Автоматизация физических экспериментов на тритиевых комплексах исследовательских установок «Тритон», «Акулина» и «Прометей» (стр. 4 )

Рис.4. Общая структура АСКУ тритиевого комплекса.

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, 2 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 30 каналов (Таблица 1).

Таблица 1. Список измерительных каналов АСКУ ТРИТОН.

Измерение и управление	Каналов	Тип канала
ТРИТОН - КПГС
Термопарные измерения температуры нагревателей источников	8	аналоговый
Управление нагревателями источников	8	дискретный
Контроль обрыва спиралей нагревателей источников	8	дискретный
Управление релейной блокировкой нагревателей источников	8	дискретный
Измерение низких давлений датчиками вакуума фирмы Balzers	2	RS-232
Контроль вакуума лампами ПМТ-4	4	аналоговый
Контроль тока ламп ПМТ-4	4	аналоговый
Измерение высоких давлений тензометрическими датчиками	6	аналоговый
Измерение давлений датчиками типа «Сапфир»	2	аналоговый
Контроль состояний датчиков давления воды	4	дискретный
Контроль состояний ручных вентилей с датчиками положения	48	дискретный
Управление электромагнитными клапанами	9	дискретный
Контроль состояний электромагнитных клапанов	9	дискретный
Контроль объемной активности трития в рабочем помещении	4	RS-485
ТРИТОН - мишень
Термопарные измерения температуры нагревателя мишени	1	аналоговый
Управление нагревателем мишени	1	дискретный
Контроль обрыва спирали нагревателя мишени	1	дискретный
Управление релейной блокировкой нагревателей мишени	1	дискретный
Контроль состояний ручных вентилей с датчиками положения	2	дискретный
Измерение температуры мишени криогенными термодиодами	2	аналоговый
Стабилизация температуры мишени	1	аналоговый
Измерение давления датчиком типа «Сапфир»	1	аналоговый
Измерение высокого давления тензометрическими датчиками	2	аналоговый
ТРИТОН - радиохроматограф
Измерение сигнала датчика по теплопроводности	1	аналоговый
Управление диапазоном ЭМУ-2	2	дискретный
Измерение тока ионизационной камеры	1	аналоговый

Для аналогового и дискретного контроля и управления узлами КПГС используются модули серии I‑7000 фирмы ICP DAS, выбор которых обоснован в разделе 1.4.2.7. Для контроля вакуума служат датчики фирмы Balzers, 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.

2.4.  Инструментальный программный пакет для автоматизации физических экспериментов

Современные промышленные системы автоматизации обычно строятся на базе серийной модульной цифровой измерительной аппаратуры и промышленных компьютеров [59], с использованием специализированных программных 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, масс-спектрометрии, 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 1÷10 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.

Свойство	CRW-DAQ	LabView, WinCC и т.д.
Ориентация	Исследования	Промышленность
Тип лицензии	Открытая, свободная	Закрытая, коммерческая
Поддержка и развитие	Силами лаборатории с 1998	Фирменная
Документация	Есть, достаточная	Есть, обширная
Книги, журналы	Нет	Есть
Примеры, шаблоны	Есть, много	Есть
Исходный код, Открытость реализации	Открытый, Принцип «ЗНАЮ КАК»	Закрытый, Принцип «ЧЕРНЫЙ ЯЩИК»
Зависимость от фирмы	Никакой	Полная
Лицензионные ограничения	Нет	Есть, зависит от продукта
Среда разработки	Текстовая	Визуальная
Синхронизация версий ПО	Есть (на базе windiff)	Нет (двоичные коды)
Система калибровки	Есть, развитая	Готовой нет
Самодиагностика, мониторинг, журналирование	Есть, развитая	Готовой нет
Многопоточность	Есть, всегда	Потенциально
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	Есть, легко добавить новые	Нет, но можно добавить
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.