для разработки программного обеспечения автоматизированных тритиевых комплексов установок ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ. Кроме того, с его помощью автоматизированы исследования диффузии водорода в металлах в НИИФ СПбГУ и термостабилизацией спектрометра фотонов PHOS [20] в эксперименте ALICE [21] на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРН [22,23].

АКУЛИНА позволили провести исследования процессов мюонного катализа в смесях изотопов водорода в широком диапазоне температур, давлений и концентраций [24,25,26,27,28,29,30,31,32,33], получить нейтронно-избыточные ядра 4Н и 5Н и изучить их характеристики [34,35,36,37,38,39], На автоматизированном стенде ПРОМЕТЕЙ проведены исследования явления сверхпроницаемости изотопов водорода через металлы, а также исследования явлений накопления и пропускания трития металлами и конструкционными материалами [40,41,42,43,44,45,46].

комплексов установок ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ обобщен в ряде публикаций [47,48,49,50,51], и может быть использован при решении задач автоматизации других экспериментальных установок, в которых применяются изотопы водорода.

Личный вклад автора Проанализированы требования к программному обеспечению для автоматизации тритиевых комплексов исследовательских установок и разработан программный пакет CRW-DAQ (около 140 тысяч строк кода) – инструментальная среда для разработки высоконадежного программного обеспечения для их автоматизации.

Решен ряд методических вопросов высоконадежного сбора данных и управления узлами комплекса подготовки газовой смеси (КПГС) и мишеней установки ТРИТОН, установки для подачи изотопов водорода в ионный источник циклотрона У-400М, комплекса жидко-тритиевой мишени установки АКУЛИНА и измерительных ячеек исследовательского стенда ПРОМЕТЕЙ.

Разработана основная часть алгоритмов сбора данных и управления для АСКУ тритиевых комплексов установок ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ.

Автор участвовал в подготовке и проведении большинства физических экспериментов, выполненных на установках ТРИТОН и АКУЛИНА, а также в подготовке экспериментов на стенде ПРОМЕТЕЙ.

На защиту выносятся 1. Инструментальная программная среда (пакет CRW-DAQ), дающая качественно новые возможности для разработки высоконадежных, отказоустойчивых, радиационно-безопасных распределенных автоматизированных систем контроля и управления газовакуумными комплексами исследовательских установок, работающих с изотопами водорода, включая тритий.

2. Методические решения и программное обеспечение для автоматизации уникальных тритиевых мишенных комплексов на установках ТРИТОН и АКУЛИНА, созданных для изучения мюонного катализа ядерных реакций синтеза в смесях изотопов водорода и для изучения нейтронно-избыточных легких ядер, образующихся при взаимодействии пучка ионов трития с тритиевой мишенью, а также управления системой подачи изотопов водорода в ионный источник циклотрона для получения тритиевого пучка.

3. Система автоматизации управления, технологических и физических измерений на установке низкого давления ПРОМЕТЕЙ, предназначенной для изучения явлений сверхпроницаемости изотопов водорода, а также накопления и пропускания трития металлами и конструкционными материалами.

Апробация работы Материалы, представленные в диссертации, докладывались на семинарах во ВНИИЭФ (г. Саров), ОИЯИ (г. Дубна); на 1, 2 и 3 международных семинарах "Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами (IHISM)", Саров'2001, Саров'2004, Санкт-Петербург'2007; международном Уральском семинаре "Радиационная физика металлов и сплавов", Снежинск'2003; на 1 и международных конференцях "Мюонный катализ и связанные экзотические атомы.

конференции по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, Саров'2001;

международных симпозиумах по экзотическим ядрам, Байкал'2001, Ладога'2004;

Германия, Баден-Баден'2004.

Публикации Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 20 печатных работах, в том числе 16 в реферируемых журналах: ВАНТ – 4, ЖЭТФ – 2, Материаловедение – 2, Приборы и техника эксперимента – 1, Известия РАН – 1, Ядерная Физика - 1, Nuclear Instruments and Methods – 2, Fusion Science and Technology – 2, Physics Letters B – 1.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и приложения. Общий объем 119 страниц. Диссертация содержит 57 рисунков, 6 таблиц и список использованных источников из 81 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели работы, изложены научная новизна и значимость, отмечена научная и практическая ценность работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена вопросам автоматизации комплекса подготовки газовой смеси (КПГС) и мишеней, созданных в РФЯЦ-ВНИИЭФ для установки ТРИТОН (ЛЯП ОИЯИ, г. Дубна), предназначенной для изучения процессов МК ядерных реакций в H/D/T-смесях в диапазоне температур 20800 К, давлений до 160 МПа и активности трития в свободном состоянии до 10 кКи (3,7·1014 Бк).

Описан разработанный автором инструментальный программный пакет CRW-DAQ [19,47,48,49,50,51], предназначенный для разработки высоконадежных систем автоматизации газо-вакуумных комплексов исследовательских установок.

Описана структура многомашинной системы сбора данных и управления для комплекса подготовки газовой смеси и мишеней. Обсуждаются вопросы автоматизации при подготовке смесей ИВ, измерении их изотопного и молекулярного состава, измерения и стабилизации параметров смеси ИВ в мишенях различного типа, радиометрических измерений.

Приведены результаты большой серии экспериментов по изучению МК в D/T и D/D смесях, выполненных на установке ТРИТОН В 1997-2004 гг.

Вторая глава содержит краткое описание системы подачи изотопов водорода в ионный источник циклотрона У-400М, жидко-тритиевой мишени и комплекса её газового обеспечения на установке АКУЛИНА, предназначенной для экспериментов по изучению нуклонно-нестабильных легких ядер в ЛЯР ОИЯИ (г.

Дубна).

Обсуждаются аппаратурные и программные особенности управления системой подачи ИВ в ионный источник, управления комплексом мишени при ее заполнении тритием, высокоточной стабилизации температуры мишени, а также радиационного контроля.

Приведены результаты использования этих автоматизированных систем при получении пучка ускоренных тритонов и подготовке криогенных мишеней (дейтериевой и тритиевой) в экспериментах по получению и изучению ядер 4H, 5H.

комплекса низкого давления исследовательского стенда ПРОМЕТЕЙ, созданного в РФЯЦ-ВНИИЭФ. Основное внимание уделено вопросам управления экспериментами по изучению проникновения и накопления ИВ в металлах сверхпроницаемости ИВ через металлические мембраны. Описана система радиометрического контроля по тритию, предназначенная для обеспечения радиационной безопасности при эксплуатации стенда. Приведены данные о проведенных на автоматизированном стенде ПРОМЕТЕЙ экспериментах.

В заключении формулируются основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении приводятся дополнительные сведения о методических и программных решениях, которые применялись при реализации пакета CRW-DAQ и АСКУ тритиевых комплексов ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ. Обсуждаются вопросы пострения отказоустойчивых систем управления реального времени.

Рассматриваются вопросы создания распределенных многомашинных систем управления с использованием разработанного в ЦЕРН протокола DIM и WEBтехнологий. Обсуждаются детали реализации встроенных в пакет CRW-DAQ языков программирования. Приводятся дополнительные схемы и таблицы, иллюстритующие устройство и работу АСКУ тритиевых комплексов ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ.

1. Программное обеспечение для автоматизации измерений на установке высокого давления ТРИТОН 1.1. Установка ТРИТОН для исследования мюонного катализа ядерных реакций Явление мюонного катализа ядерных реакций синтеза изотопов водорода [3] состоит в том, что мюон µ - способен замещать электрон в молекулах ИВ, образуя мезомолекулы (ppµ, pdµ, ptµ, ddµ, dtµ, ttµ). Масса мюона в ~200 раз больше массы электрона и мезомолекула в ~200 раз меньше обычной молекулы, поэтому ядра d, t сближаются настолько, что могут туннелировать через кулоновский барьер, и инициировать реакцию синтеза, например:

Поскольку мюон не участвует в реакции, он может инициировать следующую реакцию синтеза, выступая катализатором ядерной реакции, подобно обычным катализаторам в химии. Процесс МК ограничен временем жизни мюона и химическими факторами: скоростью образования мезомолекул и «прилипанием»

мюона к радиогенному гелию при образовании мезоатома µ, которое действует подобно «отравлению» катализатора в химии. Важной особенностью МК является зависимость течения ядерной реакции синтеза от макроскопических (температура T, плотность, давление P) и химических (состав H/D/T смеси) условий, влияющих на образование мезомолекул.

Для исследования мюонного катализа (МК) ядерных реакций синтеза в H/D/T-смесях в диапазоне температур 20800К, давлений до 160 МПа и активности трития в свободном состоянии до 10 кКи (3,7·1014 Бк) на мезонном пучке фазотрона ЛЯП ОИЯИ в 1996 году была создана установка ТРИТОН. Эта работа проводилась в рамках программы научно-технического сотрудничества РФЯЦ-ВНИИЭФ и ОИЯИ (Дубна).

Установка ТРИТОН состоит из ядерно-физического и тритиевого комплексов. Ядерно-физический комплекс (Рис.1,а) создан специалистами ЛЯП ОИЯИ для регистрации частиц от реакций d-t синтеза и распада мюонов [25].

Сцинтилляционные счетчики 1, 2, 3 и пропорциональный счетчик 4 регистрируют прохождение мюона в мишень. Детекторы полного поглощения ND1, ND регистрируют нейтроны, возникающие в реакции d-t синтеза. Пропорциональный счетчик 5 и сцинтилляторы 1-e, 2-e регистрируют электроны от распада мюонов.

АСКУ САГС

Рис.1. Ядерно-физический (а) и тритиевый (б) комплекс установки ТРИТОН.

В задачу специалистов РФЯЦ ВНИИЭФ входило создание радиационнобезопасного тритиевого комплекса, обеспечивающего безаварийную работу с нужными количествами трития в условиях неспециализированной лаборатории [7].

1.2. Структура тритиевого комплекса установки ТРИТОН Тритиевый комплекс (Рис.1,б) служит для подготовки смеси ИВ требуемого изотопного состава, заполнения мишени, контроля и стабилизации температуры и давления в мишени, контроля радиационной обстановки. Он включает комплекс подготовки газовой смеси (КПГС) [6], криогенную установку [52] и сменные мишени: жидко-тритиевую мишень (ЖТМ) [53], тритиевую мишень высокого давления (ТМВД) [54], дейтериевую мишень высокого давления (ДМВД) [55]. В него также входят: система анализа состава газовой смеси (САГС) [56,57], система радиационного контроля по тритию (СРК) [58] и АСКУ [8].

Конструктивно КПГС (Рис.2) состоит из 10 связанных между собой подсистем (Рис.3). Герметичный бокс, где находятся основные элементы КПГС, обеспечивает подготовку смеси заданного состава и её подачу к мишени.

Вакуумный пульт выполняет вакуумирование рабочих газовых коммуникаций, молекулярный анализ газовой смеси. Ресивер нужен для сброса «хвостов» газовой смеси с выхлопов форвакуумных насосов. Установка газовой очистки нужна для очистки газовых смесей от следов трития и его соединений, находящихся в герметичных объемах (боксе, ресивере и т.п.). Установка раннего предупреждения предотвращает выброс в атмосферу газовых смесей, содержащих тритий выше установленных норм. Сборка насосов вакуумирует ресивер, газовые линии, герметичные технологические объемы и т.п. Баллонный пост обеспечивает подачу диффузионно-чистого протия и дейтерия к КПГС, заполнение герметичных технологических объемов инертным газом и питание газового радиохроматографа газом-носителем. Система радиометрического контроля следит за состоянием элементов КПГС и радиационной обстановкой в рабочей зоне. Электрический пульт дает ручное управление и контроль КПГС и мишени.

BL BS1-BS2 - генераторы протия и дейтерия; BS3- генератор трития; BS4 - смесевой генератор; BS5, BS6 урановые ловушки; BS7 - ловушка адсорбционная; PA - преобразователь ионизационный ПМИ-2; PT - преобразователь термопарный; CV1, CV2 - емкости; CV3 - ресивер; CV4 - емкость водородная; D1, D2 - датчик давления "Сапфир-22-ЕхМ"; М - тритиевая мишень высокого давления; TH - тягонапорометр; IC - камера ионизационная; NM - насос магниторазрядный; ND - насос диффузионный; NJ - насос форвакуумный; РР - ротаметр; Р - пробоотборник;

Т- выключатель гидравлический; К - конвертор; А - адсорбер; BD - воздуходувка; BW - фильтр маслоотбойный;

F1-F3 - фильтры диффузионные; BL - баллоны с газами; F4-F6 - фильтры аэрозольные; V - вентили; E - клапаны электромагнитные; PD - стрелочные манометры, вакууметры и моновакууметры; КР - клапан предохранительный;

RD - газовые редукторы; VT - клапан вентиляционный; СИЗ - средства индивидуальной защиты.

Для такой сложной установки, с учетом ее радиационной опасности, необходима система автоматизированного управления. Управление комплексом при этом значительно упрощается, становится более надежным и предсказуемым, снижается влияние на устойчивость работы установки “человеческого фактора” (замедленная реакция, ошибки по невнимательности), что особенно важно при круглосуточной, непрерывной работе на установке во время сеанса измерений.

Рис.3. Структурная схема КПГС. D – точки дозиметрического контроля.

измерений (измерения температур, давлений и вакуума) и управление узлами комплекса (вакуумными насосами, вентилями и клапанами), регулирование температуры источников и фильтров; измерение изотопного и молекулярного состава газовой смеси для наполнения мишени, измерение и поддержание параметров газовой смеси в мишени в ходе эксперимента. Она также служит для блокировки исполнительных устройств (при возникновении аварийно-опасных ситуаций), аварийного оповещения в случае радиационной опасности, ведения протокола эксперимента, визуализации состояния комплекса в реальном времени и первичной математической обработки данных.

1.3. Аппаратурное и программное обеспечение АСКУ тритиевого комплекса АСКУ конструктивно выполнена в виде трех подсистем в сети Ethernet, каждая базируется на своем ПК (Рис.4). PC_1 обеспечивает работу КПГС [6] и СРК [58], PC_2 – работу с мишенью (ЖТМ [53], ТМВД [54] и ДМВД [55]), а PC_3 – контроль САГС [56,57]. Такое разделение учитывает необходимость наблюдения большого количества физических и технологических параметров одновременно, а также совместной работы группы операторов со всеми подсистемами комплекса.

При этом КПГС и СРК используются непрерывно, от подготовки сеанса до его завершения, подсистема мишени - при подготовке, заполнении и эксплуатации мишени, а САГС - периодически для изотопного анализа проб газовой смеси.

АСКУ построена в виде распределенной сети интеллектуальных модулей, связанных с управляющим компьютером по стандарту RS-232 и RS-485. В ней используется 23 измерительных устройств, включая 17 модулей серии I-7000, контроллера TPG-256, 3 интеллектуальных контроллера КРО и карту цифрового ввода-вывода DIO-144. Суммарно система имеет 140 измерительных каналов, включая 101 цифровых и 39 аналоговых, при этом управляющими являются каналов (Таблица 1).

Таблица 1. Список измерительных каналов АСКУ ТРИТОН.

Термопарные измерения температуры нагревателей источников аналоговый Контроль состояний ручных вентилей с датчиками положения дискретный Измерение температуры мишени криогенными термодиодами аналоговый Измерение высокого давления тензометрическими датчиками аналоговый Для аналогового и дискретного контроля и управления узлами КПГС используются модули серии I-7000 фирмы ICP DAS, выбор которых обоснован в подключенные к контроллерам TPG-256, оснащенным интерфейсом RS-232. Для контроля состояний вентилей и клапанов используется карта дискретного ввода/вывода DIO-144 на шине ISA. Для контроля радиационной обстановки и анализа газовой смеси используется специальное оборудование (разделы 1.5, 1.7).

Программное обеспечение АСКУ комплекса, являющегося распределенной многомашинной системой, разработано базе описанного ниже инструментального пакета CRW-DAQ [19]. Ядро пакета запускается на всех компьютерах АСКУ при старте ОС. Конкретная программа работы на каждом компьютере определяется загружаемым файлом конфигурации на языке DAQ Config (раздел 1.4.2.5).

Конфигурационные файлы ссылаются на прикладные программы, содержащие алгоритмы управления на языке DAQ Pascal, калибровки, мнемосхемы и другие ресурсы.

физических экспериментов Современные промышленные системы автоматизации обычно строятся на базе серийной модульной цифровой измерительной аппаратуры и промышленных инструментов (SCADA), позволяющих скрыть от разработчика прикладных программ сложность системного программирования, предоставив ему простой программный интерфейс для создания прикладных алгоритмов управления. Для решения стандартных задач автоматизации в промышленности обычно используются коммерческие пакеты SCADA (Lab View, Trace Mode, WinCC и т.д.), коды которых разработчику не предоставляются.

Для автоматизации исследовательских установок и физических измерений использование таких пакетов затруднено по ряду причин. Так, например, в тритиевых комплексах исследовательских установок применяется специальное измерительное оборудование - аппаратура для вакуумных измерений, массспектрометрии, газовой радиохроматографии и изотопного анализа H/D/T смесей;

техника для измерений в области криогенных температур; устройства для контроля объемной активности трития в технологических объемах и воздушной среде. При использовании закрытых коммерческих пакетов возникают проблемы с драйверами нестандартных устройств. Кроме того, тритиевые установки являются опасными объектами и требуют полной предсказуемости поведения системы управления, которую трудно гарантировать при использовании закрытых пакетов.

По этим причинам открытое ПО представляется более привлекательным для поставленных задач. Открытый исходный код дает полную информацию о деталях работы системы управления, позволяя сделать её поведение более предсказуемым и надежным. Другое важное достоинство открытого ПО – полный контроль над развитием проекта и независимость от конкретного производителя. Судьба таких крупных фирм, как DEC, Sun, Borland, Ericson и других показывает, что «фирменность» еще не является гарантией устойчивого развития проектов ПО.

По указанным причинам с 1996 года во ВНИИЭФ была начата разработка собственного инструментального программного пакета, названного CRW-DAQ, предназначенного для решения двух основных задач - разработки систем сбора данных и управления, а также для первичной обработки измеренных экспериментальных данных [47,48,49,50,51]. В 2006 г. пакет был официально зарегистрирован в государственном реестре Российской Федерации [19].

Название пакета (CuRves in Windows for Data AcQuisition) отражает идею создания графически ориентированной среды для физиков-экспериментаторов, в которой работа происходит в основном с графиками данных (кривыми в окнах), а не с таблицами, как в ряде других пакетов. Пакет разрабатывался на языке Object Pascal с помощью компилятора Delphi 5 [60]. Пакет работает в операционных системах Windows-NT/2000/XP/Vista/7 и использует возможности вытесняющей приоритетной многозадачности, предоставляемые ядром Windows-NT. Для АСКУ тритиевых комплексов достаточен программный опрос с периодом 110 мс, которого позволяет добиться потоковая модель Windows-NT, так как основные исполнительные устройства (клапаны, насосы, нагреватели) требуют времени реакции порядка 100 мс, см. также Приложение 1.

Учитывая большое число и сложность SCADA систем, их сравнение могло бы стать темой отдельного исследования. Таблица 2 содержит лишь краткое сравнение пакета CRW-DAQ с другими. Достоинства отмечены зеленым цветом, а недостатки - желтым. Ряд различий нельзя однозначно отнести к достоинствам или недостаткам. Так, текстовая среда разработки является и недостатком (её труднее осваивать), и достоинством (она дает возможность автоматизации поиска\замены переменных, сравнения версий программ, анализа кода и т.д.).

Таблица 2. Сравнение пакета CRW-DAQ с другими.

Поддержка и развитие Силами лаборатории с 1998 Фирменная Открытость реализации Принцип «ЗНАЮ КАК» Принцип «ЧЕРНЫЙ ЯЩИК»

Синхронизация версий ПО Есть (на базе windiff) Нет (двоичные коды) Самодиагностика, мониторинг, журналирование Компиляция «на лету» Есть, не прерывая измерений Нет, требуется перезагрузка Отказоустойчивость Есть, виртуальная машина Потенциально Драйверы серийных устройств Есть, достаточно Есть, очень много Драйверы спец. устройств для тритиевых комплексов Разработка драйверов спец.устр. Есть, встроенная Есть, требует доп.инструментов В таблице нет сравнения по ряду численных ограничений (максимальное число каналов, частота опроса и т.д.), т.к. сравнение параметров закрытого коммерческого ПО с открытым ПО, где такие ограничения легко снимаются перекомпиляцией программы с другими параметрами, лишено всякого смысла.

Резюмируя, можно сказать, что разработанный пакет, не претендуя на конкуренцию с промышленными гигантами, в то же время хорошо подходит для своего круга задач (автоматизация исследовательских установок). Успешную автоматизацию и эксплуатацию установок ТРИТОН, АКУЛИНА, ПРОМЕТЕЙ и других можно рассматривать как подтверждение этого.

1.4.1. Общая структура пакета Программное обеспечение АСКУ в пакете CRW-DAQ делится на два класса:

базовое и прикладное (Рис.5). Это разделение облегчает техническую поддержку АСКУ и позволяет повысить надежность прикладных программ.

Индивидуальная часть данной установки: файлы конфигурации, калибровки, описание мнемосхем, графиков, прикладных алгоритмов управления и диалога с оператором Общая среда разработки и исполнения для всех установок Графический интерфейс (GUI), Управление сбором данных (Control) Средства обработки данных (Math), Калибровки и данные измерений (RTDB) Интерфейс разработчика (Api), Языки разработки прикладного ПО (Api) Программные расширения (DPE) Драйверы физических устройств (Runtime) Устройства на шине PCI, ISA, USB, RS-232, RS-485, Ethernet Рис.5. Структура программного обеспечения АСКУ в пакете CRW-DAQ.

Базовое ПО – это сам пакет CRW-DAQ, обеспечивающий единую для всех АСКУ совмещенную графическую среду разработки и исполнения, а также единый программный интерфейс и встроенные языки программирования. Базовое ПО пакета можно условно разделить на подсистемы CRW и DAQ (Рис.5).

Подсистема CRW не связана прямо со сбором данных и управлением. Она содержит средства и библиотеки общего назначения для визуализации и графического интерфейса (GUI), математической обработки данных (Math), включает программный интерфейс (API) для динамических расширений (DPE), систему ограничения прав доступа (Guard), библиотеки поддержки драйверов устройств и сетевых протоколов (DIM,TCP/IP,HTTP), инструменты разработчика, справочную систему и т.д. Эту часть пакета можно использовать автономно, например, для наблюдения и offline обработки измеренных данных.

DAQ содержит средства для разработки, запуска (Control) и исполнения (Runtime) кода прикладных АСКУ, ПО для которых создается с помощью встроенных ЯВУ (DAQ Config, DAQ Pascal) и программных интерфейсов (DAQ API). Ядром исполнительной системы DAQ служит база данных реального времени (RTDB), где хранятся все переменные состояния АСКУ, нужные для её работы.

Прикладное ПО реализует специфику конкретной измерительной системы и содержит средства, индивидуальные для каждой АСКУ. Оно располагается в отдельном каталоге, не входящем в базовую инсталляцию пакета CRW-DAQ, и состоит из конфигурационных файлов, задающих параметры и структуры данных, и прикладных программ, задающих алгоритмы управления и написанных на встроенных в пакет языках прикладного программирования.

инструментальной средой и не требует для создания ПО АСКУ дополнительных программ (редакторов и компиляторов), кроме операционной системы Windows и драйверов устройств, поставляемых вместе с серийным оборудованием. При этом пакет CRW-DAQ служит средой разработки и исполнения прикладного ПО АСКУ.

1.4.2. Компоненты пакета 1.4.2.1. Компоненты для организации графического интерфейса пользователя Для визуализации измеряемых данных в реальном времени и организации диалога с пользователем в пакете CRW-DAQ (Рис.5) разработан компонент CRW GUI (Graphics User Interface), содержащий многооконный графический интерфейс, основанный на принципе MDI (Multi Document Interface) и реализованный с помощью библиотеки VCL (Visual Component Library). Основными элементами GUI являются окна – редакторы, консольные окна, двух и трехмерные графики, мнемосхемы, таблицы и диалоговые окна. Принцип MDI означает, что главное окно программы (Рис.6) является контейнером, внутри которого содержатся дочерние окна, не выходящие за пределы главного окна.

Рис.6. Внешний вид графического интерфейса главного окна пакета CRW-DAQ.

Заголовок (1); панель меню (2); панель инструметров (3); строка статуса (4); индикатор прав доступа (5);

индикатор реального времени (6); индикатор памяти (7); индикатор календарного времени (8); индикатор языка (9); холст (основное поле) для дочерних MDI окон, включая редакторы текста (10), консольные окна (11), мнемосхемы (12), графики (13) и таблицы (14).

Для редактирования текстов прикладных программ и конфигураций реализованы текстовые окна (Рис.6.10) нескольких типов: простой текст, редактор программ DAQ Pascal, редактор программ Object Pascal и т.д. Кроме обычных команд текстового редактора, эти окна содержат ряд зависящих от типа окна специальных функций. Например, команда компиляции вызывает внутренний (для программ DAQ Pascal) или внешний (для программ Object Pascal) компилятор для преобразования текста программы в исполняемый код, команда запуска выполняет откомпилированный исполняемый код, а команда справки вызывает контекстную справку с описанием используемого компилятора.

Для отображения текстовой информации в реальном времени разработаны консольные окна (Рис.6.11), специально оптимизированные для работы в пользовательской информации на экран. Поэтому процедуры консольного вводавывода (readln, writeln) в прикладных программах не мешают работе алгоритмов реального времени. Это делает консольное окно универсальным средством отображения, пригодным как для диагностики и отладки, так и для интерфейса с пользователем. Команды копирования/вставки позволяют переносить консольный вывод реального времени в текстовые окна для последующего анализа.

Для отображения текущих численных значений измеряемых величин в реальном времени разработаны окна таблиц (Рис.6.14), также оптимизированные для работы в многопоточном режиме.

Рис.7. Окна для отображения графиков кривых (а) и поверхностей (б).

Для отображения математических зависимостей в виде графиков в реальном масштабе времени разработаны окна кривых (Рис.6.13, Рис.7,а). Математические зависимости y(x) представлены в пакете CRW-DAQ своим дискретным аналогом – кривой, т.е. упорядоченным массивом точек (xi,yi), i=1…N. Чаще всего абсцисса x соответствует времени, а ордината y – некой измеряемой величине. Массив абсцисс обычно упорядочен по возрастанию времени, т.е. xi+1xi. Окно кривых содержит коллекцию (список произвольной длины) кривых, одна из которых может быть выбрана для отображения или проведения над ней операций обработки данных.

Окна кривых играют важную роль в пакете CRW-DAQ, так как к ним привязаны команды математической обработки данных. Файловые команды позволяют создавать окна, загружать или сохранять данные в файле. Командами редактирования можно удалять, вырезать, копировать или вставлять кривые.

Команды курсора мыши позволяют выбирать мышью видимый фрагмент окна, увеличивать и уменьшать его, копировать или переносить кривые из окна в окно методом «Drag & Drop», выделять прямоугольную область интереса ROI (Region Of Interest). Командами масштабирования можно увеличивать, уменьшать и сдвигать пределы графика, а также задавать их вручную или автоматически.

Команды настройки служат для редактирования цвета, толщины и стиля кривой, сопроводительного текста кривой, внешнего вида окна. Команды выбора позволяют указать кривые для последующих операций. Команда клонирования создает копию окна вместе со всеми данными. Команда табулирования генерирует текстовую таблицу выбраной кривой для экспорта данных в другие пакеты.

Команда печати не только печатает на принтере, но и позволяет копировать окно в буфер обмена, как в виде изображения, так и в виде текстовой таблицы. Это позволяет легко переносить данные из окна в стандартные пакеты (Word, Excel) путем «печати» в буфер обмена и вставки в электронную таблицу. Команды вызова математических утилит позволяют обрабатывать измеренные данные с помощью динамически загружаемых расширений DPE (dynamic plug-in extension) в виде DLL, написанных на языке Object Pascal, или при помощи макросов на языке DAQ Script. Эти команды дают доступ к десяткам уже готовых утилит обработки данных (математического анализа, фильтрации, сглаживания), а также к средствам разработки новых утилит для вновь возникающих задач (см. раздел 1.4.2.4).

Для отображения графиков функций двух аргументов z(x,y) в виде аксонометрической проекции их «каркаса» на равномерной прямоугольной сетке (xi,yi) созданы окна поверхностей (Рис.7,б). Исходные данные z(x,y) могут быть заданы на любой сетке в виде массива (xi,yi,zi), т.к. для вычисления функции используется линейная 3-точечная интерполяция и триангуляция Делоне [61]. Окна поверхностей применяются для offline обработки данных после измерений.

Для эффективной работы АСКУ должна иметь интуитивно понятный интерфейс пользователя. Поэтому измерительным и исполнительным устройствам должны соответствовать визуальные элементы в виде общепринятых и очевидных для специалистов данной области (газовые установки, физика ИВ) изображений.

Для создания таких интерфейсов разработаны окна мнемосхем (Рис.6.12).

Они содержат постоянное основное поле в виде растрового изображения, на котором помещены сенсоры – чувствительные к действиям пользователя элементы мнемосхемы, представленные растровыми изображениями, которые могут меняться в зависимости от состояния связанных с ними элементами данных (тегами или кривыми). Для газовых установок в качестве основного поля мнемосхемы обычно берется изображение схемы газовых коммуникаций (Рис.8).

В качестве сенсоров выступают условные изображения физических устройств:

клапанов, вентилей, нагревательных элементов, насосов, атомизаторов, датчиков воды, ионизационных камер и т.д. На больших установках мнемосхем может быть много – главная мнемосхема и несколько вспомогательных. Главная мнемосхема позволяет быстро оценить состояние установки в целом и вызвать мнемосхемы, позволяющие работать с отдельными подсистемами более подробно.

Рис.9. Модель взаимодействия потоков визуализации и управления в пакете CRW-DAQ.

При реализации графического интерфейса (Рис.9) целью ставилась в первую очередь быстрая реакция программы на события в системе управления в реальном времени. Поэтому все окна (консоли, мнемосхемы, таблицы, графики кривых) оптимизированы для работы в многопоточном режиме и не влияют на работу высокоприоритетных измерительных потоков. Для этого поток визуализации и измерительные потоки изолированы друг от друга и взаимодействуют не прямо, а только через промежуточный компонент – тщательно оптимизированную и хорошо защищенную базу данных реального времени RTDB, содержащую общие для потоков данные (теги, кривые, FIFO буферы). Сбор данных и управление идет в измерительных потоках с высоким приоритетом и периодом опроса ~110 мс, данные записываются в RTDB. Для обновления изображения применяется низкоприоритетный поток с таймером ~55 мс, выбранным исходя из типичного времени реакции человека. Это снижает взаимное влияние потоков до минимума.

Главным достоинством такой организации GUI является независимость потоков друг от друга, позволяющая измерительным потокам с высоким приоритетом вытеснять низкоприоритетные потоки визуализации, когда потребуется, что необходимо для задач управления в реальном времени.

1.4.2.2. Компоненты для математического анализа данных Одним из необходимых инструментов физика-экспериментатора являются средства цифровой фильтрации и сглаживания, так как измеренные данные обычно дискретны по времени и амплитуде, зашумлены и искажены помехами.

Для online обработки измеряемых данных в реальном времени, а также для offline обработки измеренных данных в интерактивном режиме в пакете разработан компонент CRW Math (Рис.5). Он содержит математические библиотеки, программные интерфейсы, а также графически-ориентированные средства для математического анализа измеренных данных, фильтрации, сглаживания, импорта и экспорта данных в стандартные математические пакеты (Excel, Origin и т.д.).

Пусть имеется массив измеренных данных {xi, y i }, i = 1..N, дающий дискретное приближение к неизвестной зависимости y ( x ). Измеренный сигнал обычно содержит помехи (электромагнитные наводки, электронный шум, квантование по амплитуде и т.д.), поэтому его можно представить в виде где ei - обобщенная ошибка, включающая все виды помех.

Восстановление сигнала (2) с помехами является некорректной задачей, разрешимой лишь при наличии дополнительной априорной информации о нем. Это может быть параметрическая модель, когда искомая кривая y ( x ) подгоняется модельной функцией f ( x, p ) с обобщенным параметром p, или общие свойства сигнала: непрерывность, монотонность и т.д. Соответственно методы сглаживания делятся на параметрические, требующие аналитической модели зависимости y ( x ), и непараметрические, использующие лишь качественную информацию о сигнале.

Задачу сглаживания можно сформулировать как процедуру получения устойчивой по отношению к помехам оценки y (*x, p ) значения y ( x ) в произвольной точке x с помощью некоторого метода с обобщенным параметром p, которая с одной стороны удовлетворяет априорной информации о сигнале, а с другой наиболее близка к измеренным данным. В частности, делая оценки в узловых точках xi, получаем сглаженный массив {xi, y i*, p }. В качестве критерия близости к измеренным данным берется, например, невязка т.е. взвешенная сумма квадратов отклонений с некоторыми весами wi > 0. Таким образом, при сглаживании всегда присутствует компромисс между априорной (теоретической) и апостериорной (экспериментальной) информацией о сигнале.

Задачи управления связаны с выработкой сигналов управления в петле обратной связи на основе оценки y (*x, p ). Они требуют обработки в режиме online, в реальном времени, и это накладывает на методы обработки особые требования.

Своевременность оценки требует, чтобы она получалась за предсказуемое, ограниченное время, чтобы АСКУ успела вовремя выдать управляющий сигнал.

Некоторые итеративные методы не имеют предсказуемого времени расчета.

Однозначность оценки требует, чтобы метод давал единственную оценку, иначе система управления не сможет выработать реакцию. Например, метод наименьших квадратов (МНК), может давать несколько решений (локальных минимумов), поэтому может оказаться непригодным для задач управления.

Надежность оценки требует гарантии получения разумного значения y (*x, p ) при любых, даже сильно поврежденных входных данных, т.к. АСКУ в любом случае обязана выработать какой-то сигнал управления. Некоторые итеративные методы ненадежны, т.к. итерации могут не сходиться.

Оценка должна выполняться на основании выборки {xi, y i }, которая может быть ограничена причинно и исторически. Причинное ограничение связано с тем, что при получении оценки y (*x, p ) в момент x доступны только прошлые по времени данные, а не вся зависимость, как в offline режиме. Будущие измерения еще не выполнены, поэтому выборка {xi, y i } может содержать только данные о прошлом:

Историческое ограничение возникает, если из-за недостатка времени или памяти для обработки доступен только небольшой объем данных не более n точек:

Выборки {xi, y i } в задачах управления часто расположены на случайной сетке, когда условие постоянства шага по времени не соблюдается:

Так, неравномерность поступления данных наблюдается в распределенных АСКУ, где измерения идут на нескольких независимых компьютерах или контроллерах, а измеренные данные поступают по сети Ethernet, RS-232, RS-485, CAN и т.д.

Неравномерность сетки ограничивает применение таких методов, как цифровые фильтры или wavelet анализ, рассчитанных на постоянную сетку по времени.

В то же время выборки {xi, y i } в измерительных задачах практически всегда монотонны по времени, т.е. содержат упорядоченные по абсциссе данные:

так как они получены в реальном времени, в ряде последовательных измерений.

Это позволяет применять процедуры быстрого двоичного поиска в массивах данных, что резко ускоряет вычисления.

Указанные особенности обработки данных в реальном времени сильно повлияли на выбор алгоритмов, включенных в пакет CRW-DAQ.

Для использования параметрических методов сглаживания в пакете CRWDAQ реализована библиотека функций минимизации по МНК для линейных и нелинейных моделей. Он относится к нелокальным, нелинейным параметрическим методам, может работать с данными на случайной сетке. В качестве оценки y (*x ) принимается значение y (*x ) = f ( x, p ), где искомый параметр p * находится процедурой минимизации функции невязки в виде взвешенной суммы квадратов:

В качестве весов берутся обратные величины wi = i1 дисперсии i измерений в i-й точке или единичные веса wi = 1, если дисперсии неизвестны.

Библиотека МНК доступна как набор функций CRW API на языке Object Pascal, а также в виде готовых инструментов с графическим интерфейсом.

В библиотеке МНК реализовано 8 алгоритмов [66]: симплексный метод Нелдера-Мида (Nelder-Mead), метод сопряженных градиентов Флетчера-Ривза (Fletcher-Reeves), квази-Ньютоновские методы Давидона, Давидона-ФлетчераПауэлла (Davidon, Fletcher, Powell), Бройдена (Broyden), Пирсона (Pearson), Заутендайка (Zoutendijk), Стюарта (Steward). Алгоритмы Нелдера-Мида и Стюарта не требуют вычисления аналитического градиента, что на практике является достоинством, но работают надежно лишь при небольшой размерности ( параметров). Другие методы требуют вычисления градиента целевой функции и обладают квадратичной сходимостью, т.е. требуют конечного числа итераций, если целевая функция является квадратичной формой. На практике наиболее устойчивыми из них оказались методы Давидона-Флетчера-Пауэлла и Бройдена.

При правильном выборе модели МНК дает высокую точность оценки, но имеет ряд практических недостатков. Он требует знания модельной функции для подгонки (что часто недостижимо), использует для расчетов весь массив данных, на практике ограниченный причинно (4) и исторически (5), не имеет (в общем случае) предсказуемого времени расчета, не всегда дает однозначный результат (если есть несколько локальных минимумов), не является надежными (нет гарантии сходимости). Поэтому в общем случае параметрические методы и МНК полезны для offline анализа, но менее пригодны для online задач управления.

используя лишь качественную априорную информацию о поведении сигнала (непрерывность, монотонность и т.д.) и не требуют знания конкретной параметрической функции, что на практике является достоинством. Их можно разделить на локальные и нелокальные методы; линейные и нелинейные методы;

методы для случайной и регулярной сетки [61,62,63,64].

Локальные («оконные») методы используют для оценки y (*x ) не всю выборку {xi, y i }, а только окрестность («окно») вблизи точки x. Так, в качестве окрестности можно взять выборку из точек, попадающих в локальную - окрестность точки x Другой вариант выбора окрестности x дает алгоритм k ближайших соседей. Этот метод делает выборку {xi, y i }( x,k ), содержащую k ближайших к точке x узлов xi.

Заметим, что различие методов проявляется только при нерегулярной сетке xi. В случае {xi, y i }( x, ) ширина окна постоянна, а число точек выборки зависит от плотности узлов xi в окрестности точки x. В случае {xi, y i }( x,k ) наоборот число точек выборки постоянно, а ширина окна меняется. Используя для расчета небольшую часть данных, локальные методы в общем случае имеют более низкую точность, чем нелокальные, однако они хорошо приспособлены для задач online обработки в реальном времени, т.к. работают существенно быстрее нелокальных и имеют предсказуемое время расчета. Поскольку данные обычно упорядочены по {xi, yi }( x, ) быстрыми алгоритмами двоичного поиска [65]. Кроме того, причинные (4) и исторические (5) ограничения на выборку не служат помехой для локальных методов. Поэтому локальные непараметрические методы [64] являются основным инструментом сглаживания в системах управления [59]. Например, к ним относятся цифровые и медианные фильтры, методы локального усреднения.

Нелокальные методы используют для оценки y (*x ) весь массив данных {xi, yi }.

Например, это Фурье и wavelet анализ, сглаживание сплайнами [61,62]. Эти методы полезны для offline анализа, но для online обработки менее пригодны из-за относительно длительных расчетов, а также причинных (4) и исторических (5) ограничений на выборку, доступную в момент измерений.

Линейные методы отличаются тем, что оценка y (*x ) линейно зависит от измеренных данных y i. Они хорошо изучены теоретически, дают однозначный и надежный результат, предсказуемое время расчета, поэтому могут использоваться как для offline анализа, так и для online обработки в реальном времени. К ним относятся, например, цифровые фильтры и локальное усреднение.

Нелинейные методы отличаются тем, что оценка y (*x ) нелинейно зависит от измеренных данных y i. Они меньше изучены теоретически и носят чаще всего эмпирический характер. Примером локального нелинейного метода является медианный фильтр, используемый для подавления локальных «выбросов».

В пакете CRW-DAQ реализованы сглаживающие сплайны [61,62]. Это однозначный, надежный, линейный, нелокальный метод, имеющий предсказуемое время расчетов, может работать на случайной сетке xi. Он доступен как набор функций CRW API на языке Object Pascal, а также как готовый инструмент с графическим интерфейсом для диалогового выбора параметра гладкости (Рис.10).

Сплайны чаще применяют в offline анализе, а не в задачах АСКУ, поскольку метод нелокальный. Исключением являются калибровки, так как стандартные таблицы калибровок (Таблица 3) в пакете интерполируются сплайнами.

Сглаживающий кубический сплайн ищет оценку y (*x ) в виде функции f ( x, ), которая на каждом отрезке [xi, xi +1 ], i = 1..N 1 представляет полином 3 степени и которая дважды непрерывно дифференцируема на интервале [x1, xN ], то есть принадлежит классу функций C 2 [x1, x N ], и при этом минимизирует функционал:

где i > 0 - дисперсии в i-й точке. Если они неизвестны, полагается i = 1. Обычно также накладываются граничные условия 2 рода:

Функционал (11) содержит две части. Первая (интеграл квадрата второй производной) связана с априорной информацией о сигнале и налагает «штраф» за нарушение гладкости. Вторая (взвешенная сумма квадратов невязок) связана с апостериорной информацией и «штрафует» за отклонение от экспериментальных данных. Параметр выражает компромисс между априорной и апостериорной интерполяционный, а при вырождается в константу. Минимизация функционала ведет к 5-диагональной системе линейных уравнений для искомых коэффициентов сплайна, решение которой ищется методом прогонки [61,62].

Одним из часто встречающихся искажений сигнала являются «выбросы», т.е.

импульсные помехи с большой амплитудой. Эффективным средством борьбы с ними является медианный фильтр. Он относится к непараметрическим, локальным, нелинейным и надежным методам, имеет предсказуемое время расчетов, может медианный фильтр, доступный в виде функций на языке Object Pascal, а также в виде готового инструмента с графическим интерфейсом (Рис.11).

Алгоритм 2 M + 1 - точечного медианного фильтра с абсолютным порогом a и относительным порогом r можно описать так. Для оценки значения y (*x ) в точке i xi делается выборка точек вокруг xi и отсортированная по возрастанию значений y. Вычисляется медиана y med как значение y k =i в середине этой выборки. Если разница y med yi медианы y med и значения y i превышает абсолютный или относительный порог, то в качестве оценки берется медиана y med, иначе остается исходное значение y i :

Пороговый медианный фильтр хорошо удаляет «выбросы», не затрагивая неповрежденную часть сигнала, что делает его незаменимым средством обработки данных, содержащих импульсные помехи. Однако его применение в задачах управления ограничено тем, что хотя метод и локальный, он не работает при наличии причинных ограничений (4), требуя наличия данных до и после точки x.

В некоторых задачах online обработки медианный фильтр может применяться, если можно смириться с задержкой выдачи результата. Отметим также, что медианный фильтр не позволяет оценить значения вне узловых точек xi, поэтому он используется в сочетании с одним из интерполяционных методов.

Рис.11. Медианный фильтр и пример его воздействия на сигнал.

На рисунке (Рис.11) показан пример действия медианного фильтра. Сигнал, фильтром с 5% порогом, после чего импульсная помеха исчезает.

Основным инструментом для online сглаживания в пакете CRW-DAQ является набор непараметрических, линейных, локальных методов, работающих на предсказуемое время расчета. Это связано со спецификой данных, характерных ограничения (5), нерегулярная сетка (6). Хотя набор содержит нескольких методов, он «упакован» в одну функцию с 4 параметрами: (, p, k1, k 2).

Параметр задает полуширину окна сглаживания (9). Поскольку массив данных упорядочен, границы окна сглаживания находятся алгоритмом быстрого двоичного поиска (дихотомии), что резко ускоряет расчеты.

Параметр p задает степень и тип алгоритма. При значении p = используется взвешенное среднее интегральное значение. Оно вычисляется как где (t ) 0, (t ) = (t ) - некоторая положительная симметричная функция (ядро сглаживания), определенная ниже. Легко увидеть, что формула (14) является конечно-разностной аппроксимацией интегральной формулы свертки с ядром (t ) по методу трапеций:

При значении p = 0 используется взвешенное среднее значение:

На регулярной сетке времени, когда xi +1 xi = const, взвешенное среднее эквивалентно интегральному, различие появляется лишь при неравномерной сетке.

При значении p > 0 используется локальная аппроксимация полиномом степени p, рассчитанном по взвешенному МНК. Если точнее, в качестве оценки y (*x ) принимается значение полинома в точке t = x, c коэффициентами c k, которые находятся минимизацией взвешенной суммы квадратов по окну сглаживания:

При вычислении коэффициентов полинома возникает система линейных уравнений, решаемая модифицированным методом Гаусса. Поэтому время расчета существенно больше, чем при усреднении, хотя и остается предсказуемым. Для гладких сигналов полиномы точнее, чем усреднение, но при наличии в сигнале резких «фронтов» усреднение предпочтительнее, т.к. полиномы могут давать в точках разрыва сигнала осцилляции (эффект Гиббса) [63], опасные для АСКУ, тогда как для усреднения (14,16) характерно «заглаживание» фронтов.

Параметры k1,k2 задают функцию ядра:

отражает степень доверия к i-й точке, обычно это обратные величины wi = i дисперсии i или единичные веса wi = 1, если дисперсии неизвестны. В качестве альтернативного способа измерения выступают либо физические особые точки, например, точки плавления эталонных образцов, либо показания откалиброванного эталонного датчика, измеряющего ту же величину, что и калибруемый датчик.

Задачу калибровки можно сформулировать как определение оптимального значения параметра c* в параметрической зависимости y = y ( x, z,c ), наиболее точно описывающего калибровочные данные {xi, yi, z i, wi }. В качестве критерия точности описания можно принять, например, взвешенную сумму квадратов отклонений (3).

Предположим, что известна пара взаимно - обратных преобразований f x, f x и f y, f y1 (назовем их функциями линеаризации):

обладающих тем свойством, что в линеаризованных переменных {x', y '} величина y ' не зависит от параметра z, а зависимость y ' ( x' ) является гладкой функцией и потому может быть удовлетворительно описана полиномом pn,c, x, ( x' ) степени n, с коэффициентами c = {c0, c1,..cn }, с центром в точке x0 и масштабом :

Введение параметров x0, связано с тем, что аппроксимация полиномом хорошо работает на единичном интервале t [0..1], поэтому его центр x0 и масштаб выбираются так, чтобы полином pn, c (t ) был определен на этом интервале [65]. Для этого, например, можно положить На практике функции линеаризации определяются типом датчика и измерительного канала. Так, при использовании платинового датчика температуры в качестве функции линеаризации выступает стандартная калибровка Pt-100, известная по опубликованным таблицам ГОСТ. В простейшем случае функции линеаризации могут вообще отсутствовать, то есть задаваться тождественным Введение функций линеаризации необходимо, поскольку не все типы датчиков имеют калибровочные кривые, описываемые полиномом. Так, на кривой калибровки криогенного термодиода (тип D 200 19 707, фирма LEYBOLD AG) ясно виден «излом» при 24 K (Рис.19,а), который нельзя описать полиномом, но после линеаризации зависимость величины от кода АЦП становится линейной.

По физическому смыслу функции линеаризации описывают поведение «идеального» датчика данного типа. Они выбираются по возможности так, чтобы зависимость приобрела вид тождества y ' = x'. Реальный датчик отличается от идеального, например, термопара может отклоняться от стандарта из-за вариации её химического состава. Измерительный канал, за счет смещения нуля и усиления, вносит свои отклонения. В первом приближении все эти отклонения приводят к линейной деформации калибровочной кривой y ' = c0 + c1 x' или полиномиальной y ' = ck ( x' ) k. Этим обосновано введение функций линеаризации.

получаем массив линеаризованных калибровочных точек {x'i, y 'i } :

подгоняются по МНК с весовыми множителями wi > 0 :

или В качестве весов wi берутся обратные полагается wi =1, если они неизвестны. Задача МНК приводит к системе линейных уравнений, решаемой модифицированным методом Гаусса [65].

После определения коэффициентов c * полинома искомая калибровочная зависимость приобретает вид Применение аппарата калибровок иллюстрирует 2, где приводятся примеры калибровок и соответствующих им калибровочных файлов.

Для описания и хранения калибровок пакет CRW-DAQ использует файлы калибровки *.cal, в виде текстовых файлов с секционной структурой, подобно *.ini файлам Windows. В них хранятся лишь массивы измеренных точек калибровки {xi, yi, z i, wi } и параметры аппроксимации (20,21,22), а коэффициенты полинома вычисляются автоматически при загрузке файла. Этот подход хорош тем, что, сделав калибровку один раз, можно легко менять её параметры, не производя новых дорогостоящих калибровочных измерений и не теряя точность расчетов.

Описание файлов калибровки есть в справочной документации пакета.

Функции линеаризации (20,21), описывающие тип датчика при калибровке, в пакете именуют стандартными калибровками (Таблица 3). Они основаны на опубликованных таблицах ГОСТ, интерполируемых сглаживающим сплайном (10).

Набор стандартных калибровок легко расширяется, для этого достаточно добавить математический аппарат уже готов.

Таблица 3. Стандартные калибровки пакета CRW-DAQ.

TransformX, TransformY 18 SiDiodeD Для удобства работы пользователя разработан редактор калибровок (Рис.12).

Он позволяет создавать и редактировать калибровки, не вникая в формат файлов калибровки и не делая каких-либо расчетов. В редакторе можно вводить массив точек калибровки, выбирать тип шкалы датчика, параметры аппроксимирующего полинома и сохранять результат в файл. Для контроля качества калибровки используется численная оценка невязки (абсолютная и процентная), а также просмотр графиков кривых калибровки (в исходных и линеаризованных переменных) вместе с точками калибровки. На графиках (Рис.12) видно, что калибровка кремниевого термодиода, сильно нелинейная в исходных переменных, хорошо ложится на прямую линию в линеаризованных переменных.

Развитая система калибровок - важное достоинство пакета, поскольку в других системах решение всех проблем калибровки возлагается на пользователя.

1.4.2.4. Компоненты для интерактивной обработки измеренных данных Как упоминалось выше, средства интерактивной offline обработки данных привязаны к окнам кривых. Они делятся на две группы: встроенные команды и динамически загружаемые утилиты. Встроенные команды связаны в основном с импортом, экспортом и отображением данных. Часть методов обработки тоже включена во встроенные команды: сглаживающие сплайны (Рис.10), медианный фильтр (Рис.11). Но все же основная часть средств обработки реализована через динамически загружаемые утилиты двух видов: макросы на языке DAQ Script (3) и динамические расширения DPE (4).

Для связи пакета CRW-DAQ с другими программами (Excel, Word и т.д.) разработаны средства импорта и экспорта данных. Измеренные данные, находящиеся в окнах кривых, можно загружать и сохранять в текстовых таблицах *.txt для обмена с другими программами. Команда печати может не только печатать на принтере, но и передавать данные через буфер обмена в виде таблиц или изображений. Команды табуляции и оцифровки конвертируют данные из окон кривых в текстовые таблицы (и наоборот) для обмена данными с другими программами. Наконец, данными можно обмениваться через DPE расширения, сделав преобразователь форматов на языке Object Pascal.

Интерактивные средства обработки данных подсистемы CRW используются при offline анализе данных. Средства обработки данных для задач управления доступны через программный интерфейс DAQ API, то есть в виде набора функций на встроенных языках программирования, описанных ниже.

1.4.2.5. Программные интерфейсы и языки прикладного программирования Важными компонентами пакета CRW-DAQ (Рис.5) являются интерфейсы прикладного программирования API (Application Programming Interface). Они позволяют отделить базовое ПО от прикладного и делятся на интерфейсы CRW API (раздел 1.4.2.4) для offline обработки измеренных данных и DAQ API для online обработки, сбора данных и управления АСКУ в реальном времени.

DAQ API содержит программные библиотеки и встроенные языки для прикладного программирования АСКУ – компилятор DAQ Pascal, интерпретатор C-подобного языка DAQ Script, интерпретатор конфигурационных файлов DAQ Config. Программные библиотеки содержат открытый исходный текст функций и процедур на одном из встроенных языков программирования, их можно использовать в прикладных программах. Языки прикладного программирования – это трансляторы (интерпретаторы и компиляторы) исходного кода прикладных программ в непосредственно исполняемые машинные инструкции.

Пакет CRW-DAQ включает нескольких языков программирования, сильно различающихся по возможностям, решающих разные задачи и потому взаимно дополняющих друг друга. Благодаря наличию этих языков, средств редактирования и отладки пакет содержит полноценную среду разработки и исполнения для создания АСКУ, не требующую для своей работы установки дополнительного ПО.

Интерпретатор конфигураций DAQ Config Для описания параметров АСКУ служат конфигурационные файлы с расширением CFG, а для чтения этих файлов разработан интерпретатор DAQ Config. В отличие от обычных интерпретаторов он описывает не исполняемые инструкции, а структуры данных и параметры загружаемой АСКУ: теги и кривые, прикладные программы и драйверы, окна и мнемосхемы.

Файлы конфигураций - это текстовые файлы с секционной структурой, подобной INI файлам Windows. В каждой АСКУ есть главный загружаемый конфигурационный файл, который при необходимости ссылается на другие файлы конфигураций, программ, мнемосхем, калибровок и т.д.

Несмотря на сходство с INI файлами, возможности CFG файлов значительно выше, т.к. в них секции могут разбиваться на части, расположенные в любом месте файла или в нескольких файлах, а при загрузке одноименные секции объединяются «ConfigFileList = …», позволяет включать одни конфигурации в состав других.

Каждая строка секции конфигурации может содержать декларацию, переменную, ссылку или список. Декларация вводит в состав конфигурации новый объект, создаваемый в момент ее загрузки, например, декларация [DeviceList] &DimSrv = device software program создает новое устройство (прикладную программу) с именем &DimSrv. Обычно за декларацией следует детальное описание созданного объекта в одноименной с ним секции, в данном случае [&DimSrv].

Переменные задают значения параметров АСКУ, включая параметры декларированных объектов. Их описание имеет простой формат «Имя = Значение»

или «Имя = Значение1, Значение2,…». Ссылки отличаются от переменных только тем, что они содержат в качестве значений имена файлов конфигураций, программ, тегов и т.д. для последующей ссылки на них. Например, описание InquiryPeriod = ProgramSource =..\DaqPas\DimSrv.pas задает значение периода опроса устройства InquiryPeriod в миллисекундах, а также ссылку на файл ProgramSource с исходным кодом программы на языке DAQ Pascal.

Ссылки обычно содержат относительные имена файлов, что дает возможность переноса каталога конфигурации АСКУ в любое место. Базой, относительно которой задаются имена файлов, обычно служит главный конфигурационный файл.

Списки имеют формат «Имя = Элемент1, Элемент2,…» и могут, в отличие от переменных, быть многострочными, например, описание Plot.PT = Curve_Window CurveList = T1, T2, T CurveList = P1, P2, P3, P декларирует окно кривых Plot.PT и создает список CurveList из семи кривых для отображения в этом окне.

Полное описание файлов конфигураций, мнемосхем и калибровок есть в справочной документации пакета [19], доступной после его инсталляции.

Интерпретатор команд и макросов DAQ Script Пакет CRW-DAQ включает встроенный C-подобный интерпретатор DAQ Script, разработанный на языке Object Pascal. Интерпретатор мал размером и хорошо защищен от ошибок в прикладном программном коде. За счет интерпретации он может выполнять инструкции, неизвестные в момент компиляции пакета, например, выражения, вводимые пользователем в режиме диалога. Например, DAQ Script используется при вычислении формул в интерактивном режиме, когда требуется их немедленная интерпретация.

В данном пакете работает множество экземпляров интерпретатора, каждый из которых можно рассматривать как виртуальную машину со своим пространством переменных, констант, функций и команд. В DAQ Script легко добавлять новые функции и команды, поэтому все интерпретаторы имеют единый синтаксис, но сильно различаются функциональностью за счет разного набора встроенных функций и команд. Описание разработанного интерпретатора приведено в приложении (см. Приложение 3).

Компилятор и виртуальная машина DAQ Pascal Основным средством разработки прикладных программ АСКУ в пакете CRW-DAQ является язык DAQ Pascal, созданный на основе классического свободно распространяемого компилятора Pascal-S Николауса Вирта [67]. Он написан на языке Object Pascal. В основе его реализации лежит несколько идей:

виртуальная машина (VM), JIT (Just In Time) компиляция «на лету», ясность и безопасность языка. Рассмотрим структуру DAQ Pascal (Рис.13).

Компоненты

CRW API

Исходный код прикладной программы на языке DAQ Pascal (1) в момент загрузки АСКУ транслируется JIT-компилятором DAQ Pascal (2) в промежуточный код (P-Code) для некоторой платформенно-независимой виртуальной машины (3), который затем выполняется на данной платформе интерпретатором P-кода (4). При необходимости интерпретатор P-кода с помощью программного интерфейса платформенно-зависимые функции, такие как графический интерфейс для связи с оператором (7) или драйверы (8) для управления измерительной аппаратурой (9).

промежуточных исполняемых файлов (EXE или DLL), а генерирует исполняемый P-код виртуальной машины прямо в памяти. Недостатком является замедление загрузки АСКУ, хотя транслятор работает довольно быстро, компилируя ~ строк в секунду. Достоинством является простота (не надо поддерживать форматы исполняемых файлов и хранить их), надежность системы и платформенная независимость прикладных программ, исполняемых на виртуальной машине.

Идея виртуальной машины VM (Virtual Machine) состоит в том (Рис.14), что исполняемым кодом является не исходный код на языке высокого уровня (ЯВУ), и не платформенно-зависимый машинный код, а «промежуточный» код абстрактной виртуальной машины, исполняемый на данной платформе VM-интерпретатором (3). С точки зрения скорости VM – промежуточное решение между «чистым»

интерпретатором (1), декодирующим и сразу исполняющим команды ЯВУ и «чистым» компилятором, создающим «натуральный» исполняемый машинный код интерпретатора будет ~105, VM-интерпретатора ~107, а «натурального» кода ~ операций в секунду (по порядку величины).

Рис.14. Идея интерпретатора (1), компилятора (2) и виртуальной машины (3).

Снижение скорости работы программ при использовании VM оправдано повышением надежности и отказоустойчивости прикладных программ при неизбежных сбоях и ошибках. VM-интерпретатор (Рис.14), стоящий между исполняемым кодом и процессором, дает возможность изолировать прикладные программы друг от друга для локализации возможных ошибок, а также эффективно защитить прикладной код при программных ошибках или сбоях в измерительной аппаратуре, приводящих к появлению недопустимых входных данных. Так, при возникновении типичной ошибки выхода индекса массива за допустимый диапазон вместо аварийного завершения всей программы произойдет лишь сбой работы данной прикладной программы, а остальные - продолжат нормальную работу. В сочетании с многопоточностью (каждая VM выполняется в отдельном потоке) это приводит к повышенной «живучести» АСКУ: сбой в одной подсистеме не ведет к сбою системы в целом и потере её управляемости. VM-интерпретатор может также контролировать использование прикладной программой системных ресурсов (памяти, файлов, сетевых каналов), предотвращая их «утечку». Это повышает VM-интерпретатора оказалась весьма эффективной: аварийных остановок работы пакета по вине ошибок в прикладных программах DAQ Pascal не наблюдалось, хотя ошибки в прикладном коде, конечно, неоднократно возникали.

Язык разработки прикладных программ управления АСКУ, создаваемых специалистами самой разной квалификации, должен быть простым, однозначно интерпретируемым и не должен содержать «лишних» и «опасных» конструкций.

Поэтому его реализация была ограничена рамками классического процедурного языка Pascal [60]. Главным средством расширения языка выбраны встроенные функции, так как они не усложняют компилятор и VM-интерпретатор, и не снижают степень защиты ПО.

Созданный автором большой набор встроенных функций (~400) для доступа к ядру пакета, данным RTDB, измерительной аппаратуре и другим функциям CRW API делает DAQ Pascal мощным инструментом разработки АСКУ. Полный список встроенных функций и их описание есть в справочной системе пакета. Функции делятся на группы: арифметические, тригонометрические и специальные функции;

кодирование, декодирование и обработка строк; файловые операции; измерение времени; обработка текстов; конфигурирование, отладка и обмен сообщениями;

работа с устройствами DAQ системы; обработка кривых и тегов; работа с мнемосхемами и окнами; обмен данными по каналам связи RS-232, RS-485 и сокетам TCP/IP; работа с портами ввода-вывода ISA, PCI; работа с процессами;

работа с динамическими расширениями DPE в виде загружаемых библиотек DLL.

Богатый набор функций времени позволяет организовывать периодические события по расписанию и задержки, измерять длинные и короткие интервалы времени, контролировать время работы алгоритмов управления.

Рис.15. Различие логики обычных программ (1) и программ DAQ Pascal (2).

Важным отличием DAQ Pascal от других языков является сама логика выполнения прикладных программ (Рис.15). Обычные программы (1) рассчитаны на однократное исполнение. После запуска и инициализации (Start) они входят в бесконечный цикл обработки очереди событий (Polling), освобождая процессор в конце каждого цикла (Sleep). Цикл прерывается командой завершения программы (Terminate), она освобождает ресурсы (Stop) и завершается. При следующем вызове программа «не помнит» результат предыдущего сеанса и начинает работу «с нуля».

Напротив, программы DAQ Pascal (2) рассчитаны на многократное выполнение с периодическим вызовом по системному таймеру, причем переменные программы сохраняют свои значения между вызовами. Это делает программы DAQ Pascal похожими на процедуры обработки прерываний системного таймера, хотя реализованы они иначе. При первом после старта АСКУ вызове программы функция счетчика вызовов RunCount принимает значение 1, позволяя выполнить инициализацию (Start). При остановке АСКУ вызов RunCount возвращает +INF, позволяя по условию IsInf(RunCount) выполнить завершающие действия (Stop). При остальных вызовах выполняется обработка событий (Polling).

Программы DAQ Pascal по своей логике должны не содержать замкнутых циклов, а быстро выполнять требуемые действия по управлению устройствами и сразу завершаться, освобождая процессор до следующего такта таймера. Поэтому вместо задержек или замкнутых циклов ожидания событий программы DAQ Pascal обычно используют работу по «флагам» и переменным состояния, то есть пишутся как набор «правил», состоящих в выполнении определенных действий при возникновении некоторых условий. Например, наступление ожидаемого события часто сигнализируется изменением значения какого-то тега по сравнению с предыдущим вызовом. Для иллюстрации стиля прикладных программ DAQ Pascal возьмем простейший пример – организацию периодического (раз в секунду) вызова процедуры опроса Polling. На языке DAQ Pascal это выглядит примерно так:

program PeriodicDemo;

const Period=1000; var LastTime:Real;

if msecnow-LastTime >= Period then begin LastTime:=msecnow;

При каждом вызове программы функция времени msecnow (миллисекунд от Р.Х.) сравнивается с оставшимся от прошлых вызовов временем LastTime предыдущего выполнения Polling, и если прошло более Period миллисекунд, время запоминается в LastTime и выполняется Polling.

Описанный способ работы DAQ Pascal программ, который из-за отказа от использования задержек можно назвать «асинхронным» стилем программирования, хорошо подходит для решения задач управления АСКУ в реальном времени.

Алгоритм управления разделяется на кванты с четкой привязкой по времени. В программах отсутствуют задержки, а поэтому снижается риск их «повисания» из-за неопределенно долгого ожидания событий. Сохранение значений переменных между вызовами позволяет легко отслеживать динамику управляемых процессов.

Появляется возможность контролировать частоту опроса потоков и определять «повисшие» потоки. Все это способствует повышению надежности АСКУ.

Если для решения задачи функциональности или скорости DAQ Pascal не хватает, есть возможность вызова созданных на языке Object Pascal динамических расширений DPE (раздел 1.4.2.4) в виде DLL файлов, дающих полный доступ ко всем возможностям компьютера (см. Приложение11, Листинг 2).

В DAQ Pascal реализована библиотека встроенных функций для работы с процессами, обеспечивающих создание, запуск и завершение процесса, а также возможность двустороннего обмена данными с созданным дочерним процессом по анонимному каналу связи через функции стандартного консольного ввода-вывода, переназначенные на ввод-вывод в канал (см. Приложение 11, Листинг 3).

Выделение отдельных задач в консольные программы, взаимодействующие с пакетом CRW-DAQ через программу DAQ Pascal и анонимный канал, является одним из хороших способов добавления новых драйверов и служб. Достоинством такого подхода является облегчение создания прикладных программ (нет ничего проще консольных приложений) и повышение надежности АСКУ (добавляемая программа работает в отдельном процессе и не снижает надежность пакета).

Для работы с портами ввода-вывода, аппаратными интерфейсами и сетевыми протоколами ISA, PCI, RS-232, RS-485, CAN, Ethernet, TCP/IP реализована большая библиотека встроенных функций, позволяющая создавать на языке DAQ Pascal драйверы для локально или удаленно подключаемых устройств, в дополнение к набору встроенных в ядро пакета драйверов (см. Приложение 11, Листинг 4).

Уникальным свойством DAQ Pascal является возможность создания и отладки прикладных программ и драйверов в реальном времени, в процессе измерений. Объединенная среда разработки и исполнения пакета CRW-DAQ и многопоточный режим работы позволяют редактировать и компилировать программы DAQ Pascal в процессе измерений. Поток прикладной программы приостанавливается, не затрагивая другие потоки, компилятор создает новый P-код программы, затем поток возобновляет выполнение уже с новой программой. Это ускоряет разработку драйверов устройств и управляющих программ АСКУ.

Если сравнивать DAQ Pascal с оригинальным компилятором Pascal Н.Вирта, то мало изменился лишь синтаксический анализатор и генератор P-кода.

Интерпретатор P-кода переписан автором практически полностью, а библиотека встроенных функций создана автором целиком. Кроме того, автор интегрировал компилятор и VM-интерпретатор в систему сбора данных и реализовал «асинхронную» логику выполнения программ DAQ Pascal.

Интегрированный компилятор DCC языка Object Pascal В дополнение к встроенным интерпретаторам в CRW-DAQ интегрирован компилятор Object Pascal, генерирующий быстрый «натуральный» машинный код.

Встроенный компилятор DCC имеет две сферы применения - динамические расширения DPE в виде DLL библиотек и консольные драйверы в виде EXE файлов. Динамические расширения применяются при offline обработке данных (см.

раздел 1.4.2.4) и в задачах сбора данных и управления (см. раздел 1.4.2.6).

Консольные драйверы – это приложения, запускаемые из программы DAQ Pascal как дочерний процесс (обычно в скрытом окне) и взаимодействующие с ней через анонимный канал связи, переназначенный вместо консоли ввода-вывода. Они оказались хорошим средством реализации аппаратных драйверов устройств и служб, таких как генератор речевых сообщений или Web сервер. Их достоинством является повышение надежности АСКУ, так как сбой в консольном драйвере, выполняемом в отдельном процессе, не приводит к общему сбою системы. Кроме того, консольные драйверы легко отлаживать, используя на этапе отладки простой консольный ввод-вывод, не переназначая его в канал.

1.4.2.6. Компоненты для разработки и выполнения прикладного ПО АСКУ Для разработки ПО АСКУ и его поддержки на этапе выполнения в пакете «DAQ-система». Компонент DAQ (Data AcQuisition) содержит программные средства, непосредственно связанные со сбором данных и управлением, и является основным инструментом при создании ПО АСКУ. Компонент RTDB (Real Time Data Base) содержит базу данных реального времени, в которую входят теги и кривые. Теги – поименованные скалярные переменные, отражающие текущее значение некоторой величины. Кривые – поименованные динамические массивы данных {ti,yi, i=1..N}, которые обычно представляют исторические данные, то есть зависимости y(t) измеряемых величин y от времени t. Компонент DAQ Control содержит средства организации и управления системой сбора данных, включая интерфейс пользователя для запуска и остановки измерений, конфигурирования и диагностики DAQ системы. Компонент DAQ Runtime содержит исполнительную систему сбора данных и управления, включая устройства, драйверы, виртуальные машины прикладных программ на встроенном языке DAQ Pascal или DAQ Script, средства калибровки каналов и сжатия измеренных данных.

Система таймеров

CRW API

Центральными понятиями DAQ-системы (Рис.16) являются: хранилище данных реального времени RTDB и устройства (Device). Устройства входят в состав компонента DAQ Runtime, который поддерживает работу DAQ-системы на этапе выполнения. Компонент DAQ Control осуществляет общее управление DAQсистемой (загрузка, запуск, остановка, завершение и т.д.).

RTDB (1) является централизованной базой данных - поименованных тегов (скалярных переменных) и кривых (динамических массивов) для хранения измеряемых величин. Она оптимизирована по времени доступа к данным (~100 ns) и хорошо защищена (в смысле потоковой безопасности). Компоненты ядра пакета CRW-DAQ (2) используют хранилище RTDB для отображения данных и диалога с оператором (3). Собственно сбор данных и управление осуществляют устройства (5), тактируемые системой таймеров (4).

исполняемый код (прикладная программа или драйвер) вместе с необходимыми для его работы данными, который выполняет свою четко определенную задачу, например, управляет физической аппаратурой (8), подключенной через аппаратный интерфейс (9). Устройство может содержать встроенный в пакет аппаратный драйвер для управления измерительными модулями, или прикладную программу на встроенных языках DAQ Script, DAQ Pascal. Прикладная программа DAQ Pascal при необходимости может также загружать динамическое расширение в виде DLL модуля (6) или запускать в дочернем процессе консольный драйвер (7), обмениваясь с ним данными по анонимному каналу связи (pipe).

Каждое устройство (кроме драйверов измерительных модулей в сети RS-485) выполняется в своем программном потоке и работает автономно, напрямую не связано с другими устройствами, но имеет доступ к хранилищу данных RTDB.

Устройства изолированы друг от друга и могут взаимодействовать только двумя способами: изменением совместно используемых тегов RTDB или посылкой друг другу сообщений devmsg (10). Довольно необычна реализация этих сообщений. Все они - строковые, помещаются в консоль стандартного ввода прикладной программы и считываются процедурой readln, т.е. обработка сообщений состоит в анализе консольного ввода. Это сильно облегчает разработку и отладку программ, т.к. все сообщения можно эмулировать через связанное с устройством консольное окно, также помещающее данные в консоль стандартного ввода.

Алгоритм работы DAQ-системы можно упрощенно описать следующим образом. Имеется хранилище данных (тегов и кривых RTDB) и набор прикладных программ (устройств), работающих параллельно и независимо друг от друга, связанных с RTDB и с измерительной аппаратурой. По тактовым сигналам от системы таймеров прикладные программы в каждом кванте времени считывают данные из хранилища или аппаратуры, анализируют и обрабатывают их и затем записывают обработанные данные в хранилище или исполнительные устройства.

Тактирование происходит по квантам времени планировщика потоков Windows с периодом от 1 до 15 мс, причем в этом случае система приоритетов программных потоков позволяет высокоприоритетным потокам сбора данных вытеснять низкоприоритетные служебные потоки. Важно, что алгоритмы управления отделены от системы таймеров, что позволяет легко менять принцип тактирования и контролировать частоту опроса устройств.

Обсуждение вопросов обеспечения безопасности, надежности и отказоустойчивости измерительных систем и вопросы их конфигурирования в пакете CRW-DAQ вынесены в приложение (см. Приложение 1,5,6,7,8,9,10).

1.4.2.7. Средства для создания распределенных систем управления управления. Они могут быть необходимы: при большом геометрическом размере установки, потребности в удаленном управлении при радиационной опасности, для повышения надежности системы за счет иерархии управления (Рис.62), для снижения шумов и наводок путем размещения измерительных модулей вблизи источника сигнала и передачи измеренных данных по цифровой линии связи.

Распределенные системы управления строятся двумя путями. Первый путь состоит в создании многомашинных систем из компьютеров в сети Ethernet. Для межмашинной связи в пакете используется основанная на протоколе TCP/IP технология DIM (Distributed Information Manager) [70], разработанная в ЦЕРН для проведения экспериментов на ускорителях. Она реализует высокоуровневый сетевой механизм взаимодействия между процессами, ориентированный на распределенные системы управления реального времени. В состав пакета входит и WEB сервер для обмена данными по протоколу HTTP, позволяя использовать для удаленного наблюдения и управления обычный WEB-браузер. Приложение рассматривает вопрос использования технологий DIM и WEB более подробно.

Вторым путем организации распределенных систем управления являются сети интеллектуальных контроллеров и модулей удаленного сбора данных на базе интерфейсов RS-232, RS-485, CAN. В пакет включены драйверы измерительных модулей и модулей управления серии I-7000, I-87000 (ICP-DAS), ADAM- (Advantech), выбранных по следующим причинам:

• выпускается широкая номенклатура многоканальных модулей аналогового и дискретного ввода/вывода с открытым протоколом обмена данными, имеющих сертификаты РФ, в том числе для использования в атомной промышленности;

• на базе модулей возможно построение легко масштабируемых распределенных систем на основе помехоустойчивой сети RS-485 (скорость до 115200 бит/сек) в радиусе до 1 км (без репитера) от управляющего компьютера;

• модули имеют высоковольтную гальваническую изоляцию (~3 кВ) и обеспечивают эффективную фильтрацию электромагнитных помех, позволяют снизить уровень наводок за счет коротких сигнальных кабелей при их монтаже вблизи источника сигнала и передаче данных по сети RS-485;

• модули аналогового ввода имеют высокую точность измерений (0,1%, 16 бит), хорошую стабильность и скорость оцифровки (от 1 до 100 Гц/канал), а модули дискретного ввода/вывода обеспечивают достаточно быструю реакцию (порядка 10 мс) при дискретном контроле и управлении;

• модули созданы специально для работы в тяжелых условиях промышленности и транспорта и обеспечивают высокую надежность и отказоустойчивость, допускают «горячую» замену, обладают аппаратным сторожевым таймером (watchdog), автоматически перезапускающим модуль в случае его «зависания», и программным сторожевым таймером, переводящим все выходы модуля в управляющего компьютера или обрыва связи с ним;

• модули отличает высокая технологичность при работе: надежный монтаж под винт, минимум разъемных соединений, прочный пластиковый корпус, защищенный от пыли и влаги, монтаж на стене или на DIN-рейке;

• модули относительно дешевы в связи с большим тиражом их выпуска.

В пакете CRW-DAQ автором реализована система прав доступа и защиты, необходимая для предотвращения аварийных ситуаций, могущих возникнуть из-за несанкционированных действий посторонних лиц при локальном или удаленном доступе к системе управления (см. Приложение 9).

1.5. Автоматизация комплекса подготовки газовой смеси и системы радиационного контроля Комплекс подготовки газовой смеси КПГС [6] обеспечивает подготовку смеси ИВ заданного состава и чистоты, её подачу в мишень, вакуумирование газовых коммуникаций, утилизацию тритийсодержащей газовой смеси, очистку системы от следов трития и его соединений. Источником ИВ служат металлогидридные генераторы очистку от примесей выполняют диффузионные палладиевые фильтры [77]. При их работе надо измерять и стабилизировать температуру нагрева, отключать нагрев при превышении заданных температур и давлений, контролировать обрывы в цепях нагрузки, блокировать включение нагревателей при определенных состояниях вентилей или при опасном повышении уровня радиации. Для управления нагревом создана многоканальная программно-аппаратная подсистема регуляторов, аналогичная описанной в разделе 3.3.2, которая обеспечивает высокую надежность управления и точность стабилизации температуры не хуже ±2°C.

Подсистема контроля и управления КПГС (Рис.17) включает 7 таких каналов регулирования для генераторов BS1, BS2, BS3, BS4 и фильтров F1, F2, F3.

Управление нагревом ведется через активную мнемосхему, позволяющую задавать температуру нагрева и условия блокировки по температурам и давлениям (Рис.51).

Для контроля вакуума в узлах КПГС используются четыре манометрических термопарных преобразователя ПМТ-4М и два датчика вакуума IKR261, TPR фирмы Balzers. Лампы ПМТ подключены к электронному блоку, регулирующему и контролирующему их ток. Выходное напряжение термопарных преобразователей ламп измеряется многоканальным модулем АЦП I-7018, давление вакуума вычисляется по калибровке (35). Датчики вакуума Balzers подключаются через 6-канальный контроллер TPG-256, управление контроллером и сбор цифровых данных по вакууму осуществляются через порт RS-232.

Высокие давления измеряются тензометрическими датчиками, а низкие (до 1020 Бар) - датчиками типа САПФИР. Тензометрические датчики питаются от стабилизатора с напряжением +12 В, выходные сигналы датчиков регистрируются модулями АЦП I-7018. Для преобразования зарегистрированных напряжений в давления используются полиномиальные калибровки (раздел 1.4.2.3).

Состояния вентилей (VP) и электромагнитных клапанов (VE) установки (110 датчиков положений, по 2 на каждый вентиль и клапан) контролирует адаптер дискретного ввода-вывода DIO-144 на шине ISA управляющего ПК. Сигналы датчиков поступают через коммутационный блок, преобразующий их в TTL.

Состояния четырех датчиков давления воды контролируются многоканальным модулем дискретного ввода I-7053. Программа АСКУ обеспечивает отображение состояний вентилей, клапанов и датчиков давления воды на экране компьютера.