автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Автоматизация физических экспериментов на стеллараторе Л-2 на базе ЭВМ МИКРО-НОВА, Электроника-60, СМ-4 и модулей КАМАК

* г? 11.9 О

* АКЛДЬШ НШ СССР ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На правах рухсоготси УД? 681.142.4: 539.107.5

КАМОЛОБА Татьяна Ивановна

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЙИЗИЧШОДХ ЭКСП^Д&КТСЗ НА СГШЛШОРЕ Л-2 Ш БАЗЕ ЭШ ШРО-НОЗА, ЭШОТОНИКЛ-бО, С!М И МОДУЛЕЙ ЮШК

05.13.16 - прш.'О.чение вычислительной гехниян, иато^.атического моделирования и матоматичесгсшс !'.2тодоБ о научных исследованиях ( физика )

Автореферат

диссертации на соискшиа ученой степени кандидата техничзских наук

Москва 1990 г.

-гик... 4

. Зи.'Д

.Работа выполнена в отделе физики плазмы Института общой

, о,

йда ЛНСССР.

руководитель: кандидат техничоских наук Нечаев О.И., Официальные оппоненты: доктор технических наук

Калмыков И.В.,

кандидат физико-иатеыатичоских наук Огливанчкк Б.А. Ведущая организация: Физико-техничеасий институт мм.А.Ф.

Иоффе АН СССР, г.Ленинград

Защита диссертации состоится " 3 " й^^С^Ьд/кИ 1990г. в Л исов на заседания Специализированного ученого совета $ 6 1нститута общей физики АН СССР по адресу: Москва, ул.Вавилова,23.

С диссертацией юхю ознакомиться в библиотеке И05АН СССР. Автореферат разослан г.

АгенкР секретарь Специализированного совета

х.ф.м.и. В.И.Гатаршщзв

Общая характеристика работы

I. Актуальность работы.

Физическая установка стеллараюр Л-2 представляет собой одну из крупнейших стеллараториых установок в мире, работающих по про блеме управляемого термоядерного синтеза. Установка вступила в работу в 1975-1976 г.г. Работа установки носит импульсный характер, длительность рабочего импульса - 33 кксек, длительность паузы 3-й мин. Проблема автоматизации возникла сразу же с вводом о действие установки. Необходимость постоянного контроля над параметрами, характеризующим режим работы установки, с точностью измерений не хуже 0,1%. может быть решена только при пошаговой временной оцифровке .сигналов не реже, чем через I ыксек.

Развитие исследовательских работ по нагреву и удержании плазмы, изучение поведения примесей и решение других физических задач привели к созданюо расширенного комплекса диагностическим систем. На стеллараторе Л-2 установлено 15 диагностик, данные с которых поступают по ЬО-ти информационным каналам. Необходимый временной шаг при оцифровывании диагностических сигналов выбирается в зависимости от частотной характеристики сигнала и времени наблюдения за ним. За один рабочий импульс установки объем собираемой информации приближается к 10 Кбайтам. Быстрый сбор информации в течение рабочего импульса установки, получение обработанных данных в паузе между импульсами, точность измерений, высокая стоимость рабочего импульса стелларатора - все эти проблемы могут одновременно решаться только созданием автоматизированной системы сбора информации с применением ЭВМ. Использование стандарта КЛМАК позволяет создать гибкую систему не ориентированную на определенный тип ЭВМ.

2.Цель работы.

Даль» работы является создание законченной автоматизированной састеш сбора информации с установка Л-2, а имокно:

- разработка структурной схемы автоматизированной системы "Стел-ларатор Л-2"

- разработка и создание аппаратного обэслочэшш автоматизированной системы научных исследований (АШИ) "Стелларатор Д-2" на базе мини и мккро ЭЕЧ н модулей стандарта КАМАК, с получением двух-уровневой системы автоматизации

- разработка и создание элйктрошш схем» связывающих диагностическую аппаратуру с модулями КАМАК

- разработка алгоритмов программ, сбслуяпващих работу модулой КАМАК, линии связи, программ сбора данных. Создание программно обеспечения для работы системы АСШ "Стелларатор Л-2" в диалоговом ражие.

3. Научная новизна.

Автор вкносит на зациту следующие положения.

1. Разработка и создание модульной структуры АСНИ "Стелларатор Л-2" как аппаратного, шшзчагжцего согласующие схекы и модули ШШАК, так и программ ¡ого обзепечзния.

2. Данная работа является первой отечественной АСНИ на физических установках, работавших по програше УТС, класса стзялара-тор, созданной с применением модулей стандарта КАМАК.

3. Разработка и создание двухуровневой система автоштизацви, объединившей миниЗШ СМ-4, шкро ЭВМ Макро-Нова (американского производства) и микро ЭВМ Электроника-60 с програкжо-несовмес-ттшм процессорам!.

4. Осуществление сбора экспериментальной информации и пзрво-начальной обработки в диалоговом режиме в масштабах реального

врашиа работы физической установки Д-2, носящей импульсный характер.

4, Практическая ценность работы.

Работа выполнена на современном качественном уровно автомата гоции, используя мщсро и мини ЭВМ ¡сак отечественные, так и зару бедные. Разработанная структурная схема автоматного ванной си с теш "Стедларатор Д-2" основывается на модульном принципе.

Ввод данных в ЗШ осуществляется с помощью модулей КАМАК как стандартных, так и специально разработанных для этой системы,которые иагуг применяться и на других установках с аналогичными Брамакшми характеристиками. Выбор стандарта КАМАК позволяет модернизировать систему с заменой ЗШ без кардинального изменения аппаратной части. С помощъа целого ряда разработанных электронных схаи диагностические сигналы стандартизированы к виду, но-o6xc#ü*i)i5y для ввода в шдуяи КАМАК.

Розрабоган принцип программной организации связи двух ЭВЫ с различным! ассемблерами, который может быть использован для передачи даннш: мезду лабыми 3EíJ, аппаратная поддернка линии связ! обеспечивается модулями КАМАК: последовательными интерфейсами.

Создано программное обеспечение, позволяащее организовать п:С кую работу АСКИ "Стелларатор Л-2" с изменяющейся оперативно кoí фигурацией системы, управляющее работой модулей КАМАК, осуществляющее предварительную обработку полученных с диагностик данных.

5. Апробация работы.

Основные положения и результаты докладывались и обсувдались на Всесоюзной научно-технической конференции Автоматизация экспериментальных исследований, г.Куйбышев I97dr.; Ш Всесоюзной пколе-конфервнции, г.Харьков I9d2r.; 1У Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы, г.Алушта ISt36; Всесовз-

б

ной конференции по здерноыу синтезу а физике плезьщ, г.Звенигород 1990г., У Всесоюзном совещании по диагностика высокотешзера-турной плазт, г. Минск 1930г., а тшаз были опубликованы в'материалах конференций и в работах 1-6 .

6. Объем работы.

Работа состоит из введения, 7-га глаз, заключения, списка литературы 100 наименований, 2 табл., 2 приложения. Содержание диссертации.

Во пвздскни рассказывается о г.озтапком построении сксттам автоматизации, излагаются осяогшз пробле:<ы, рассмотренные в диссертационной работе.

В первой главз дастся оо'аор, па основа дашах литературы, автоматизированных сметем, работающих зга крушпк установках по УТС как отечественных, так и зарубежных. Сформулированы основные пригнуты организации raía к систем.

Во второй главо приводится краткоз списание параметров физической установки стелларатор Л-2. Рассказывается о диагностических системах, работающих в различных экспериментах, с потерю которнх получает всэ ннферши'ию о состоянии плазмы в установке и вычисляют ее основные параметры.

В третьей глава сформулированы требования, предъявляемые к системе автоматизации на установке 1-2. Зто:

- проблема комплексного диагностирования всего процесса возникновения и развития плазмы во времени к в пространстве установки,

- получение полной информации об эксперименте в паузах меаду рабочими импульсагы,

- создание архива данных для долговременного хранения и последующей окончательной обработки данных.

Рассмотрены требования, предъявляемые п аппаратной части си-

стеш автоматизации. Приводится классификация 5-ти различных та сов сигналов, сшшаешх с диагностических устройств, которыэ не обходиш кзшрить в процессе эксперимента.

11а основании типов сигналов и количества информативных каналов делается обоснование по есбору определенных функциональнее иодулей 1£АМАК, хогорш вошш в АСЯЙ. Для согласования диагност« чзсеой .аппаратуры с кодудяш ЮШАК используются различные элект ронныа схеиы, разработанные в процессе создания АСШ, которш входят в сбцуэ структурнув схецу системы. В работе приводятся требования, предъявляемые к ЭВМ, кроме того, перечислены требо-еалыя, предъявляете к програшщоцу обеспечению АСШ.

Согласно провзденюцу анализу по типам и параметрам диагностических сигналов, с учетом требований по их оцифровке, а таюае импульсного характера работы установки описывается разработанная структурная схсгла АСНИ. Она представляет собой 2-х уравнс-вуа систему, 2-е ы;шро ЭВМ: Махро-Нова и Электрошжа-бО на ни-кнеи уровне, работающие непосредственно с днагностшсаш и центральная ЭШ СУ—1-, снуггщая для долговременного архива и окончательной обработки д&шшх.

По виваы сигналов к ЗЗД Шжро-йова подключаются .медленные аналоговые сигналы, получаемые от электромагнитных измерений, болометрических, корпускулярных и рентгеновски в токовых ро;л:-шх» бцстрые аналоговые сигналы, снимаемые со спектроскопии к при ыапшхних измерениях, а также сигналы с СВЧ и лазерной интерферометрии .

ЭВМ Электроника-бО обслуживает три диагностических устройства: лазерное рассеяние, корпускулярную диагностику и рентгеноскопию в счетных рокииох.

В четвертой главе описаны электронные схемы, созданные для преобразованш различных диагностических сигналов к виду, тре-

буеиоиу по стандарту ЙЛШК. Приведены схеш различных усилителей на микросхемах с иознш транзисторным выходом, работают;™ на длинный кабель. Дяя уменьшения уровня шумов во сходнои каскаде'применен дефферещиальный усилитель серки 544 для увеличения, для увеличения быстродействия в схемах используется операционная усилитель серии 574.

Для лазернсЛ интерферометрии с целью получения аналогового сигнала разработана схема, состоящая из каскадов усилителя на измерительном и опорном каналах, фазового детектора, формирующего импульсы с длительность!!), определяемой сдвигом фазы кэдду сигналами, поступаздкми с 2-х каналов и оконечными кнтегрпруицкш каскадами.

Информация в АЦП КА!Щ попадает или с оконечного интегрирующего усилителя, либо при малых сдвигах фаз и в фазометре производится преобразования длительности импульса з цифровую и приведение его к аналоговому виду с г.омещьз ЦАПа, Аналогичная слет фазового детектора была выполнзка я списана для измерения (|азы сигнала при С£Ч ннггерферометр:ш.

Далее в этой г л ano оп;:сь:?-а:отся управляющие и тайккруккрто схе-ш. В качестве пржзра управлявши схем приводится схема управления шаговкм двигателем. В описании таймирущих схем говорится о специальных премязадакщих часах системы и индикационном свето-гом табло в зало установки 1-S.

Следующая, Ш1тая глава посвящена описанию модулей стандарта КШК, входящих в ЛСНИ "Стелларатор JÍ-2". Описывается модули, специально разработанные для этой система, к таким относится: стартовый модуль, обеспечивающий программный запуск систем!, синхронизированный с временннкм запуском работы установки. Реверсивный счетчик з стандарте НАМАК разработан для автоматического ввода значения рабочей длины волны кскохроматора, проводящего спект-

е

радышэ кзшрешш.

Разработок модуль АЦД о буферном памятью I К 10-ти разрядных слов с epouosiou преобразования 50 шеек, для оцифрован инторфзро-ютрачаскшс и других сигналов. Для управления ЛДП с буферной па-штьа изготовлен шзстккшвдышй прэграшируоьай таймер, который генерирует пачку ишульсоо с задзрккой относительно стартового импульса. от 10 мкеек до 650250 мкеек с аагои 10 мкеек, период следования импульсов в пачке меняется в диапазоне от 1-65025 мк се:: с шгом I ыисек.

Изготовлен входной регистр для регистрам in показаний цифросо-го вольтметра типа В2-22, Оинсгш разработашшй модуль, состоящий из 4-х счзтчиков с буфзрной памятью, объемом I К 12-ти разрядных слов, возводящий за ровике промежутки времени 250 или 500 мкеек, ii&i за другаэ интервалы от входа "внешняя сшнрошшация, производит подсчет та она импульсов в каздом канале, приходящих от анализатора, рабо»акщого на корпускулярной диагностике.

Кратко'освсцена работа стандартных модулей KAïlAIC, вклвчегашх в систему АСЕ-» "Стелларатор Л-2". Ведущей рабочей парой является 32-х канальный аналоговый мультиххлзксор и 11-ти разрядный АЦи со временем прзобразовашш 50 мкеек. Для спектральных исследований и измерений МГД активности используется модуль с 2-мя АЦП с временем преобразования 5 ынсек и 2-я бдокаыи буферной памяти по 128 16-ти разрядных слов.

' Во второй крейг, работающий с ЗШ "Электроника-бО", включены стандартные 2-а зарядоцифровых преобразователя, каждый на 8-мъ каналов, используемые для измерений амплитуды импульсов, 40 нсек длительности, приходящих с диагностики лазерного рассеяния. Для ввода информации в ЭВМ с рентгеновской спектроскопии используется последовательный интерфейс, принимающий по-байтам даюшэ с выхода споктроматра.

В глава шестой подробно описывается программное обеспечение, созданное длл АСНИ "Стелларатор Л-2". Представлены все алгоритмы ассекблеровских программ, которые управляют работой модулей КАМАК н осуществляют сбор информации с различных диагностически устройств, имеются также вспомогательные подпрограммы для обращения к конкретной ячейке ОЗУ ЭЕМ для записи и считывания информации на диск и обратно. Рассказывается об алгоритме работы основной программы сбора данных, написанной на Бейсике, и работающей на ЗВМ f.'-икро-Коаа в диалоговом режше. Приведены алгоритмы ассемб-леровскнх а программ на Фортране, собиращих информацию с 3-х диагностик, подключенных к ЭВМ Эдектроника-60. Описывается принцип построения алгоритмов программ, которые обеспечивают передачу собранной информации по линии связи иеяду ЗЕМ, являицишся програ:т:.:но-кесовнест!чаа51. Рассматривается связь ¡ленду ЭВМ МикроНова и ЭВМ С!.!-4, а таюгз связь между ЦЯАНЛ-270 я SEI СМ-4.

В главе седьмой описывается порядок работы АСНИ "Стелларатор Л-Z" в насштаба снстеш реального времени. Рабочий цикл установки Л-2 носит штульсныП характер и занимает 3-5 ии. В период зарядки конденсаторных батарея происходит начальный диалог оператора с ЭВМ, затем програша находится в петле ожидания стартового импульса и по его приходу начинается сбор информации со всех диагностических устройств, вклячеиных в этот момент в конфигурацию скстеш. По окончании рабочего импульса установки длительностью 30 mccj;, происходит предварительная обработка собранных данных, распечатка таблицы различных параметров плазму и запись данных на диск. В конце рабочего дня по мерз накопления данных по р&бо-чмы импульсам производится передача данных по линии связи на главную ЭВМ СМ-4. Приводятся осноеныо физические результаты, полученные с помощью работы АСНИ "Стелларатор Л-2".

В заключения сформулированы основные результаты работы и сдс-

ланы шзоды.

1. Разработана и создана структурная схема АСНИ "Стелларатор 1-2™, позволгадая производить сбор н обработку информации на уш1-каяьной установке Л-2, работавшей по программе УТС, согласно требованиям, предьявляоьша импульсным режимом работы установки и типам сигналов, снимаемых с диагностических скстеи. Организация структурной схсш осуществлена по модульному принципу, с использованием стандарта КАЫАК.

2. Анализ работагщйх систем автоматизации, показывает правнль-ность выбора направления на ыодулыюсть и стандарт КАШ, Данная система является пионерской по применению стандарта КАМАК в УГС с 1976 года.

3. Разработана и создана электронная аппаратура, которая стандартизирует сигналы диагностик к виду, удобноыу для ввода в КАМАК и работает в системе автоматизнровашого сбора информации с лабыы типом ЭШ.

4. Разработано и создано программное обеспечение АСНИ "Стелларатор Л-2'1, работавшее в диалоговой форме, что предоставило широкие возшгкносги общения оператора с систешй, оперативное изменение условий проведения эксперимента. Диалоговая фэргда общения оператора с ЭШ для начала работ по автоматизации исследований на стеллараторз было новый реаениои, на пртеряваим ценности'и сейчас.

б. Разработано и создано програшаюе обеспечение лиши связи, которое позволило объединять в одап комплекс програкгао-нссосаос-ти1щз ЭШ. Разработан принцип написания програш алгоритмов, с цельа передачи ызссееов данных по линии связи меаду ЭШ, имеющих различного типа ассемблеры.

6. Использование модульности и стандарта НАМАК позволило получить в результате систем не ориентированную на определенный

тип ЭВМ, что очень важно для дальнейшего развития системы, затрагивающее смену ЭВМ. АСНИ "Огелларатор Л-2" с различными модификациями и расширением системы успешно эксплуатируется на установке Л-2, начиная с 1сЛс года.

7. С помощь» АСНИ получены все основные экспериментальные денные, которые вместе с исследованиями на немецком / \л/ -7/ и английском /Клео/ стеллараторах, дали толчок к дальнейшему развитии мировой стеллараторной программы в настоящее время.

Литература

1. Ы.А.Блох, Т.И.Камолова, А.В.Куценко и др. Система сбора и обработки данных на базе линии ЭВМ и модулей КАМАК в экспериментах .на стеллараторе Д-2. Груды ФИАН, т.13Ь, И., 1963г.

2. Ы.А.Блох, Т.И.Камолова, О.И.Нечаев. Автоматизированная система для научных исследований на стеллараторе Л-2 на базе ЭЕЧ Микро-Ноаа и модулей КАМАК. Труды ®АН, тД47, М., 1983г.

3. Т.И.Камолова, Б.А.Карамышев, А.В.Куценко, В.А.Куценко, Ю.И. Нечаев и др. Система сбора и обработки данных на базе дани ЭВМ и модулей КАМАК в экспериментах на стеллараторе Л-2. Пр. 177 ФИАН, 1977г.

4. Н.А.Блох,Т.И.Камолова,Ю.И.Нечаев.Система автоматизированного сбора и обработки данных на базе ЭВМ Ыикро-Нова. Лр.,55 ФИАН,

19а1г.

о. М.А.Блох, Т.И.Калю лова, А.И.Кузнецов и др. Новые возможности в системе сбора и обработки данных на стеллараторе Л-2. Пр.ФИАН 125, 19сйг.

6. М.А.Блох, Т.И.Камолова, Н.Ф.Ларионова и др. Систеиа автоматизированного сбора на базе ЭВМ Электроника-60. Др.ИОФАН,1986.