автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и создание базовых компонентов общей таймерной системы ускорительного комплекса ИФВЭ

I Н Е Р

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

2005-42 На правах рукописи

Коковин Валерий Аркадьевич

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ БАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ОБЩЕЙ ТАЙМЕРНОЙ СИСТЕМЫ УСКОРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ИФВЭ

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Протвино 2005

УДК 539.1.0743

М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино).

Научный руководитель - кандидат технических наук В.В. Комаров ( ИФВЭ, г. Протвино).

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук А.Н. Сытин (ФГУП ГНЦ ИФВЭ, г. Протвино), кандидат технических наук А.И. Вагин (ФГУП «Московский радиотехнический институт РАН», г. Москва).

Ведущая организация - Институт ядерных исследований РАН (г. Троицк).

Защита диссертации состоится "_"_2005 г. в_часов

на заседании диссертационного совета К 201.004.01 при Институте физики высоких энергий по адресу: 142280, г. Протвино Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан "_"__2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 201.004.01 В.Н. Ларин

©

Государственный научный центр

Российской Федерации

Институт физики высоких энергий, 2005

13ШЗЗ

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Развитие ускорительного комплекса ИФВЭ, возросшие требования по надежности, точности и функциональности, предъявляемые к современным системам таймирования со стороны пользователей, а также распределенный характер ускорительного комплекса потребовали разработки новой таймерной системы. При этом требовалось решить следующие задачи:

• расширить функции таймерной системы;

• оснастить таймерную систему достаточными средствами диагностики;

• повысить временное разрешение таймерных сигналов;

• сократить и детерминировать время обработки таймерных сигналов;

• унифицировать компоненты таймерной аппаратуры и сократить их объем;

• ограничить номенклатуру таймерных модулей;

• обеспечить пользователям удобный доступ к оперативным данным таймерной системы;

Результатом решения этих задач явилось создание базовых компонентов, составляющих основу общей таймерной системы (ОТС), которые обеспечили её высокие технические характеристики и надежность функционирования. Создалась возможность вывести из эксплуатации устаревшие устройства транспортировки таймерных сигналов из главного пульта и разнотипные таймеры с ручным управлением. Вся эта аппаратура выработала свой ресурс за почти сорокалетний период эксплуатации

Цель диссертационной работы

Основной целью работ, входящих в диссертацию, является:

• Разработка и создание компонентов обработки и распределения таймерной информации, обеспечивающих минимальное детерминированное время ее доставки потребителю.

РОС

"НАЯ

® Разработка и создание унифицированных компонентов ОТС для экономичного решения различных задач «тонкой» синхронизации технологических процессов в ускорительных установках.

• Разработка и создание компонентов мониторинга состояния и диагностики работы ОТС для сокращения времени поиска неисправностей и соответственно простоев ускорителей.

• Разработка метода диагностического сканирования выделенных объектов для диагностики аппаратуры ОТС в реальном времени.

• Разработка имитационной модели таймерной системы для оценки предельных возможностей ОТС.

• Исследование работы модели ОТС в разной конфигурации системы при сохранении заданной эффективности работы.

Научная новизна

Научная новизна работ, выполненных автором и вошедших в диссертацию, может быть сформулирована следующим образом:

1. Предложен новый подход при разработке компонентов ОТС с использованием элементной базы нового поколения (программируемых логических интегральных схем — ПЛИС) и инструментальных пакетов ведущих производителей ПЛИС. Это позволило минимизировать как число типов модулей, так и их количество, а также повысить надежность работы всей системы.

2 Разработан и реализован набор компонентов для ОТС на базе современной схемотехники. Он включает в себя специальные модули обработки, распределения и диагностики таймерной информации, а также унифицированные модули, позволяющие экономично решать различные задачи синхронизации технологических процессов.

3 Предложен и разработан модуль, архивирующий в автономном режиме все сигналы, циркулирующие в таймерной сети в течение длительного времени. Модуль позволяет анализировать ситуацию, когда в работе ОТС происходят редкие спонтанные сбои, обнаружить которые с помощью обычных приборов практически невозможно.

4. Предложен и разработан метод диагностического сканирования выделенных объектов в модулях, выполненных на базе ПЛИС. В отличие от коммерческих продуктов, данный метод позволяет контролировать состояние объектов внутри ПЛИС в реальном времени, не нарушая работу модуля. По данной тематике подана заявка на изобретение.

5. Предложен и разработан оригинальный способ доступа к узлам ОТС через универсальный диагностический порт, который встроен в большинство модулей системы. Предложен и разработан протокол обмена с внеш-

ним компьютером, который используется в процессе диагностического сканирования узлов аппаратуры ОТС.

6 Предложена и разработана имитационная модель ОТС и на её базе исследована работа системы с целью оценки ее предельных возможностей. Определен показатель эффективности работы ОТС и выведена аналитическая зависимость допустимой максимальной глубины буферной памяти в каждом узле обработки таймерных сигналов от числа узлов ОТС при условии сохранения эффективной работы системы

Практическая ценность работы

Компоненты обработки и распределения таймерной информации в таймер-ной сети составляют основу ОТС. Данные модули обеспечивают аппаратную обработку таймерных сигналов, что позволяет сократить и детерминировать время их доставки до потребителя. Используя специально разработанный модуль памяти для программирования кодов таймерных импульсов, можно исключить из эксплуатации большой объем устаревшей таймерной аппаратуры различных типов и, таким образом, упростить и удешевить эксплуатацию системы.

Обмен информацией между локальными узлами таймерной сети через глобальную кольцевую магистраль создает новые возможности для эффективной работы комплекса в целом. Во-первых, все результаты измерений с разных установок обозначаются единым номером текущего цикла и становятся достоверно сопоставимыми. Во-вторых, для всех установок ускорительного комплекса задается один и тот же режим межпакетного программирования, что позволяет динамично перераспределять между потребителями время в сеансе и экономно расходовать энергетические ресурсы.

Набор унифицированных таймерных модулей позволяет экономично решать различные по сложности задачи синхронизации технологических процессов и контрольно-измерительных процедур в установках ускорительного комплекса.

Компоненты мониторинга и диагностики ОТС осуществляют непрерывный мониторинг потоков таймерной информации в таймерной сети и повышают эффективность поиска причин отказов и сбоев в системе. В частности, модуль-архиватор накапливает циркулирующую в ОТС таймерную информацию за длительное время и позволяет обнаруживать редкие, но не менее опасные спонтанные сбои в работе системы.

Метод диагностического сканирования позволяет детально проанализировать через диагностический порт работу таймерной аппаратуры в реальном времени и локализовать неисправность. Этот метод является практически единственным способом «заглянуть» внутрь ПЛИС, не нарушая работы модуля.

Имитационная модель ОТС дала возможность с минимальными затратами подробно исследовать работу системы при изменении её конфигурации с учётом заданного показателя эффективности и оценить ее предельные возможности.

На защиту выносятся следующие результаты:

1 Разработка компонентов общей таймерной системы, выполняющих обработку таймерной информации и распределение её по глобальной и локальным магистралям.

2 Разработка компонентов мониторинга состояния и диагностики работы ОТС, выполняющих непрерывный мониторинг потоков таймерной информации в глобальной и локальных магистралях.

3 Разработка специализированного модуля, предназначенного для архивации в автономном режиме всех сигналов, циркулирующих в таймерной сети в течение длительного времени.

4. Метод диагностического сканирования выделенных объектов аппаратуры ОТС, разработанных на базе ПЛИС.

5. Разработка структуры встроенного диагностического порта, позволяющего реализовать метод диагностического сканирования выделенных объектов и эффективно контролировав узлы ОТС при штатной работе системы.

6. Разработка имитационной модели ОТС Определение показателя эффективной работы таймерной системы.

7. Результаты экспериментов на модели ОТС.

Апробация работы и публикации

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в работах [1-9] и докладывались на семинарах ИФВЭ, ЦЕРН, а также на международных и всероссийских конференциях:

• на X Международной конференции International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS-2005), CERN, 2005;

• на XVIII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц RUPAC-2002, Обнинск, 2002,

• на Второй Всероссийской научно-практической конференции по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика», Санкт-Петербург, 2005;

• на IV Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях, Протвино, 1986;

• на III Всесоюзной конференции «Диалог Человек-ЭВМ». Протвино, 1983.

Структура диссертации. Работа изложена на 91- странице; состоит из введения, трех глав, заключения и приложений; содержит 31 рисунок, 17 таблиц и список цитируемой литературы, включающий 39 наименований. Нумерация формул, рисунков и таблиц дается по главам.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, практическая ценность и научная новизна работы. Перечислены результаты, выносимые на защиту. Кратко представлено содержание диссертации по главам.

В первой главе рассматриваются компоненты, решающие задачи приема, обработки и распределения потоков таймерной информации в таймерной сети ОТС, а также компоненты, решающие задачи «тонкой» синхронизации технологических процессов. Прежде всего определяются основные термины «Таймерная Информация» и «Таймерное Сообщение», используемые в ОТС.

Таймерная информация (ТИ), с которой оперирует ОТС, включает в себя события/импульсы, общую синхросерию и оперативные данные. Перечисленные составляющие ТИ несут следующую функциональную нагрузку:

• события обеспечивают работу СУ У-70 в режиме реального времени;

• импульсы осуществляют синхронизацию процессов на ускорительном комплексе с дискретностью общей синхросерии;

• оперативные данные поставляют в СУ У-70 необходимые сведения (номер суперцикла, номер режима комплекса и т.п.) в определенное время ускорительного цикла.

Таймерная информация может представлять собой импульсные сигналы, привязанные к магнитному полю или к временной шкале цикла ускорителя. ТИ может генерироваться технологическими устройствами или программироваться пользователем, записываться в память и затем считываться в заданные моменты времени.

Таймерное сообщение (ТС) является стандартной формой представления таймерной информации при ее транспортировке по таймерной сети ОТС последовательным кодом Манчестер-П. Преобразование различных форм исходной ТИ в единую форму ТС осуществляется генераторами таймерных сообщений (ГТС) в составе общей таймерной системы.

Каждая из установок комплекса (ЛУ-30 с У-1.5, У-70 и СВ) имеет собственный генератор таймерных сообщений, который представляет собой узел таймерной сети и обеспечивает автономный режим таймирования процессов в период пуско-наладочных работ на соответствующей установке. Основные функции ГТС заключаются в сборе таймерной информации на входе и формировании ТС на выходе, а также во взаимодействии с другими ГТС путем обмена таймерными сообщениями. С этой целью все ГТС соединены между собой глобальной коль-

цевой магистралью (ГКМ), что позволяет им синхронизировать их работу и выполнять распределённые между ними функции центрального таймера в штатном режиме ускорительного комплекса. Все контроллеры оборудования (КО), снабженные приемниками таймерных сообщений (ПТС) и получающие таймерные сообщения от соответствующего ГТС, объединяются в сегменты локальной радиальной магистралью (ЛРМ).

Приводится формат ТС, содержащий коды событий и программируемых импульсов, составляющие основной код сообщения. Также формат ТС определяет дополнительный код, необходимый для оперативной работы ГТС.

Ядром каждого ГТС является контроллер таймерной сети (КТС), который представляет собой функционально насыщенный модуль, управляющий потоками таймерной информации. На рис.1 показана упрощенная блок-схема обработки и прохождения потоков таймерной информации в КТС.

База дайны*

Задание1

Р/М?

■и

Длте

м ЗаданивЗ

г

я**-'/

гЩГГЩ;^

! 'Г

ьлш ОР-1

. / ,, *

мр!м ОР2

4 ^ '

Рис. 1. Обработка ТИ в контроллере таймерной информации ДГТС - диспетчер глобальных ТС; ДЛТС - диспетчер локальных ТС; ДПТС - диспетчер программируемых ТС; МКМ - менеджер кольцевой магистрали; МРМ - менеджер радиальной магистрали.

Взаимодействие между диспетчерами и менеджерами реализуется посредством семафорного механизма. В конечном счете, последовательное выполнение операций в диспетчерах и менеджерах приводит к образованию сквозных каналов передачи потоков ТИ от входа к выходу КТС. Таким образом, все внешние потоки таймерной информации, поступающие на все ГТС системы, обрабатываются соответствующими КТС и распределяются ими по магистралям.

КТС, как коммутатор, характеризуется числом входных и выходных потоков ТИ, временем реакции на обработку потоков и надёжностью работы. Особое внимание уделяется времени реакции, поскольку таймерные сообщения передают также и кодированную информацию об импульсах, используемых для синхронизации различных технологических процессов с требуемой точностью по времени.

Построение подобного модуля с использованием технологии конечных автоматов, при небольшом числе внутренних состояний, имеет преимущество перед микропроцессорной реализацией. С одной стороны, микропроцессор представляет собой сложный автомат, смена состояний которого определяется выполняемой программой. И во многих задачах это единственно возможный вариант. Большое число состояний автомата и переходов между ними, а также асинхронная работа микропроцессора уменьшают надежность функционирования устройства и не гарантируют своевременной доставки таймерной информации С другой стороны, реализация КТС в виде набора конечных синхронных автоматов позволяет организовать обработку параллельных потоков таймерной информации в режиме реального времени и обеспечить строго детерминированную задержку при доставке информации к пунктам назначения.

В главе приводится оценка пропускной способности КТС. Когда скорость поступления любого входного потока (IF1-IF3, см. рис.1) становится больше скорости его продвижения по любому выходу (OF1, OF2), возникают очереди. Кроме того, сумма входных потоков, даже если каждый из них имеет более низкую скорость, чем выходной поток, может также создавать очереди на выходах. Для разрешения этой проблемы КТС оснащен механизмом обслуживания очередей потоков, который является необходимым элементом для любого устройства, работающего по принципу коммутации потоков.

Обслуживание очередей потоков организовано следующим образом. Основную функцию в этом механизме выполняет буферная память типа FIFO в каждом из диспетчеров. Второй составляющей механизма обслуживания очередей является использование приоритета прохождения потоков, принятого по умолчанию. Введение приоритета при коммутации потоков обеспечивает гарантированно минимальную задержку высокоприоритетных ТС. Например, перевод входного потока IF] в выходной поток OF) или перевод входного потока IF3 в выходной поток OF3 происходит с детерминированными систематическими задержками, определяемыми только временем обслуживания.

В работе приведен расчёт вероятности потерь Рпот таймерной информации в ОТС и относительной пропускной способности 0 контроллера таймерных сообщений. В табл. 1 приведены расчетные значения этих величин.

Таблица 1.

! Выходной канал ' 1 Вероятность потерь, Р 1 г пот Относительная пропускная ! способность, о !

в ГКМ ! _ _ ______________ _ .1 1,05*10"27 j ~1

в ЛРМ | 9,54*10"27 J ~1 «;

В работе отмечено, что дискретность серии импульсов, которые извлекаются либо из ТС, либо из технологических В- и То-серий, не всегда обеспечивает требуемую точность синхронизации технологических процессов. Кроме того, контрольно-измерительные и некоторые управляющие процедуры часто требуют формирования запрограммированной нерегулярной серии импульсов.

Для решения этой проблемы ОТС дополняется модулями, которые формируют задержанные импульсы с высоким разрешением, запускаясь от выбранного сигнала, поставляемого одним из таймерных сообщений. Эти функции выполняет набор специальных и унифицированных модулей.

К таким модулям, в частности, относится предложенный и разработанный автором специальный контроллер синхросерий (КСС). Модуль КСС представляет собой синхронный конечный автомат с шестью устойчивыми состояниями. Этот модуль совместно с 56-канальным таймером управляет процессами тайми-рования линейного ускорителя УРАЛ-30.

Другим модулем, разработанным автором, является унифицированный генератор комбинированных серий импульсов (ГКСИ). Модуль ГКСИ представляет собой микропрограммный автомат, имеющий четыре независимых канала. Если рассматривать микропрограммное устройство как конечный автомат, то он функционирует как автомат Мили с задержанными на несколько тактов выходными сигналами. Аргументами функций перехода являются входные переменные, записанные в микрокоманде и задающие своими значениями состояние автомата. Модуль ГКСИ управляет измерительными процедурами на кольцевом ускорителе У-70 в соответствии с заданной оператором программой. Кроме того, он формирует для станции перегруппировки пучка (СПГП) управляющую функцию в виде пачек импульсов, частота следования которых пропорциональна производной, а канал транспортировки этих пачек определяется знаком производной. В конечном счете, данные в такой форме передаются без искажений на

большие расстояния и посредством реверсивного счетчика и ЦАП, встроенных в СПГП, преобразуются в амплитуду ускоряющего напряжения. Приведена структура этих модулей и принципы их работы.

Во второй главе представлены компоненты мониторирования и диагностики работы ОТС. Синхронизация технологических процессов в циклических ускорителях осуществляется строго детерминированной во времени последовательностью таймерных сигналов, формируемых таймерной системой. Нарушение порядка следования, пропуски и ложное возникновение таймерных сигналов могут привести к аварийной ситуации на ускорителе. Поэтому к надежности функционирования таймерной системы предъявляются повышенные требования. Важным компонентом решения проблемы надежности являются эффективные диагностические средства, которые разработаны автором и описываются в данной главе.

В работе дается описание регистратора ТИ как встраиваемой мегафункции, которую можно легко применить в любой аппаратуре, разработанной на ПЛИС. Поскольку глобальная кольцевая магистраль состоит из отдельных сегментов, каждый из которых ограничен входным портом ГТС и кабельным соединением до следующего ГТС, то такая конфигурация таймерной сети требует наличия в ГТС двух регистраторов: регистраторов входных потоков и регистраторов ТС, приходящих по глобальной магистрали.

Поскольку мониторинг таймерных сообщений оперирует только с крупномасштабными фрагментами ОТС, то для дальнейшей детализации причины сбоя или отказа требуется инструментарий, позволяющий анализировать логические состояния функциональных блоков аппаратуры в реальном масштабе времени. Для этих целей автором предложен и разработан метод диагностического сканирования выделенных объектов. В разработанных модулях ОТС основной состав логических элементов сосредоточен в ПЛИС и недоступен для таких стандартных приборов, как логические анализаторы. В то же время, современные ПЛИС имеют большой внутренний ресурс, что позволяет с минимальными дополнительными затратами организовать внутри ПЛИС средства контроля за исполнением основных функций модуля Контроль осуществляется путем сканирования состояний выделенных блоков ПЛИС, проводится параллельно с основной работой модуля и не требует тестирующих воздействий.

Для управления процессом сканирования и передачи данных внешнему компьютеру автор предложил и разработал встраиваемый в аппаратуру специальный диагностический порт, которым оснащены все основные модули ОТС. В работе показаны преимущества использования встроенного диагностического порта, дающего возможность унифицировать способы и средства диагностики работы системы. Кроме того, применение порта позволяет управлять задачами автономных модулей, когда отсутствует связь через системную шипу.

Мониторинг таймерных сообщений с использованием простых регистраторов имеет определенные ограничения. Во-первых, регистрация ТС выполняется в пределах цикла ускорителя, что требует перезапуска процесса в каждом цикле и синхронно с ним. Поэтому пропадание ТС, несущего команду перезапуска, прерывает работу регистратора до прихода такого сигнала. Во-вторых, с помощью простых регистраторов трудно зафиксировать редкие сбои в работе ОТ С и определить их причину. В подобных неординарных случаях для поиска причины нарушения функций ОТС требуется более полная информация о потоках таймерных сообщений, накопленная за длительное время в непрерывном режиме. С этой целью автором был предложен и разработан более сложный модуль - архиватор таймерных сообщений (АТС). На рис.2 изображена функциональная схема этого модуля.

Рис. 2. Функциональная схема архиватора таймерных сообщений.

АТС отличается от простого регистратора:

• Независимостью от внешних управляющих сигналов (аналогия с работой «чёрного ящика»).

• Применением энергонезависимой памяти для архивации ТС.

• Применением энергонезависимой памяти для хранения оперативных данных.

• Бесперебойным питанием блока RTC (real-time clock) со счетчиком меток времени.

• Выбором и запуском задач в АТС от внешнего компьютера через диагностический порт.

Модуль состоит из следующих основных блоков:

- администратора задач, представляющего собой микропрограммный автомат;

- энергонезависимой FLASH памяти, с ограниченным числом циклов перезаписи, ёмкостью 32Mb;

- энергонезависимой FRAM памяти с произвольным доступом и неограниченным числом циклов перезаписи, ёмкостью 64Kb;

- диспетчера памяти (FRAM и FLASH);

- диспетчера RTC;

- диспетчера последовательного порта;

- 32-разрядного счётчика метки времени (RTC).

Объём памяти АТС рассчитан на запоминание информации о таймерных сообщениях в течение нескольких суток при непрерывной работе ускорителя, что дает возможность считать и проанализировать информацию за обозначенное время.

В третьей главе описывается задача построения модели ОТС и оценки на ее основе предельных возможностей созданной системы. Обосновывается применение метода имитационного моделирования при построении модели.

Определены цели построения имитационной модели системы, которые задают исследование работы ОТС по следующим направлениям:

1. Определение предельной пропускной способности ОТС при заданном числе узлов коммутации, максимальной интенсивности ТС и фиксированном времени обработки ТС в каждом узле.

2. Определение максимального количества узлов коммутации (возможность наращивания структурных единиц системы) при фиксированном числе входных таймерных событий.

3. Исследование времени задержки ТС в узлах коммутации при различной интенсивности входных таймерных событий.

В работе приводятся экспериментальные данные потоков таймерных событий, накопленные с помощью модулей регистрации таймерных сообщений. Обосновывается классификация потоков как простейших, и на основании анализа экспериментальных данных потоков ОТС определяется закон распределения входных потоков сообщений для работы модели.

Наличие потока ТС, каналов обслуживания (ГТС) с накопителями (буферная память) позволило классифировать ОТС как систему массового обслуживания Это дало возможность при построении модели и формализации структурных компонентов ОТС использовать математический аппарат теории массового обслуживания.

Для оценки работы созданной модели определены показатели эффективности работы ОТС. Найдена зависимость максимальной допустимой глубины буферной памяти в каждом узле обработки таймерной информации от числа узлов системы. Эта зависимость определяется выражением

N + 3m<25 (N,m > 0), где N - число узлов системы; т - глубина буферной памяти канала обслуживания. Из выражения видно, что когда нет доставки ТС по глобальной магистрали (N = 1), допустимая глубина буферной памяти не должна превышать 8.

В работе приведены результаты экспериментов на созданной модели. На рис. 3 представлен фрагмент графика работы объекта FIFO узла ГТС. Этот график иллюстрирует работу модели при задании наиболее жестких условий. Из графика видно, что глубина т памяти не превышает пяти единиц. Это соответствует эффективной работе модели.

■ root.GTS3.PFG.statsSize

Рис. 3. Фрагмент графика работы объекта FIFO узла GTS3 модели: число узлов - N =10, интенсивность входных потоков сообщений - в 50 раз больше, чем расчетная.

На основании проведенных экспериментов и полученных результатов были сделаны следующие выводы:

• При значительном повышении интенсивности ТС (в 50 раз больше, чем задано по расчету) и существенное увеличение числа узлов (до 10) работа модели соответствовала показателям эффективной работы.

• На снижение эффективности работы модели в большей степени влияет повышение интенсивности ТС, чем увеличение числа узлов.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты работы:

1. Разработаны и созданы основные компоненты общей таймерной системы с использованием элементной базы нового поколения (программируемых логических интегральных схем - ПЛИС) и инструментальных пакетов ведущих производителей ПЛИС. Это позволило минимизировать как число типов модулей, так и их количество, а также повысить надежность работы всей системы. Подтверждением высокой надежности созданной аппаратуры является ее безотказная работа в течение двух сеансов на таких установках, как УРАЛ-30, У-1.5 и У-70. В частности, на Бустере и линейном ускорителе сняты все проблемы в таймерной системе, существовавшие ранее.

2. Аппаратная реализация основных функций общей таймерной системы резко сократила и детерминировала время обработки локальных импульсов с 1 - 2 мс до (6.5 ±1.1) мкс. Это позволяет, используя собственную память генератора таймерных сообщений с записанными кодами импульсов, освободиться от большого объема устаревшей разнотипной аппаратуры, выработавшей свой ресурс в течение почти сорокалетней эксплуатации.

3. Разработан и создан контроллер таймерной сети, распределяющий потоки таймерной информации между локальными, радиальными и глобальной кольцевой магистралями Такая реализация таймерной сети придает общей таймерной системе новые важные качества. Во-первых, появилась возможность задавать для всех установок один и тот же режим межпакетного программирования, что позволяет экономить энергетические ресурсы. Во-вторых, появилась возможность в реальном времени распространять в СУ У-70 текущий номер суперцикла, что обеспечивает сопоставимость результатов измерения и, как следствие, повышает эффективность работы оперативного персонала. Кроме того, возможность передачи по глобальной магистрали общих таймерных сигналов позвортет отказаться от использования созданной сорок лет назад системы синхронизации ускорителя ИФВЭ.

4. Разработанный набор многофункциональных унифицированных модулей дает возможность решать разнообразные и сложные задачи «тонкой» синхронизации технологических процессов и измерительных процедур, а также обеспечивать решение задач надежного функционального управления различными параметрами удаленных объектов. На базе этих модулей построены и надежно работают технологический таймер линейного ускорителя УРАЛ-30 и измеритель параметров кольцевого ускорителя У-70, а также подготовлен контроллер для таймирования процессов и управления параметрами СПГГТ на базе ГКСИ.

5. Разработаны и созданы компоненты мониторинга и диагностики работы ОТС, выполняющие непрерывный мониторинг потоков таймерной информации в глобальной и локальных магистралях. Кроме того, применение этих компонентов позволяет контролировать локальные импульсы на входе в контроллер таймерной сети. Мониторинг сопровождается выдачей аларм-сигналов в СУ ускорительного комплекса при возникновении нештатной ситуации. Все эти средства повышают эффективность поиска причин отказов и сбоев в работе системы, а также обеспечивают информированность оперативного персонала, что, в конечном счете, сокращает простои ускорителя.

6. Предложен и разработан модуль, архивирующий в автономном режиме все сигналы, циркулирующие в таймерной сети в течение длительного времени. Модуль позволяет анализировать ситуацию, когда в работе ОТС происходят редкие, но не менее опасные, спонтанные сбои, обнаружить которые с помощью обычных приборов практически невозможно.

7. Предложен и реализован метод диагностического сканирования выделенных объектов (ДСВО) аппаратуры ОТС, разработанных на базе ПЛИС. Этот метод позволяет диагностировать модули системы в реальном времени, не формируя дополнительных тестовых воздействий и не занимая ресурсов управляющего контроллера Кроме того, с помощью этого метода можно контролировать распределение таймерных сигналов по временному циклу ускорителя, выявлять пропуски и ложное возникновение таймерных сигналов, что может предотвратить аварийную ситуацию на ускорителе.

8. Предложена структура встроенного диагностического порта и реализована в большинстве модулей аппаратуры ОТС. Разработан протокол обмена между внешним компьютером и встроенным портом. Диагностический порт позволяет реализовать метод ДСВО и эффективно контролировать узлы ОТС при штатной работе системы. Кроме того, применение порта позволяет управлять задачами автономных модулей, когда отсутствует связь через системную шину (например, архиватора).

9 Разработана имитационная модель ОТС. Определены показатели эффективной работы таймерной системы. На базе модели проведены исследования при изменении конфигурации (увеличение числа узлов и повышение интенсивности потоков ТС), которые позволили оценить предельные возможности ОТС В частности, заданная эффективность работы системы сохраняется, если увеличить число узлов таймерной сети до 10, а интенсивность потока таймерных сообщений - в 50 раз.

Список литературы

1. Бакай А.И., Качнова O.A., Коковин В.А., Кавкун C.JL, Крютченко Е.В., Леонова Л.И., Медведев В.Ф., Радомский Н.В., Сиколенко В.В., Уточкин Б А., Федотов B.C. Автоматизированный стенд для системных испытаний современных электронно-лучевых приборов. Доклад на IV Всесоюзном ссминарс по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях. - Протвино, 1986

2. Бакай А.И., Качнова O.A., Коковин В.А., Крютченко Е.В., Леонова ЛИ, Медведев В.Ф., Радомский Н.В., Уточкин Б.А., Федотов B.C. Функциональные возможности и техническая реализация автоматизированного стснда для испытаний ЭЛП и блоков электроники. - Всесоюзный семинар по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (сб. докладов). - Протвино,1986

3. Bakay A.I., Ivshm V.M , Kokovin V.A. Telemetry Channel for Geophysical Data Collection . // Vole. Seis., 1995, Vol. 17, pp. 365-368.

4. Балакин С.И., Большаков М.В., Воеводин В.П., Инчагов A.A., Ким Л.А., Клименков Е.В., Коковин В.А., Комаров В.В., Кузнецов В.В., Миличенко Ю.В., Радомский Н.В Новая система управления комплекса У-70 (статус). -XVIII конференция по ускорителям заряженных частиц RUPAC-2002 (сб. докладов). - Обнинск, 2002, т.2,с.603-608.

5. Бакай А.И., Ившин В.М., Коковин В.А. Телеметрический канал системы сбора геофизической информации. // Вулканология и сейсмология. №3, М. 1995, с. 17-20.

6. Коковин В.А., Комаров В.В. Контроллер таймерной сети общей таймерной системы ускорительного комплекса ИФВЭ. «НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ», Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. № 6, 2005, с 15-20.

7. Коковин В.А., Комаров В В Мониторинг и диагностика ОТС. «НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ», Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. № 9, 2005, с. 46-70.

8. Коковин В.А. Имитационная модель ОТС ускорительного комплекса ИФВЭ. - Вторая Всероссийская научно-практическая конференция по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» (сб. докладов), Санкт-Петербург, 2005, с. 122-127.

9. KomarovV., Antonichev G., KimL., KokovinV., KrotovN., KuznetsovV., Milichenko Yu., Radomsky N., Voevodin V. Modernization of U-70 general timing system. - In: Proceedings of ICALEPCS-2005, 2005.

Рукопись поступила 25 ноября 2005 г.

В.А. Коковин.

Разработка и создание базовых компонентов общей таймерной системы ускорительного комплекса ИФВЭ.

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы Word. Редактор Н.В.Ежела.

Подписано к печати 25.11.2005. Формат 60x84/16. Офсетная печать. Печ.л. 1. Уч.-издл. 0,85. Тираж 100. Заказ 120. Индекс 3649. ЛР №020498 06.04.97.

ГНЦ РФ Институт физики высоких энергий 142280, Протвино Московской обл.

РНБ Русский фонд

2007-4 2250

АВТОРЕФЕРАТ, 2005 -42, И Ф В Э, 2005

\

г» \

i ? \ * i

# 9 L

: '> J

29 m 2005

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КОМПОНЕНТЫ ОБРАБОТКИ ПОТОКОВ ТАЙМЕРНОЙ

ИНФОРМАЦИИ И СИНХРОНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

1.1 ТАЙМЕРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ И ТАЙМЕРНЫЕ СООБЩЕНИЯ. л 1.1.1 Формат таймерных сообщений.

1.1.2 Преобразование таймерных импульсов в таймерные сообщения.

1.2 ОБРАБОТКА ПОТОКОВ ТАЙМЕРНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

1.2.1 Потоки таймерной информации.

1.2.2 Специализированный Контроллер Таймерной Сети 18 Общей Таймерной Системы.

1.2.3 Обработка входных потоков.

1.2.4 Формирование выходных потоков.

1.2.5 Пропускная способность Контроллера Таймерной 27 Сети.

1.3 СИНХРОНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

1.3.1 Специализированный Контроллер Синхросерий для технологического таймера УРАЛ-30.

1.3.2 Универсальный Генератор Комбинированных Серий Импульсов.

ГЛАВА 2. КОМПОНЕНТЫ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ И ДИАГНОСТИКИ РАБОТЫ ОБЩЕЙ ТАЙМЕРНОЙ СИСТЕМЫ.

2.1 МОНИТОРИНГ ПОТОКОВ ТАЙМЕРНЫХ СООБЩЕНИЙ

В ГЛОБАЛЬНОЙ И ЛОКАЛЬНОЙ МАГИСТРАЛЯХ ОТС.

2.1.1 Регистратор таймерных сообщений.

2.1.2 Формирование аларм-сигналов в аппаратуре общей таймерной системы.

2.2 ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ УЗЛОВ АППАРАТУРЫ

2.2.1 Встроенный диагностический порт.

2.2.2 Метод диагностического сканирования выделенных объектов.

2.3 АРХИВАЦИЯ ТАЙМЕРНЫХ СООБЩЕНИЙ.

2.3.1 Архиватор таймерных сообщений.

2.3.2 Формат записи таймерных сообщений.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЩЕЙ ТАЙМЕРНОЙ СИСТЕМЫ НА

БАЗЕ ЕЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

3.1 ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ОБЩЕЙ ТАЙМЕРНОЙ

СИСТЕМЫ.

3.1.1 Основные цели создания модели.

3.1.2 Определение входных потоков модельных ч сообщений.

3.1.3 Формализация структурных компонентов.

3.2 ЭКСПЕРИМЕНТЫ С МОДЕЛЬЮ ОБЩЕЙ ТАЙМЕРНОЙ

СИСТЕМЫ.

3.2.1 Показатели эффективной работы модели.

3.2.2 Исследования на базе имитационной модели.

Современные циклические ускорители заряженных частиц,являющиеся одними из основных инструментов в фундаментальныхисследованиях физики высоких энергий, имеют сложные,распределённые и компьютеризированные системы управления (СУ).Кроме того, каждый ускоритель оснащен определенными средствамитаймирования, которые необходимы для обеспечения режимареального времени СУ и синхронизации технологических процессовна ускорительном комплексе. Несмотря на то, что системытаймирования любого ускорителя имеют общие черты ифункциональные свойства, тем не менее, каждая из них имееторигинальную реализацию, тесно связанную с особенностямикомплекса аппаратуры СУ и физических установок, а также сточностью синхронизации технологических процессов.Например, ускорительный комплекс в CERN (EuropeanOrganization for Nuclear Research) имеет систему таймирования GMT(General Machine Timing), привязанную к магнитному циклу [1-8].Программирование событий выполняется таймерными генераторамиMTG (Master Timing Generator), расположенными на всехускорителях и связанными между собой оптической линией связи.Исходная информация в виде внешних сигналов или условий,определяющих текущее состояние подсистем ускорительногокомплекса, поступает на входные порты MTG. Прием таймернойинформации осуществляется специализированными модулями TG8,выполненными в стандарте VME [7]. Кодировка таймернойинформации осуществляется 32-разрядными словами (фреймами) ипередается с частотой 1Кгц по потребителям. В каждой 1мсекпосылке содержится от одного до шести фреймов [8-10].Система таймирования другого типа выполнена на ускорителе влаборатории FNAL [11]. Таймерные события кодируются восьмибитным манчестерским двухфазным кодом (с несущей 50 МГц) ипередаются по кольцу с производительностью 10 Mbit/sec [12]. Кодысобытий формируются из поступающих синхросигналов и данных осостоянии ускорителя. Для усиления сигнала, через каждые 260метров по всему ускорительному кольцу размещены повторители,выполненные в конструктиве САМАС [13-14]. В настоящее времякоаксиальный кабель заменен на оптический [15].В Приложении 1 представлены различные типы фреймов,передаваемые для технологических систем различных ускорителей(PS, SPS, LEP) [10] и кодировка событий, распространяемых наускорителе в лаборатории FNAL [16].Большое влияние на конфигурацию и свойства системтаймирования оказывает предыстория развития ускорителей исистем управления [17-18]. В частности, существующие средстватаймирования ускорителей ИФВЭ создавались для каждой егоустановки в разное время, по мере развития ускорительногокомплекса. В результате получился конгломерат различнойаппаратуры с ручным или компьютерным управлением, связанноймежду собой множеством протяженных кабелей.Организация режима реального времени для вновь создаваемойсистемы управления потребовала формирования и распространениямежду потребителями кодированной таймерной информации. Сампроцесс кодировки внешних таймерных сигналов осуществлялсяследующим образом. Перед сеансом программа с кодами из базыданных СУ загружалась в процессор, после чего он отрабатывалзадание автономно, отключившись от связи с системой управлениядля обеспечения надежной работы. Однако, при этом исключалсявсякий доступ к процессору, и терялась возможность контролироватьпроцедуры по формированию кодированной таймерной информации.Кроме того, отсутствие прямой связи между кодирующимиустройствами, обслуживающими Бустер, У-70 и Системы вывода,исключала обмен между ними служебной информацией (номерсуперцикла, номер режима и т.д.), необходимой для СУускорительного комплекса.АктуальностьДальнейшее развитие ускорительного комплекса ИФВЭ и егосистемы управления, возросшие требования по надёжности,точности и функциональности, предъявляемые к современнымсистемам таймирования со стороны пользователей, а такжераспределённый характер ускорительного комплекса потребовалиразработки новой таймерной системы. При этом требовалось решитьследуюшие задачи:• расширить функции таймерной системы;• оснастить таймерную систему достаточными средствамидиагностики;• повысить временное разрешение таймерных сигналов;• сократить и детерминировать время обработки таймерныхсигналов;• унифицировать компоненты таймерной аппаратуры и сократитьих объем;• ограничить номенклатуру таймерных модулей;• обеспечить пользователям удобный доступ к оперативнымданным таймерной системы;Результатом решения этих задач явилось создание базовыхкомпонентов, составляюших основу общей таймерной системы(ОТС), которые обеспечили её высокие технические характеристикии надежность функционирования. Создалась возможность вывести изэксплуатации устаревшие устройства транспортировки таймерныхсигналов из главного пульта [19] и разнотипные таймеры с ручнымуправлением. Вся эта аппаратура выработала свой ресурс за почтисорокалетний период эксплуатации.Цель работыОсновной целью работ, входящих в диссертацию, является:• Разработка и создание компонентов обработки и распределениятаймерной информации, обеспечивающих минимальноедетерминированное временя ее доставки потребителю.• Разработка и создание надежных унифицированныхкомпонентов синхронизации технологических процессов вускорительных установках.• Разработка и создание компонентов мониторинга состояния идиагностики работы ОТС для сокращения времени поисканеисправностей и, соответственно, простоев ускорителей.• Разработка метода диагностического сканирования выделенныхобъектов и диспетчера последовательного порта длядиагностики аппаратуры ОТС в реальном времени.• Разработка имитационной модели таймерной системы дляоценки предельных возможностей ОТС.• Исследование работы модели ОТС в разной конфигурациисистемы при сохранении заданной эффективности работы.Научная новизнаНаучная новизна работ, выполненных автором и вошедших вдиссертацию, может быть сформулирована следующим образом:1. Предложен новый подход при разработке компонентов ОТС сиспользованием элементной базы нового поколения(программируемых логических интегральных схем - ПЛИС) иинструментальных пакетов ведущих производителей ПЛИС. Этопозволило минимизировать как число типов модулей, так и ихколичество, а также повысить надежность работы всей системы.2. Разработан и реализован набор компонентов для ОТС на базесовременной схемотехники. Он включает в себя специальныемодули обработки, распределения и диагностики таймернойинформации, а также унифицированные модули, позволяющиеэкономично решать разнообразные задачи синхронизациитехнологических процессов.3. Предложен и разработан модуль, архивирующий в автономномрежиме все сигналы, циркулирующие в таймерной сети втечение длительного времени. Модуль позволяет анализироватьситуацию, когда в работе ОТС происходят редкие спонтанныесбои, обнаружить которые с помощью обычных приборовпрактически невозможно.4. Предложен и разработан метод диагностического сканированиявыделенных объектов в модулях, выполненных на базе ПЛИС. Вотличие от коммерческих продуктов, данный метод позволяетконтролировать состояние объектов внутри ПЛИС в реальномвремени, не нарушая работу модуля. По данной тематике поданазаявка на изобретение.5. Предложен и разработан оригинальный способ доступа к узламОТС через универсальный диагностический порт, которыйвстроен в большинство модулей системы. Предложен иразработан протокол обмена с внешним компьютером, которыйиспользуется в процессе диагностического сканирования узловаппаратуры ОТС.

6. Предложена и разработана имитационная модель ОТС и на еёбазе исследована работа системы с целью оценки ее предельныхвозможностей. Определен показатель эффективности работыОТС и выведена аналитическая зависимость допустимоймаксимальной глубины буферной памяти в каждом узлеобработки таймерных сигналов от числа узлов ОТС при условиисохранения эффективной работы системы.Практическая ценность работы.Компоненты обработки и распределения таймерной информациив таймерной сети составляют основу ОТС. Данные модулиобеспечивают аппаратную обработку таймерных сигналов, чтопозволяет сократить и детерминировать время их доставки допотребителя. Используя специально разработанный модуль памятидля программирования кодов таймерных импульсов, можноисключить из эксплуатации большой объем устаревшей таймернойаппаратуры различных типов и, таким образом, упростить иудешевить эксплуатацию системы.Обмен информацией между локальными узлами таймерной сетичерез глобальную кольцевую магистраль создает новые возможностидля эффективной работы комплекса в целом. Во-первых, всерезультаты измерений с разных установок обозначаются единымномером текущего цикла и становятся достоверно сопоставимыми.Во-вторых, для всех установок ускорительного комплекса задаетсяодин и тот же режим межпакетного программирования, чтопозволяет динамично перераспределять между потребителями времяв сеансе и экономно расходовать энергетические ресурсы.Набор унифицированных таймерных модулей позволяетэкономично решать различные по сложности задачи синхронизациитехнологических процессов и контрольно-измерительных процедур вустановках ускорительного комплекса.Компоненты мониторинга и диагностики ОТС осуществляютнепрерывный мониторинг потоков таймерной информации втаймерной сети и повышают эффективность поиска причин отказови сбоев в системе. В частности, модуль-архиватор накапливаетциркулирующую в ОТС таймерную информацию за длительноевремя и позволяет обнаруживать редкие, но не менее опасные,спонтанные сбои в работе системы.Метод диагностического сканирования позволяет детальнопроанализировать через диагностический порт работу таймернойаппаратуры в реальном времени и локализовать неисправность. Этотметод является практически единственным способом «заглянуть»внутрь ПЛИС, не нарушая работы модуля.Имитационная модель ОТС дала возможность, с минимальнымизатратами, подробно исследовать работу системы при изменении еёконфигурации с учётом заданного показателя эффективности иоценить ее предельные возможности.Апробация работОсновные результаты работ были доложены:• на Х-ой международной конференции International Conferenceon Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems(ICALEPCS-2005), CERN, 2005;• на XVIII конференции по ускорителям заряженных частицRUPAC-2002, Обнинск, 2002;• на Второй Всероссийской научно-практической конференциипо вопросам применения имитационного моделирования впромышленности «Р1митационное моделирование. Теория ипрактика», Санкт-Петербург, 2005;• на IV Всесоюзном семинаре по автоматизации научныхисследований в ядерной физике и смежных областях,Протвино, 1986;• на III Всесоюзной конференции «Диалог Человек-ЭВМ».Протвино, 1983;Основные научные результаты, включенные в диссертацию,опубликованы в работах 18, 21, 23, 26, 30-33, 39.Структура работыДиссертационная работа состоит из введения, основной части,включающей три главы, заключения, списка литературы иприложений.В первой главе рассматриваются компоненты, решающие задачиприема, обработки и распределения потоков таймерной информациив таймерной сети, а также компоненты, решающие специфическиезадачи синхронизации технологических процессов. В начале главыдается определение основным терминам «таймерная информация» и«таймерное сообщение», используемым в ОТС, и дается краткоеописание структуры общей таймерной системы.Классифицируются потоки таймерной информации, приводитсяописание процессов формирования таймерных сообщений изтаймерных импульсов. Рассмотрен контроллер таймерной сети,управляющий потоками таймерной информации. Анализируется егоработа, как сложной совокупности синхронных конечных автоматов.Приводится расчёт вероятности потерь таймерной информации вОТС и относительной пропускной способности контроллератаймерных сообщений.Рассматриваются компоненты, использующие таймернуюинформацию для синхронизации процессов управления. К такимкомпонентам относятся контроллер синхросерий и восьмиканальныйтаймер с памятью, осуществляющие таймирование технологическихпроцессов линейного ускорителя УРАЛ-30, а также генераторкомбинированных серий импульсов, управляющий измерительнымипроцедурами и технологическими параметрами на кольцевомускорителе У-70 в соответствии с заданной оператором программой.Приведена структура этих модулей, один из которых представляетсобой конечный автомат с несколькими устойчивыми состояниями, авторой является сложным микропрограммным автоматом.Рассмотрен алгоритм их работы.Во второй главе представлены компоненты мониторирования идиагностики работы ОТС, а также архивации параметров придолговременном контроле. Дается описание регистратора таймерныхсообщений, как встраиваемой мегафункции таймерной аппаратуры.Рассмотрен разработанный метод диагностического сканированиявыделенных объектов ПЛИС, позволяющий в реальном временидиагностировать работу аппаратуры ОТС. Показаны преимущ;естваиспользования встроенного диагностического порта, дающеговозможность унифицировать способы и средства диагностикиработы системы. Обосновывается необходимость разработки исоздания устройства (архиватора), не зависящего от работыускорителя и обладающего признаками «черного ящика» (наличиеавтономного питания и т.д.).В третьей главе рассмотрена задача построения модели ОТС иоценки на ее основе предельных возможностей созданной системы.Обосновывается применение метода имитационного моделированияпри построении модели. Приводятся экспериментальные данныепотоков таймерных событий, накопленные с помощью модулейрегистрации таймерных сообщений. Обосновывается классификацияпотоков, как простейших, и выбирается закон распределения10входных потоков сообщений для работы модели. Используютсяметоды формализации компонентов ОТС с применением пакетаимитационного моделирования AnyLogic.Определяется показатель эффективности работы ОТС и находитсязависимость максимальной глубины буферной памяти в каждом узлеобработки таймерной информации от числа узлов системы. Показанырезультаты экспериментов на созданной модели, которыедемонстрируют эффективную работу ОТС даже при существенномувеличении интенсивности потоков таймерной информации и числаузлов таймерной сети.В заключении диссертации кратко формулируются основныерезультаты, полученные после решения поставленных задач.И

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Задачи, рассмотренные в диссертации и решенные автором, а также полученные результаты можно сформулировать следующим образом:

1. Разработаны и созданы основные компоненты общей таймерной системы с использованием элементной базы нового поколения (программируемых логических интегральных схем — ПЛИС) и инструментальных пакетов ведущих производителей ПЛИС. Это позволило минимизировать как число типов модулей, так и их количество, а также повысить надежность работы всей системы. Подтверждением высокой надежности созданной аппаратуры является ее безотказная работа в течение двух сеансов на таких установках, как УРАЛ-30, У-1.5 и У-70. В частности, на Бустере и линейном ускорителе сняты все проблемы в таймерной системе, существовавшие ранее.

2. Аппаратная реализация основных функций общей таймерной системы резко сократила и детерминировала время обработки локальных импульсов с 1 -ь 2 мс до (6.5 ± 1.1) мкс. Это позволяет, используя собственную память генератора таймерных сообщений с записанными кодами импульсов, освободиться от большого объема устаревшей разнотипной аппаратуры, выработавшей свой ресурс в течение почти сорокалетней эксплуатации.

3. Разработан и создан специализированный контроллер таймерной сети, распределяющий потоки таймерной информации между локальными радиальными и глобальной кольцевой магистралями. Такая реализация таймерной сети придает общей таймерной системе новые важные качества. Во-первых, появилась возможность задавать для всех установок один и тот же режим межпакетного программирования, что позволяет экономить энергетические ресурсы. Во-вторых, появилась возможность в реальном времени получать текущий номер суперцикла, что обеспечивает сопоставимость результатов измерения и, как следствие, повышает эффективность работы оперативного персонала. Кроме того, возможность передачи по глобальной магистрали общих таймерных сигналов позволяет отказаться от использования созданной сорок лет назад системы синхронизации ускорителя ИФВЭ.

4. Разработанный набор многофункциональных унифицированных модулей дает возможность решать разнообразные и сложные задачи «тонкой» синхронизации технологических процессов и измерительных процедур, а также обеспечивать решение задач надежного функционального управления различными параметрами удаленных объектов.

5. Разработаны и созданы компоненты мониторинга и диагностики работы ОТС, выполняющие непрерывный мониторинг потоков таймерной информации в глобальной и локальных магистралях. Кроме того, применение этих компонентов позволяет контролировать локальные импульсы на входе в контроллер таймерной сети. Мониторинг сопровождается выдачей аларм-сигналов в СУ ускорительного комплекса при возникновении нештатной ситуации. Все эти средства повышают эффективность поиска причин отказов и сбоев в работе системы, а также обеспечивают информированность оперативного персонала, что, в конечном счете, сокращает простои ускорителя.

6. Предложен и разработан модуль, архивирующий в автономном режиме все сигналы, циркулирующие в таймерной сети в течение длительного времени. Модуль позволяет анализировать ситуацию, когда в работе ОТС происходят редкие, но не менее опасные, спонтанные сбои, обнаружить которые с помощью обычных приборов практически невозможно.

7. Предложен и реализован метод диагностического сканирования выделенных объектов (ДСВО) аппаратуры ОТС, разработанных на базе ПЛИС. Этот метод позволяет диагностировать модули системы в реальном времени, не формируя дополнительных тестовых воздействий и не занимая ресурсов управляющего контроллера. Кроме того, с помощью метода можно контролировать распределение таймерных сигналов по временному циклу ускорителя, выявлять пропуски и ложное возникновение таймерных сигналов, что может предотвратить аварийную ситуацию на ускорителе.

8. Предложена структура встроенного диагностического порта и реализована в большинстве модулей аппаратуры ОТС. Разработан протокол обмена между внешним компьютером и встроенным портом. Диагностический порт позволяет реализовать метод ДСВО и эффективно контролировать узлы ОТС при штатной работе системы. Кроме того, применение порта позволяет управлять задачами автономных модулей, когда отсутствует связь через системную шину.

9. Разработана имитационная модель ОТС. Определены показатели эффективной работы таймерной системы. На базе модели проведены исследования при изменении конфигурации (увеличение числа узлов и повышение интенсивности потоков ТС), которые позволили оценить предельные возможности ОТС. В частности, заданная эффективность работы системы сохраняется, если увеличить число узлов таймерной сети до 10, а интенсивность потока таймерных сообщений - в 50 раз.

В заключение автор выражает свою искреннюю признательность инициатору создания новой таймерной системы и научному руководителю, кандидату технических наук, Комарову В. В., за четкую формулировку задачи и целенаправленное руководство работой по теме диссертации. Автор благодарен кандидату физико-математических наук Троянову Е.Ф. за поддержку работы, кандидату технических наук Радомскому Н.В. за участие в работе по созданию технологического таймера УРАЛ-30 и полезные обсуждения.

Автор благодарит всех сотрудников лаборатории аппаратных средств управления за их вклад в выполненную работу и сотрудников других подразделений за разработку тестового программного обеспечения.

1. Knott J., Nettleton R. Reliable timing systems for computer controlled accelerators. Nuclear 1.struments and Methods in Physics Research, A247,1986,p.223-225.

2. Beetham C.G., Kohler K., Parker C.R., Ribes J.B. The transmission of accelerator timing information around CERN. CERN-SL-91-41-DI-Geneva : CERN, 13 Nov 1991 . 4 p.

3. Beetham C.G., Lauckner R.J., Saltmarsh C. Overview of the SPS/LEP fast broadcast message timing system. Proc. of the 1987 Particle Accelerator Conference, Washington, DC, USA ,16-19 Mar 1987 -pages 766-768.

4. Perriollat F. Timing network. Proceedings of ICALEPCS-93. Berlin. Germany. October 18-23,1993.

5. Lewis J., Sikolenko V. The New CERN PS Timing System. Proceedings of ICALEPCS-93. Berlin. Germany. October 1823,1993.

6. Daems G., Lewis J. Evolution of the Central PS timing system. PS/CO/Note 91-04. Geneva, Switzerland, 1991.

7. Perriollat F., Serre C. The new CERN PS control system overview and status. Proceedings of ICALEPCS-93. Berlin. Germany. October 18-23,1993.

8. Beetham C.G., Daems G., Lewis J., Puccio B. A new VME timing module : TG8. Proceedings of ICALEPCS'91, Tsukuba, Japan ,11-15 Nov 1991 pages 360-363.

9. Timing requirements for LHC. CERN, SL/BI Note. Geneva : 2002.

10. Overview of the General Machine Timing. CERN, SL/CO- Note. Geneva: CERN 2002.

11. Seino K., Anderson L., Ducar R., Franck A., Gomilar J., Hendricks B., Smedinghoff J. New main ring control system. FNAL, Batavia, USA. 1990.

12. Bogert D., Chapman L.J., Ducar R.J., Segler S.L. THE TEVATRON CONTROL SYSTEM. Fermi National Accelerator Laboratory. Batavia, USA. 1981.

13. Ducar RJ. TEVATRON SERIAL DATA REPEATER SYSTEM. Fermi National Accelerator Laboratory. Batavia, USA. 1981.

14. Ducar RJ. A CAMAC SERIAL CRATE CONTROLLER FOR THE TEVATRON ACCELERATOR. Fermi National Accelerator Laboratory. Batavia, USA. 1981.

15. Ducar RJ. Fiber Optic Communications Links for the Main Ring Control System Upgrade. Fermi National Accelerator Laboratory. Batavia, USA. 1991.

16. Ducar RJ. Tevatron Clock Event Assignments. Control Hardware release No. 17.32. Fermi National Accelerator Laboratory. Batavia, USA. 30 September 1987.

17. Komarov V.V., Milichenko Y.V., Voevodin V.P., Yurpalov V.D. Draft Design Study for the Control System of the U-70 Complex.-IHEP&CERN internal note: PS/CO/Note 96-26.

18. Вагин А.И. и др. Препринт ИФВЭ 68-26-К. Серпухов, 1968.

19. Комаров В.В. Базовые принципы построения общей таймерной системы ускорительного комплекса У-70. «НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ», Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. №5 , 2005.

20. V.Komarov, G.Antonichev, L.Kim, V.Kokovin, N.Krotov, V.Kuznetsov, Yu.Milichenko, N.Radomsky, V.Voevodin. Modernization of U-70 general timing system. Proceedings of ICALEPCS-2005,2005.

21. MIL-STD-1553 Designer's Guide. Second edition. ILC Data Device Corporation. 1988.

22. Коковин В.А., Комаров В.В. Контроллер таймерной сети общей таймерной системы ускорительного комплекса ИФВЭ. «НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ», Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. №6 , 2005.

23. Mealy G.H. «А method for synthesizing sequential circuits" // Bell System Techn. J. Vol. 34. 1955. P. 1045-1079.

24. Moore E.F. Gedanhen-experiments on sequential machines //. In C. Shannon and J. McCarthy editors. Automata Studies Princeton University Press. 1956. P. 129-153.

25. Bakay A.I., Ivshin V.M., Kokovin V.A. Telemetry Channel for Geophysical Data Collection.//Volc. Seis., 1995, Vol. 17, pp. 365368.

26. Beetham C.G., Daems G., Lewis J., Puccio B. A new VME timing module: TG8, Proceedings of ICALEPCS-1991, Tsukuba, Japan, 1115 Nov 1991.

27. Вентцель E.C. Теория вероятностей. M.: «Высшая школа», 1999 г.

28. Knott J., Nettleton R. Integral protection and fault diagnostics for interconnected timing systems in a large accelerator complex: CERN/PS, 88-64-HI. Geneva, 1988.

29. Коковин B.A., Комаров В.В. Мониторинг и диагностика ОТС. «НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ», Приборы и Системы. Управление, Контроль, Диагностика. №9 , 2005.

30. Бакай А.И., Качнова О.А., Коковин В.А., Кавкун С.Л., Крютченко

31. Е.В., Леонова Л.И., Медведев В.Ф., Радомский Н.В., Сиколенко

32. В.В., Уточкин Б.А., Федотов B.C. Автоматизированный стенд для системных испытаний современных электронно-лучевых приборов.//Доклад на IV Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях.// Протвино, 1986.

33. Бакай А.И., Ившин В.М., Коковин В.А. Телеметрический канал системы сбора геофизической информации.//Вулканология и сейсмология. №3 М. 1995.

34. Балакин С.И., Клименков Е.В. Первичная диагностика в системе управления комплекса У-70 // XVII конф. по ускорителям заряженных частиц. Протвино: ГНЦ ИФВЭ, 2000, т. 1.

35. Altera Corporation. "IEEE 1149.1 (JTAG) Boundary-Scan Testing in Altera Devices", Application Note 39. 2005.

36. Советов Б.Я., Яковлев C.A. Моделирование систем, M.: Высшая школа, 1998г.

37. Gordon, Geoffrey. A General Purpose Systems Simulation Program. McMillan NY, Proceedings of EJCC, Washington D.C., 87-104

38. AnyLogic™ . User's Manual. Компания XJ Technologies. 2004.

39. Хинчин А.Я. Работы по математической теории массового обслуживания. М.: "Едиториал УРСС", 2004г.

40. Различные типы сообщений, передаваемые на действующем ускорительном комплексе CERN

41. Year SPS + LEP 07 BCD value OxFF OxFF

42. Time of the day PS complex 08 BCD value of Hour BCD value of Min BCD value of Sec

43. Date PS complex 09 BCD value of Year BCD value of Month BCD value of Day

44. Start Cycle LEP only 10 Cycle Number (MSB) Cycle Number (middle) Cycle Number (LSB)

45. Event LEP only 11 Hex value OxFF OxFF

46. Start Super Cycle SPS only 20 Cycle Number (MSB) Cycle Number (middle) Cycle Number (LSB)

47. Prog. Event SPS only 21 Hex value Elem. Cycle Type Elem Cycle Number

48. Async. Event SPS only 22 Hex value OxFF OxFF

49. Event CPS only 31 Hex value OxFF OxFF

50. Telegram CPS only 34 Machine Group Value

51. Event PSB only 41 Hex value OxFF OxFF

52. Telegram PSB only 44 Machine Group Value

53. Event LPI only 51 Hex value OxFF OxFF

54. Telegram LPI only 54 Machine Group Value

55. Пример кодировки различных типов событий, передаваемых на ускорительном комплексе FNAL (Tevatron Clock Event).1. Event (hex) Definition

56. Super Cycle & Master clock reset.01 Super Cycle Sample time.

57. Time plot timestamp reset.05 | User friendly event.07 1 720 Hz (line locked).0B | Booster beam sample data available.0C | Main ring sample data available.

58. OF 15 Hz (line locked) Not the same as Booster 15 Hz.

59. Generic reset for accelerating beam.11 Reset for null Cycle.

60. Reset for beam pre-pulse cycle.

61. Reset for accelerating beam for booster studies, main ring studies, or Tevatron fixed-target extraction.

62. Reset for accelerating beam for booster studies, main ring studies, P-Bar production 120 GeV, or debuncher 8 GeV via main ring.

63. Reset for accelerating beam for booster studies, main ring studies, Tevatron to main ring reverse transfer tests, or Tevatron colliding physics

64. Reset for accelerating beam for booster studies, main ring studies, debuncher 8 GeV via main ring, or accumulator 8 GeV via main ring.

65. Reset for accelerating beam for booster studies or for debuncher 8 GeV via AP-4 Transfer line.18 Sample time.

66. Reset for accelerating beam for booster. (Specific definition is pending).1A Parasitic beam permit.1. Parasitic beam inhibit1С Reset for accelerating beam for booster. (Specific definition is pending).

67. First booster beam cycle after pre-pulse cycle.

68. Booster extraction sync (BES) for pre-pulse cycle.

69. Booster extraction sync (BES) for beam cycle.

70. Reset for reverse transfer test 150 GeV beam from Tevatron to main ring.

71. Reset for accelerating beam for Tevatron fixed-target extraction.22 Start of Ramp.25 Start of Flattop.26 End of Flattop.27 Beam has been aborted.28 Injected beam sync.

72. Перечень кодов событий и импульсов, передаваемых по ОТС У-701. VN's.'v-'4/

73. Наименование события, импульса Код1. CW

74. Импульс Во (после имитатора) 01С11. Импульс Во+60 00081. Импульс Во+120 ООО А1. Импульс Во+180 00091. Импульс Во* 0101

75. Импульс То-5 (первый тренировочный) 0111 Импульс То-1 (последний тренировочный) 0121

76. Импульс То 1 (начало рабочих) 0131

77. Импульс То2 (конец рабочих) 0141

78. Импульс ТЗ (начало наладочных циклов) 0151

79. Импульс Т4* (конец наладочных циклов) 0171

80. Импульс T4(reset) (конец пачки) 0161

81. Резерв (только код импульса) 01 ВО

82. Резерв (только код импульса) 01 СО

83. Резерв (только код импульса) 01D0

84. Резерв (только код импульса) 01Е0

85. Резерв (только код импульса) 01F0

86. Код номера режима Код номера суперцикла (16 старших разрядов) Код номера суперцикла (16 младших разрядов)

87. Импульс Во (репер 1000 эрстед) 0202

88. Импульс НЦ (начало цикла) 0212

89. Импульс В1 (переход в бустерный стол) 0222

90. Импульс В2 (стабилизация стола бустера) 0232

91. Импульс КС1 (конец бустерного стола) 0242

92. Импульс НС2 (начало основного стола) 0252

93. Импульс КС2 (конец основного стола) 02621. Импульс СБРОС (У-70) 0272

94. Резерв (только код импульса) 0280

95. Резерв (только код импульса) 0290

96. Резерв (только код импульса) 02А0

97. Резерв (только код импульса) 02В0

98. Резерв (только код импульса) 02С0

99. Резерв (только код импульса) 0200

100. Резерв (только код импульса) 02Е0

101. Резерв (только код импульса) 02Р0

102. Код номера канала Код номера канала Код номера канала Код номера канала Код номера канала Код номера канала Код номера каналапродолжение) Только импульс БВ1 (Ejection Pulse 1) 0380

103. Только импульс БВ2 (Ejection Pulse 2) Только импульс БВЗ (Ejection Pulse 3) Только импульс КМВ1 (стоп ИП МВ1) Только импульс КМВ2 (стоп ИП МВ2) Только импульс КМВК1 (стоп ИП МВК1) Только импульс КМВК2 (стоп ИП МВК2) Резерв (только код импульса)

104. Определение номера режима РРМ

105. Определение номера режима РРМ

106. Определение номера режима РРМ

107. Определение номера режима РРМ

108. Определение номера режима РРМ

109. Определение номера режима РРМ

110. Определение номера режима РРМ0390 03 АО 03В0 03 СО 03 D0 03Е0 03F00404 0414 0424 0434 0444 0454 0464 0474 0480 0490 04А0 04В 0 04С0 04D0 04Е0 04F0000В001В002В003В004В005В007В

111. Коды Коды Коды Коды Коды Коды Коды Кодымишени мишени мишени мишени мишени мишени мишени мишении канала и канала и канала и канала и канала и канала и канала и канала

112. Engine.setRootf new GTS3() ); } catch ( Throwable ex ) { Engine.traceException( ex );

113. Engine.setError( "Exception during model root object creation : " + ex );1. Engine.start( args );

114. X JS ECTIONB EG IN( AO.Object.249.1 ) exponential (24)91. XJ SECTIONEND } ~obj.setnewEntity ( // XJSECTIONBEGIN( A0.0bject.249.0 )

115. ProgPart.class // XJSECTIONEND );setupsource( obj, false ); }com.xj.anylogic.lib.enterpriselibrary .Source obj = new com.xj.anylogic.lib.enterpriselibrary .SourceO { public double interarrivalTime 0 { GTS3.this.setModified 0; return

116. XJSECTIONBEGIN( A0.0bject2.0 ) entity instanceof SocPart1. XJSECTIONEND }setupselectOutput(obj, false ); return obj ; .