Программно-аппаратный комплекс, под управлением которого будут работать все источники питания магнитных элементов ускорительного комплекса Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»), разработали специалисты Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, 6 марта сообщает пресс-служба института.
Ускорительный комплекс (УК) «СКИФ» формирует пучок электронов, затем, разогнав его до нужной скорости, вбрасывает в накопительное кольцо, являющееся частью УК. Вращаясь в накопительном кольце со скоростью, близкой к скорости света, электронный пучок генерирует синхротронное излучение (СИ), которое пользователи ЦКП «СКИФ» используют в своих экспериментах. УК «СКИФ» — это комплекс больших электрофизических установок, содержащий множество сложных систем, в том числе систему питания магнитных элементов, обеспечивающую движение частиц в ускорителях и каналах транспортировки СИ. Всего в УК «СКИФ» располагаются более 2500 магнитных элементов и почти такое же количество прецизионных специализированных источников их питания. Созданный в ИЯФ СО РАН программно-аппаратный комплекс (ПАК) отвечает за правильную работу всех частей ускорительного комплекса, поэтому его еще называют мозгом и нервной системой установки. Основной элемент ПАК — это контроллеры, электронные устройства с собственным программным обеспечением. Они задают и контролируют по заданному алгоритму отработку тока для каждого источника питания. Научный сотрудник ИЯФ СО РАН Павел Чеблаков отметил, что основными элементами всех установок ускорительного комплекса являются электромагниты, обеспечивающие циркуляцию электронного пучка в бустере и накопителе и движение частиц по каналам транспортировки. «К таким устройствам на подобных физических установках предъявляются очень высокие требования по точности и стабильности отработки, — пояснил Павел Чеблаков. — Например, относительная стабильность отработки большинства источников питания для ускорительного комплекса ЦКП „СКИФ“ составляет 0,01%, а в ряде случаев этот параметр будет достигать 0,002%. То есть, выдавая в нагрузку максимальный ток, например, 900 ампер, источник питания в течение длительного времени должен отрабатывать это с точностью лучше, чем 20 миллиампер». Промышленность не производит такие прецизионные источники питания, поскольку на них нет широкого спроса, но в ИЯФ СО РАН имеются все компетенции, необходимые для их разработки и изготовления. Так, для УК «СКИФ» сотрудники института разработали и произвели 16 типов источников питания общим количеством 2550 единиц с контроллерами, объединенными в единый программно-аппаратный комплекс. Каждый контроллер сначала формирует уставку тока — задание на величину выходного тока для источника питания, а потом отслеживает выполнение задания и корректность процесса изменения величины тока. Контроллер обеспечивает непрерывный синхронный мониторинг состояния управляемого устройства и его интеграцию в общую распределенную систему управления ускорительного комплекса, чтобы данные о состоянии управляемого устройства в любой момент времени были доступны любому программному приложению, входящему в систему управления. Управлять каждым источниками питания будет индивидуальный контроллер, тип которого зависит от управляемого им устройства. При этом все контроллеры имеют одинаковый интерфейс и объединены в единую систему управления локальной сетью Ethernet. Их модульная конструкция позволяет легко адаптировать эти устройства для управления как существующими, так и будущими источниками питания, а использование Linux в качестве встроенной операционной системы делает их свободно программируемыми, позволяя применять как уже существующее программное обеспечение, так и разрабатывать новое. «В создании контроллеров участвуют специалисты по разработке электронного оборудования и специалисты по написанию программного обеспечения. Несмотря на то, что эти области смежные, всё же они требуют различных компетенций, поэтому для получения хорошего продукта необходимо, чтобы у них было как можно меньше точек соприкосновения в рамках реализации проекта», — рассказал Павел Чеблаков. Он пояснил, что такой принцип программирования сложных систем называется инкапсуляцией, когда каждый специалист создает только определенный интерфейс, а остальная часть системы для него является «черным ящиком». Это позволяет избежать запутанных связей между компонентами системы. «Мы применили этот подход при разработке контроллеров, провели некую границу зон ответственности межу электронщиками и программистами и получили хорошо работающий результат», — добавил ученый. Специалистами ИЯФ СО РАН совместно с партнерами разработаны и изготовлены контроллеры нескольких типов, предназначенные для различных источников питания. Устройства протестированы на стендах и на линейном ускорителе УК ЦКП «СКИФ». «У контроллеров есть электрические характеристики, такие как точность, быстродействие, а есть программные, отвечающие за логический аспект их работы, за их поведение, — пояснил Павел Чеблаков. — На данный момент в рамках стендовых испытаний наши контроллеры продемонстрировали свой базовый функционал, но впереди нас ждет проверка и отладка их программных характеристик, а это уже более сложная и трудоемкая работа, которая по-настоящему начнется только при запуске оборудования УК». Павел Чеблаков напомнил, что «за три наносекунды электронный пучок пролетает около метра, а это значит, что многие элементы системы управления ускорительного комплекса должны работать в этой же временной шкале, с высокой точностью». Поскольку все задания для двух с половиной тысяч источников питания выдаются синхронно, то, если нужно какое-то изменение величины тока в магнитах, всё должно происходить очень быстро и согласованно по времени. «Наличие большого количества элементов питания, их разнообразие, высокие требования по точности и быстродействию — всё это потребовало от нас сделать процесс управления источниками питания разных типов максимально простым и унифицированным, чтобы с каждым типом контроллера можно было взаимодействовать одинаковым образом», — продолжил пояснения ученый. Разработанный специалистами ИЯФ СО РАН программно-аппаратный комплекс позволяет достаточно легко включать в систему управления новые контроллеры и источники питания, а также адаптировать под новую задачу уже имеющиеся. «Функциональные возможности, заложенные в наш программно-аппаратный комплекс, очень богатые, и я вижу в этом большое достижение, мы гордимся нашей разработкой», — завершил свой рассказ Павел Чеблаков. Напомним, Центр коллективного пользования «СКИФ» — источник синхротронного излучения поколения 4+, которое поступает на пользовательские станции. Уникальные характеристики излучения позволят проводить в ЦКП самые передовые научные и технологические исследования во множестве областей: химии, физике, материаловедении, биологии, геологии, археологии, гуманитарных науках. Установка сооружается в Новосибирской области, в наукограде Кольцово. Единственным исполнителем по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ» является Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. glavno.smi.today
Свежие комментарии