Программное обеспечение системы управления инжекционного комплекса ВЭПП-5 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Болховитянов, Дмитрий Юрьевич

• Болховитянов, Дмитрий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Болховитянов, Дмитрий Юрьевич

Введение

1 Цель и актуальность работы

1.1 Ипжекциопный комплекс ВЭПП-5.

1.1.1 Общие сведения.

1.1.2 Подсистемы, требующие автоматизации.

1.1.3 Требуемые характеристики системы управления.

1.2 Выбор аппаратной платформы и ОС для системы управления.

1.3 Выбор системы управления.

2 Разработка

2.1 Трехуровневая клиент-серверная архитектура.

2.2 Абстракция данных — каналы.

2.2.1 Каналы

2.2.2 Принципы функционирования каналов.

2.2.3 Большие каналы.

2.2.4 Циклическая работа сервера.

2.2.5 Дополнительные атрибуты каналов — возраст значения и флаги

2.3 Принципы представления, преобразования и обработки данных.

2.4 Обсуждение избранного подхода.

2.5 О многопоточности.

2.6 Общая архитектура системы управления.

2.7 Сравнение СХ с другими системами управления физическими установками

3 Реализация 35 3.1 СХ-сервер.

3.1.1 Основной цикл сервера.

3.1.2 Модель и API драйверов.

3.2 Драйверы.

3.2.1 САМАС-драйверы для контроллеров СМ

3.2.2 CAN-драйверы.

3.3 Сетевой протокол СХ.

3.4 Транспортная клиентская библиотека cxlib

3.5 Библиотеки работы с данными.

3.5.1 Доступ к данным с автоматическим восстановлепием соединения —

3.5.2 Формулы.

3.5.3 Структурирование данных — Cdr.

3.6 Библиотеки пользовательского интерфейса

3.6.1 Chi.

3.6.2 Knobs — компоненты управления.

3.6.3 Xh — упрощенный доступ к функциональности XII.

3.7 Организация пользовательского интерфейса.

3.7.1 Цветовое кодирование.

3.7.2 Выдача информации по мере необходимости.

3.7.3 Работа полей ввода данных.

3.7.4 Файловые диалоги.

3.8 Система запуска и контроля состояния.

3.9 Средства отладки и диагностики

3.9.1 Симуляция аппаратуры.

3.9.2 Консольные утилиты для доступа к данным.

3.9.3 Система протоколирования.

3.9.4 Консольный интерфейс сервера.

4 Применение

4.1 Магнитная система.

4.2 Система управления субгармоническим группирователем.

4.3 Система контроля вакуума.

4.4 Система термостабилизации.

4.5 Система диагностики пучка.

4.6 Использование системы СХ в проекте МНТЦ JVS

4.6.1 Описание проекта.

4.6.2 Задачи автоматизации

4.6.3 Выбор системы управления

4.6.4 Программы управления и контроля.

4.6.5 Драйверы.

4.6.6 Эволюция.

4.6.7 Выводы.

5 Дальнейшее развитие

5.1 Порт для Windows.

5.2 Кросс-сборка.

5.3 Межплатформнос преобразование данных.

5.4 БД с конфигурацией аппаратуры.

5.5 Модульный подход к построению унифицированных программ управления па основе древовидных описателей и plugin-архитектуры

5.6 Загружаемые модули сетевого доступа в сервере.

5.7 Ядро-планировщик cxschcduler.

5.8 Библиотека структурированного бинарного В/В

5.9 Об ограничениях.

5.10 Кодирование селекторов строками, а не числами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Программное обеспечение системы управления инжекционного комплекса ВЭПП-5»

Необходимой частью современных установок для проведения экспериментов по физике высоких энергий является компьютеризированная система управления установкой. Данная работа посвящена созданию системы управления строящимся в ИЯФ СО РАН Иижекционным комплексом ВЭПП-5 [1].

В настоящее время в мире существует и используется на ускорительных установках немалое количество программных систем управления. Однако, в середине 1990-х годов, когда начал создаваться комплекс ВЭПП-5, большинства из этих систем (например, TANGO[2, 3] и TINE[4, 5]) не было, а существовавшие были недоступны либо вследствие закрытости для России (EPICS[6, 7]), либо вследствие дороговизны (Vsystcm[8]). Системы же управления, применяемые на существовавших к тому времени в ИЯФ установках, были слишком привязаны к используемой аппаратуре (как к управляющей электронике, так и к компьютерам), и потому пе подходили для ВЭПП-5, поскольку па нем предполагалось использование иной аппаратуры.

Цель проведения работы

Целью работы являлось создание централизованной компьютерной системы управления для Иижекциопного комплекса ВЭПП-5. Это включало в себя:

1. Разработку архитектуры системы управления на основе трехуровневой модели.

2. Создание ядра системы управления как самостоятельного программного продукта, работающего под POSIX-совмсстимыми ОС (в частности, Linux).

3. Реализацию набора управляющих программ для Инжекционного комплекса ВЭПП-5.

Структура диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, сформулированы цели работы, научная новизна и практическая значимость, перечислены положения, выносимые на защиту, и приводится краткий обзор содержания диссертации.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Болховитянов, Дмитрий Юрьевич

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались па следующих рабочих совещаниях и конференциях:

6th International Conference on Accelerator and Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS'97, Пекин, Китай), 8th International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS 2001, Сан-Хосе, США), 4th International Workshop on Personal Computers and Particle Accelerator Controls (PCaPAC-2002, Фраска-ти, Италия), The 5th International Workshop on Personal Computers and Particle Accelerator Controls (PCaPAC-2005, Хаяма, Япония), The 10th International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS 2005, Женева, Швейцария), XXth Russian Conference on Charged Particle Accelerators (RuPAC'2006, Новосибирск, Россия), The 6th International Workshop on Personal Computers and Particle Accelerator Controls (PCaPAC-2006, Ньюпорт Ньюс, США) и опубликованы в работах [11], [14], [15], [34], [40], [1], [35], [49], [50], [9] и [16]. Благодарности

В заключение выражаю глубокую благодарность научному руководителю работы П.В.Логачеву за руководство и помощь в процессе написания работы.

Выражаю искреннюю благодарность Р.Г.Громову, Е.А.Гусеву, И.Л.Пивоварову, О.Ю.Токареву, Ю.И.Эйдельмапу за совместные обсуждения проблем, возникавших при разработке системы; Ф.А.Емапову, Д.А.Малютину и А.А.Старостенко за критические замечания и отзывы по системе управления; В.Р.Козаку, В.Р.Мамкину и С.В.Тарарышкину за разработку управляющего оборудования и за помощь в его освоении; всем сотрудникам Лаб.5 и другим сотрудникам ИЯФ за помощь и поддержку, оказанную в процессе выполнения данной работы.

Заключение

При проведении работы были получепьг следующие основные результаты и выводы:

1. Разработана архитектура системы управления на основе трехуровневой модели.

2. Создано ядро системы управления как самостоятельный продукт, включающий:

• Сервер системы управлепия.

• Набор драйверов для устройств САМАС и CAN-bus.

• Реализацию сетевого протокола клиент-сервер для связи между сервером и прикладными управляющими программами.

• Набор библиотек для прикладных программ, обеспечивающих обработку дап-ных и стандартизованный интерфейс с пользователем.

• Средства отладки и диагностики.

• Систему запуска ПО и контроля состояния подсистем.

3. Создан набор управляющих программ для Инжекционного комплекса ВЭПП-5, а именно:

• Программа управления магнитной системой форинжектора ВЭПП-5.

• Программа управления субгармоническим группирователем.

• ПО системы контроля вакуума в линейном ускорителе и в накопителе-охладителе.

• Программа управлепия системой термостабилизации.

• Набор программ для системы диагностики пучка в линейном ускорителе.

Разработанный комплекс программ используется для управления ВЭПП-5 с 2000г. В частности, с помощью данного комплекса был запущен линейный ускоритель, достигнут проектный темп ускорения и осуществлено получение позитронов.

4. Создапное ядро системы управления примепимо для автоматизации других установок, в т.ч. экспериментов малого масштаба, что продемонстрировано на примере системы управления эксперимента МНТЦ N2257. '

5. Разработан модульный подход к построению унифицированных программ управления, позволяющий значительно упростить создание этих программ и повысить гибкость системы управления.

Апробация работы и публикации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Болховитянов, Дмитрий Юрьевич, 2007 год

1. М. С. Авилов, . Д. Ю. Болховитянов и др., «Состояние работ на инжекционном комплексе ВЭПП-5», Атомная энергия, т. 94, вып. 1, январь 2003, сс.84-87.

2. P.Duval, 'TINE: An Integrated Control System for HERA", Proc. ICALEPCS'99 (Trieste) http://www.elettra.trieste.it/ICALEPCS99/proceedings/papers/mclp48.pdf

3. TINE (Three-fold Integrated Networking Environment) http://adweb.desy.de/mst/tine/

4. L.R.Dalesio et al, "EPICS architecture"http://www.aps.anl.gov/asd/controls/epics/*-^ EpicsDocumentation/EpicsGeneral/EPICSArchitecture.ps

5. Experimental Physics and Industrial Control System http://www.aps.anl.gov/epics/

6. Vista Control Systems, Inc., "Vsystcm®"http://www.vista-control.com/vsystem.htm

7. D.Yu.Bolkhovityanov, E.A.Gusev, V.V.Oreshonok, O.V.Pirogov, D.P.Sukhanov, 'The RF phase and amplitude monitoring system of the VEPP-5 preinjector", Proc. RuPAC 2006 (Novosibirsk, Russia, September 2006) http://rupac2006.inp.nsk.su/ready/modpl9.pdf

8. С.В.Карнаев, «Разработка и реализация системы управления ускорительно-накопительным комплексом ВЭПП-4», дисс.к.т.н., 1996

9. D.Yu.Bolkhovityanov, Yu.I.Eidelman, "Control System for VEPP-5 electron-positron complex", Proc. ICALEPCS'97 (Beijing, China, November 1997)http://www.aps.anl.gov/icalepcs97/paper97/p066.pdf

10. Д.Ю.Болховитяпов, Р.Г.Громов, И.Л.Пивоваров, Ю.И.Эйдельмап, «Проект программного обеспечения системы управления комплексом ВЭПП-5», препринт ИЯФ 98-53http: //www. inp.nsk. su/~bolkhov/publs/binpp9853.ps

11. V.Shilo, "Intelligent CAMAC-controller Family Based on the 32-bits Inmos Transputers", Proc. 7th International School-Seminar on Automation and Computing in Scicnce, Engineering and Industry, Yalta, Crimea, 1996.

12. D.Yu.Bolkhovityanov, R.G.Gromov, E.A.Gousev, K.V.Gubin, I.L.Pivovarov, O.Yu.Tokarev, "Present Status of VEPP-5 Control System", Proc. ICALEPCS2001, San Jose, California, USA, November 2001http://www.slac.Stanford.edu/econf/СО11127/TUAP003.pdf

13. D.Bolkhovityanov, I.Pivovarov, O.Tokarev, "Evolution and Present Status of VEPP-5 Control System", Proc. PCaPAC'2002 (Frascati (RM), Italy, October 2002)http://www.lnf.infn.it/conference/pcapac2002/TALK/M0-P15/M0-P15.pdf

14. A.Gotz et al. "Experience with a standard model'91 based control system at the ESRF". Proc. ICALEPCS'93 (Berlin). NIM 352A (1994) p. 22-27.

15. I.Abe et al, "COACK-II Project on Accelerator Control Kernel Development", Proc. ICALEPCS'99 (Trieste)http://www.elettra.trieste.it/ICALEPCS99/proceedings/papera/wclp32.pdf

16. А.Волков, «Техническое описание контроллера шагового двигателя КШД-485» http://vega.inp.nsk.su/hardware/ksm485.html

17. IMPAC Infrared GmbH, "Pyrometer IS10, IGA10: Technical Documentation and Operating Instruction"http://www.ir-impac.com/uploads/Bedanloffen/IslObed.pdf

18. Б.Карымов, «ADC333: описание структуры и работы» http://www.inp.nsk.su/activity/automation/*-3 device/devicenew/camac/adc333.html

19. Jeffrey 0. Hill, "A Server Level API for EPICS", Proc. ICALEPCS'95 (Chicago) http://www-bd.fnal.gov/icalepcs/abstracts/PDF/wlab.pdf

20. M.Clausen, "EPICS Office", Proc. ICALEPCS'2005 (Geneva) http://elise.epf1.ch/pdf/05.010.pdfhttp://icalepcs2005.web.cern.ch/icalepcs2005/^ Presentations/14octFriday/FR2/FR26-60.ppt

21. Microsoft Corporation, "I/O Completion Ports"http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=<-a /library/en-us/fileio/fs/iocompletionports.asp

22. P.Duval, Z.Kakucs, M.Kadunc, I.Kriznar, M.Plesko, A.Pucelj, G.Tkacik, "The Babylonization of Control Systems", Proc. PCaPAC'2002 (Frascati)http: //www. lnf. infn.it/conference/pcapac2002/TALK/TH-02/TH-02.pdf

23. ИЯФ CO РАН, «Устройства с интерфейсом CANbus » http://www.inp.nsk.su/activity/automation/*-* device/devicenew/canbus/devcan.html

24. Г.Пискунов, С.Тарарышкин, «Двадцатичетырехразрядная ЭВМ в стандарте САМАС», Автометрия, №4/1986http: //www. inp. nsk. su/~tararysh/docsandsoft/camac/odrenok/index.htm30. "ICL 1900 Series Computers" http://www.f cs.eu.com/

25. В.Р.Мамкин, «Контроллер KAMAK CM5307. Часть 1. Техническое описание.», 2001г http: //www. inp. nsk. su/~mamkin/camacto 1. pdf32. "Embedded Linux/Microcontroller Project" http://www.ucl inux.org/

26. OAR Corp., RTEMS http://www.rtems.com/

27. D.Dolkhovityanov et al, "Experience of Using uClinux-based CAMAC Controllers in VEPP-5 Control System", Proc. PCaPAC'2002 (Frascati (RM), Italy, October 2002) http://www.lnf.infn.it/conference/pcapac2002/TALK/TU-P14/TU-P14.pdf

28. D.Bolkhovityanov et al, "PowerPC-based CAMAC and CAN-bus controllers in VEPP-5 Control System", Proc. PCaPAC'2005 (Hayama, Japan, March 2005) http://conferencc.kek.jp/pcapac2005/papcr/WEB4.pdf

29. С.А.Третьяков, «Controller Area Network (CAN) — локальная сеть контроллеров», журнал «Электроника» N#9,10/1998http://www.inp.nsk.su/~kozak/canbus/980926doc-01. pdf

30. В.Р.Козак, «Микропроцессорные устройства, встраиваемые в оконечную аппаратуру (CANbus в ИЯФе)», институтский семинар (ускорительная секция), 14 апреля 2005г. http://www.inp.nsk.su/~kozak/canbus/sem00/sem00.htm

31. В.Р.Козак, «Особенности использования интерфейса CANbus в ИЯФе», 2005г. http://www.inp.nsk.su/~kozak/appnotes/anclO.pdf

32. ООО „Марафон", «CAN-bus-PCI интерфейс»http://can.marathon.ru/devices/can-bus-pci.html

33. D.Bolkhovityanov, O.Tokarev, "Usage of PC CANBUS Controllers in VEPP-5 Control System", Proc. PCaPAC'2002 (Frascati (RM), Italy, October 2002)http: //www .lnf. infn. it/conference/pcapac2002/TALK/TU-P15/TU-P15. pdf

34. В.Р.Мамкип, «CANGW. Шлюз Ethernets (CAN, RS485)», 2004r. http://www.inp.nsk.su/~mamkin/cangw.pdf

35. В.Р.Козак, «CGVI8 многоканальный генератор задержанных импульсов» http://www.inp.nsk.su/~kozak/designs/cgv.htm43. "Reverse Polish notation" http://en.wikipedia.org/wiki/ReversePolishnotation

36. National Instruments Corp., "LabVIEW" http://www.ni.com/labview/45. "NEdit — the multi-purpose X Window System editor" http://www.nedit.org/

37. D.Yu.Bolkhovityanov, R.G.Gromov, I.L.Pivovarov, A.A.Starostenko, "Experience of Using Multimonitor Workstations Under XFrce86 4.x in VEPP-5 Control Room", Proc. ICALEPCS'2001 (San Jose)http://www.slac.stanford.edu/econf/C011127/WEAP030.pdf

38. Г.В.Карпов, А.С.Медведко, «Система измерения положения пучка в форинжекторе ВЭПП-5», препринт ИЯФ 2006-035http://www.inp.nsk.su/act ivity/preprints/f iles/2006035.pdf

39. С.С.Ссредняков, «Система управления электронным пучком и излучением лазера на свободных электронах», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2005г.

40. Presentations/Posters/P01091.pdf

41. O.Alyakrinskiy, M.Avilov, D.Bolkhovityanov et al, "High Power Neutron Converter for Low Energy Proton/Deuteron Beams", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Vol. 557 Issue 2,15 February 2006, pp. 403-413.

42. Р.Е.Кусков, «Универсальная GUI-библиотека для создания программ управления и визуализации экспериментальных данных», квалификационная работа на соискание степени бакалавра, 2003г.

43. Р.Е.Кусков, «Методы удаленного управления ускорительным комплексом с помощью переносимых средств», магистерская диссертация, 2005г.53. "PostgreSQL: The world's most advanced open source database" http://www.postgresql.org/

44. Д.Н.Салмин, «Прототип базы данных аппаратуры системы управления комплекса ВЭПП-5», квалификационная работа на соискание степени бакалавра, 2004г.

45. А.Ю.Антопов, «Прототип базы данных аппаратуры системы управления комплекса ВЭПП-5», магистерская диссертация, 2005г.56. "EPICS MEDM: Motif Editor and Display Manager" http://www.aps.anl.gov/epics/extensions/medm/

46. Thomas Birkc, "dm2k" http://www-csr.bessy.de/control/SoftDist/dm2k/

47. Kay Rechlich, "ddd: The DOOCS Data Display" http://tesla.desy.de/doocs/doocsgen/ddd.html59. "Finite state machine"http://en.wikipedia.org/wiki/Statemachine60. Ed Falk, Gridboxhttp://www.ef alk.org/Widgets/#gridbox

48. А.Ю.Аптонов, «Реализация Motif-части универсальной GUI-библиотеки для программ управления», квалификационная работа на соискапие степени бакалавра, 2003г.

49. Computer Generation, Inc., "The LiteClue Widget" http://halibut.compgen.com/widgets/LiteClue.html

50. Quest Software, Inc., "XRT PDS" http://www.quest.com/xrtpds/

51. Robert W. McMullen, "SciPlot Widget"http://www.questconsult.com/"jrm/SciPlot.html

52. Ge Lei, "Jpt Jefferson Lab Plotting Toolkit"http://www.aps.anl.gov/epics/download/extensions/index.phphttp://www.aps.anl.gov/epics/download/extensions/jpt200l.tar .gz