Введение к работе
Актуальность темы. Проблема модернизации систем управления большими экспериментальными физическими установками, к которым относятся в первую очередь ускорители заряженных частиц, является весьма многогранной и важной не только для существующих установок, но и для вновь создаваемых. Системы управления (СУ) ускорителями обладают рядом особенностей, выделяющих их из традиционных СУ, предназначенных для управления крупными промышленными и технологическими объектами. В первую очередь, это связано с экспериментальным характером как, собственно, экспериментов, проводимых с их помощью, но часто и самих ускорителей, являющихся объектом исследования. Поэтому характер жизненного цикла систем управления промышленных объектов и ускорителей существенно различен. Если в первом случае внесение изменений н модернизация СУ фактически заканчивается с завершением этана наладки н ввода в промышленную эксплуатацию, а далее требуется лишь текущее обслуживание и ремонт, то в СУ ускорителей процесс внесения изменений, добавления новых элементов, приспособление к требованиям новых экспериментов продолжается в течении всего времени жизни ускорителя. Таким образом, вторым важным моментом является значительное время жизни ускорителя, составляющее два-три десятилетия. Ясно, что за столь длительный срок технические и структурные решения, насколько хорошими бы они не были, неизбежно устаревают. Постоянные времени жизненного цикла основных технологий, используемых и СУ, таких как электроника в целом, вычислительная техника, программирование и связь, существенно меньше указанного периода. Так, за время существования накопителя ВЭПП-3 с конца 60-х годов по настоящее время родился и успел умереть целый класс вычислительных машин, относящихся к разряду мини, появилось и сменилось несколько поколений персональных компьютеров и рабочих станций, были разработаны концепции структурного программирования, открытых стандартов, получили широкое распространение высокоэффективные локальные сети, на 6-7 порядков возросла функциональная плотность электронных компонент. Из всего этого ясно, что модернизация СУ ускорителей - явление неизбежное. Вопрос состоит в стратегии п тактике такой модернизации. В этой связи третьим важным моментом является значительный размер и сложность установки и, соответственно, ее системы управления. Стоимость СУ ускорителя составляет от 5% до 10% стоимости всего комплекса на этапе его создания. Модернизация состоит из малых изменений, усовершенствований и
добавлений, выполняемых постоянно, и не затрагивающих структуры в целом, и этапов реконструкции, вносящих существенные изменения в структуру системы. В последнем случае, в связи с большой стоимостью, особенно важным является сохранение инвестиций в наиболее капиталоемкие компоненты системы, такие как управляющая н измерительная электроника нижнего уровня, а также программное обеспечение. Модернизация, как правило, выполняется без остановки эксплуатации комплекса и осуществляется персоналом, отвечающим за текущую работоспособность установки, что накладывает дополнительные ограничения на процесс внесения изменений.
Целью данной работы является:
анализ (на примере комплекса ВЭПП-4) систем управления ускорителями в ИЯФ СО РАН, существовавших на момент лета 1985 года и базировавшихся на использовании ЭВМ серии ОДРА-1300, разработка программно совместимой мпкроЭВМ Одренок и выработка концепции распределенной однородной системы управления на базе данной мпкроЭВМ;
разработка структуры н создание необходимой аппаратуры для перехода от систем, строящихся по структурной схеме "базовая ЭВМ ОДРА - кластер мпкроЭВМ Одренок" к однородной схеме "базовая ЭВМ Одренок - кластер мпкроЭВМ Одренок" и связанные с этим работы но повышению функциональных возможностей мпкроЭВМ;
внедрение результатов работы в системах управления ускорителями в ИЯФ СО РАН, ИАЭ им. Курчатова, распространение на системы автоматизации экспериментальных стендов и инженерные рабочие станции;
- анализ тенденций развития н выработка подходов к следующему
этапу реконструкции систем управления ускорителями в ИЯФ.
Работа выполнялась в период с 1984 по 1995 годы. Научная нстизна.
1. Предложен эффективный вариант модернизации систем управления
ускорителями в ИЯФ, базирующийся на применении программно совме
стимых с ЭВМ серии ОДРА-1300 мпкроЭВМ и состоящий в переходе к
однородным распределенным системам с использованием в качестве цен
тральной машины также мпкроЭВМ Одренок. Такой вариант исключил
необходимость расширения (восстановления) парка ЭВМ Одра и позво
лил сохранить все наработанное программное обеспечение.
2. На основе анализа задач, решаемых ЭВМ в системах управления
ускорителями, предложены варпгштьг расширения архитектуры мпкро
ЭВМ:
- реализована полная система команд 24-разрядных ЭВМ класса
"универсальные" семейства ОДРА-1300 (ICL-1900);
впервые реализовано ядро операционной системы реального времени на уровне микрокода;
предложены н реализованы расширения системы команд операциями векторной арифметики, а также операциями, повышающими производительность ЭВМ при решении задач, характерных для систем управления.
-
Предложен п реализован оригинальный способ взаимодействия интеллектуальных крейт-контроллеров с базовой ЭВМ по линии связи, обеспечивающий дистанционную загрузку и рестарт, прямой доступ в оперативную память контроллера и полный дистанционный контроль его состояния. Разработаны соответствующие модули связи.
-
Предложен ряд оригинальных технических решений, разработаны методики и инструментальные средства для тестирования и наладки цифровых систем.
Реализация результатов работы, практическая ценность.
1. Предложенные структурные решения, мнкроЭВМ Одренок и дру
гие разработанные с участием автора системные модули были положены
в основу верхнего уровня систем управления следующими крупными
ускорительными комплексами:
ВЭПП-4 - е+е~ коллайдер на энергию 2x6 ГэВ, состоящий нз следующих основных подсистем:
линейного ускорителя на энергию 55 МэВ с током 40 А;
синхротрона Б-4 на энергию 350 МэВ;
бустерного накопителя ВЭПП-3 на энергию 2,2 ГэВ;
каналов транспортировки пучка;
собственно накопителя ВЭПП-4.
Общее число мнкроЭВМ Одренок, непосредственно задействованных з системе управления - 12, общее количество крейтов с измерительной и травляющей аппаратурой - 65.
ВЭПП-2М - е+е~ коллайдер на энергию 2x0.7 ГэВ. Кол-во мнкроЭВМ Одренок - 11, общее количество крейтов - 47.
"Сибирь-2" - специализированный источник СИ, Ее~ = 2.5 ГэВ.
Кол-во мнкроЭВМ Одренок - 7, общее количество крейтов - 35.
ТРАПП - протонный синхротрон на энергию 300 МэВ. Кол-во мн-:роЭВМ Одренок - 5, общее количество крейтов - 9.
2. На базе Одрят построены СУ следующих экспериментальных п
'естовых стендов, системы автоматизации небольших экспериментов:
МАГНИКОН - источник ВЧ-мощностн (F =7 ГГц, Р=20 МВт, Г=1.3 мкс);
РОКК - источник рассеянных обратно комптоновских квантов (5-2000 МэВ);
НЭП - специализированного накопителя электронов для проведения экспериментов рассеяния на внутренней мпшене;
ДЕЙТРОН - для проведения экспериментов рассеяния на внутренней поляризованной мишене;
криогенного обеспечения детектора КЕДР;
- инжектора водородного прототипа.
Стенды:
-испытания СВЧ-генераторов для линейных ускорителей;
измерений поля в "теплых" магнитах;
импульсных магнитных измерений;
магнитных испытаний сверхпроводящих змеек;
проверки источников стабилнзнрованого тока;
измерений "теплых" и сверхпроводящих резонаторов;
измерительные пнжекцнонного комплекса ВЭПП-5. В составе экспериментальных станций СИ:
фотохимических исследований;
рентгенофлуоресцентного элементного анализа;
дифракционного кино;
макромолекулярнон кристаллографии;
EXAFS-спектроскопнн.
3. Около 120 мпкроЭВМ Одренок использовались в различных лабора
ториях института в качестве персональных ЭВМ и инженерных рабочих
станций. Такое применение позволило снять остроту нехватки персо
нальных ЭВМ для научного и инженерного персонала. До сих пор, не
смотря на широкое распространение IBM PC инженерные рабочие стан
ции на базе Одренка широко используются для тестирования и наладки
радиоэлектронного оборудования.
4. Предложенные технические решения позволили увеличить произ
водительность микроЭВМ Одренок в 3-3.5 раза по сравнению с версией
1985 года.
Автор выносит на защиту следующие результаты работы:
-
Предложен и реализован вариант модернизации систем управленії}; ускорителями в ИЯФ, позволивший перейти к однородной системе на базе разработанной микроЭВМ Одренок.
-
Отдельные архитектурные решения, такие как последовательна} реализация принципа виртуальной машины при построении змуляторої
целевой архитектуры ЭВМ, позволяет перейти на новый технологический уровень н сохранить большую часть программного обеспечения, как одной из наиболее трудоемких компонент систем управления.
-
Отдельные элементы архитектуры, реализованные в микроЭВМ Одренок могут быть использованы при разработке новых поколений процессоров для систем управления, работающих в режиме реального времени.
-
Проведен анализ возможных вариантов дальнейшего развития систем управления ускорителями в ИЯФ н предложены варианты модернизации этих систем.
Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах в Институте ядерной физики СО РАН; пятом (Москва, 1977), восьмом (Дубна, 1983), девятом (Дубна, 1985) одиннадцатом (Дубна, 1989), двенадцатом (Москва, 1990) Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц; третьем (Ереван, 1985) п четвертом (Нор-Амберд, 1988) Всесоюзных семинарах по обработке физической информации; Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ" (Новосибирск, 1977); третьей школе-семинаре "Интерактивные системы" (Тбилиси, 1980); втором Все-:оюзном симпозиуме по модульным информационно-измерительным сн-:темам (Москва, 1980); втором Всесоюзном семинаре по автоматизации іаучньїх исследований в ядерной физике н смежных областях (Новосн-Зпрск, 1982); XIX Всесоюзной школе "Автоматизация научных исследований" (Новосибирск, 1985); XIII международной конференции по ускорителям заряженных частиц (Новосибирск, 1987); VII Всесоюзном симпо-шуме "Модульные информационно-вычислительные системы" (Новосибирск, 1989); международной конференции по системам управления для жсперименталыюй физики (Женева, 1990). По теме диссертации опублп-сованы 24 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 112 странн-іах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключе-шя, списка литературы п приложения. Текст содержит 14 рисунков, в писке цитируемой литературы - 70 наименований.