Ви є тут

Аналого-цифровая аппаратура автоматизированных систем контроля и управления экспериментальными физическими установками

Автор: 
Батраков Александр Матвеевич
Тип роботи: 
Докторская
Рік: 
2011
Артикул:
325161
179 грн
Додати в кошик

Вміст

2
Оглавление
Введение........................................................ 5
Глава 1. Аналого-цифровая аппаратура в системах контроля и управления физическими установками ИЯФ СО РАН: обзор задач и анализ требований.................................... 13
1.1. Аналого-цифровая аппаратура в автоматизированных системах контроля и управления установками ИЯФ СО РАН. Краткая история.............................................. 13
1.2. Обзор задач, решаемых аналого-цифровой аппаратурой в системах автоматизации физических установок, и предъявляемые к ней требования.................................... 24
1.2.1. Аналого-цифровая аппаратура на ускорительных комплексах.................................................. 24
1.2.2. Исследования по физике плазмы.................... 31
1.2.3. Производство и измерения элементов физических установок.................................................. 35
Глава 2. Типы аналого-цифровых преобразователей: характеристики и применимость в системах автоматизации физических установок................................................... 40
2.1. Характеристики аналого-цифровых преобразователей 41
2.2. АЦП на основе метода последовательного приближения 51
2.3. «Считающие» АЦГІ....................................... 54
2.4. Высокопроизводительные аналого-цифровые преобразова-
тели................................................... 59
2.5. ІЛ-АЦП................................................. 70
3
Глава 3. Аппаратура для измерения мгновенных значений сигналов в импульсных системах установок..................... 77
3.1. Измерители мгновенных значений сигналов.............. 77
3.2. Интегрирующие измерители импульсных сигналов......... 86
Глава 4. Высокопроизводительные АЦП и цифровые регистраторы формы сигналов................................................ 102
4.1. Принципы построения аппаратуры для цифровой регистрации формы сигналов.......................................... 102
4.2. История развития и модели цифровых регистраторов с 1974
по 1990гг............................................... 104
4.3. Современные цифровые регистраторы формы сигналов 114
Глава 5. Системы регистрации формы сигналов....................... 134
5.1. Задачи, решаемые системами регистрации............... 134
5.2. Многоканальные системы............................... 136
5.3. Специализированные системы на базе цифровых регистраторов............................................... 142
5.4. Системы регистрации аварийных процессов.............. 148
Глава 6. Унифицированная аппаратура прецизионных систем измерения постоянных магнитных полей............................... 152
6.1. Аппаратура для измерения постоянных магнитных полей с
помощью перемещаемых катушек......................... 154
6.1.1. Интеграторы с цифровым выходом................... 155
6.1.2. Малошумящие усилители с низким дрейфом........... 163
6.1.3. Примеры систем с перемещаемыми катушками......... 168
6.2. Аппаратура измерения карт полей с помощью датчиков Холла................................................ 172
4
6.3. Быстродействующие системы с датчиками Холла для измерения многополюсных магнитных элементов......... 179
6.3.1. Структура быстродействующих систем............... 181
6.3.2. Электроника быстродействующих систем............ 184
6.4. Пример комплексного использования аппаратуры........ 187
Глава 7. {Многофункциональные аналого-цифровые устройства и системы для автоматизации технологических производственных установок.............................................. 193
7.1. Аналого-цифровые устройства и системы для локальных технологических стендов...................................... 194
7.2. Оборудование и распределённые системы для автоматизации крупных технологических производственных установок 199
Заключение...................................................... 208
Литература...................................................... 212
5
Введение
Работа современных экспериментальных физических установок невозможна без автоматизированных систем контроля и управления. В функции таких систем входит сбор данных с первичных устройств, обработка и анализ этих данных в реальном времени и выработка в соответствии с результатами анализа управляющих воздействий либо рекомендаций для дальнейших действий оператора. Важным элементом структуры автоматизированных систем управления и контроля является комплекс устройств, преобразующих аналоговые сигналы, несущие информацию о происходящих процессах в форме токов или напряжений, в цифровой код, пригодный для обработки в управляющих компьютерах.
Этот комплекс устройств называется аналого-цифровой аппаратурой и включает в себя как собственно аналого-цифровые преобразователи (АЦП)*, гак и широкий набор аналоговых и цифровых узлов, выполняющих различную предварительную обработку и нормировку сигналов, накапливающих и передающих полученные данные. Такие характеристики аналого-цифровой аппаратуры как точность измерения, разрешающая способность, быстродействие, широкополосность, стабильность, зачастую определяют принципиальную возможность качественной работы не только системы управления, но и физической установки в целом. Во многих случаях результаты фундаментальных исследований и справедливость различных теорий определяется достоверностью измерений, выполняемых в современных экспериментах с помощью аналого-цифровой аппаратуры.
Большинство систем автоматизации физических установок содержат, как правило, разнообразные аналого-цифровые устройства, решающие задачи в
6
соответствии со своими характеристиками [1]. Весьма показательными в этом плане являются системы управления ускорительно-накопительными комплексами, содержащие аппаратуру, использующую различные принципы преобразования, структурные и схемотехнические решения [2].
В первую очередь это преобразователи, в большинстве своём высокоточные, измеряющие медленно меняющиеся напряжения и токи в системах питания магнитов основного поля и элементов коррекции. Далее следует отметить АЦП, работающие с быстроменяющимися сигналами в импульсных системах ускорителей: инжекторах, системах впуска-выпуска, каналах транспортировки и т.п. Разнообразные диагностические, контрольно-измерительные и «сторожевые» системы построены на базе ещё одного класса преобразовательных устройств - цифровых регистраторов формы сигналов. Заметную часть в аналого-цифровой аппаратуре больших ускорительно-накопительных комплексов составляют различные коммутаторы сигналов, с помощью которых строятся многоканальные системы. К аналого-цифровой аппаратуре можно отнести и такие специализированные устройства, как измерители равновесной орбиты, вакуума, температуры, уровней радиации и т.н.
В ИЯФ СО РАН системы автоматизации ускорительных комплексов исторически возникли как «управляющие», и аналого-цифровые устройства вводились в их состав, т.е. подключались к ЭВМ, на более поздних этапах [3]. В отличие от этого, системы автоматизации термоядерных установок Института изначально возникли как «измерительные», т.е. аналого-цифровые преобразователи с самого начала являлись основными элементами при построении систем. Известные недостатки широко распространённых на плазменных установках в 1970-80-х годах систем с фоторегистраторами, как базового средства измерений, делают понятным, почему работы по автоматизации этих установок в первую очередь были направлены на создание регистрирующей аналого-цифровой аппаратуры [4].
7
Важным и необходимым направлением деятельности ИЯФ СО РАН в последние полтора десятилетия является разработка и изготовление по контрактам различного физического оборудования и элементов экспериментальных установок: магнитов, линз, вигглеров, ондуляторов, вакуумных элементов, то-ковводов, сверхпроводящих шин и т.п. Институт стал одним из мировых лидеров в разработке и производстве элементов, систем и даже целых физических установок. Разумеется, что для такой деятельности необходимы различные специфические технологии и опытно-производственные установки, реализующие эти технологии.
Решение задач по автоматизированному управлению многими технологическими производственными установками требует создания набора специализированных аналого-цифровых устройств и построенных с их использованием соответствующих систем. Несмотря на то, что метрологические параметры производственного оборудования далеки от уникальных, его эксплуатационные характеристики должны отвечать самым требовательным запросам.
Есть и ещё один аспект масштабного производства физического оборудования: как правило, проектировщики физических установок хотят знать характеристики изготавливаемых элементов с высокой точностью, что даёт им уверенность в работе и облегчает быстрый запуск оборудования. В этой связи в большинстве работ высококачественное измерение различных характеристик изделий является типовым требованием. Для удовлетворения этого требования необходимо разрабатывать весьма сложные и чаще всего прецизионные аналого-цифровые системы.
Создание любого физического комплекса начинается с исследований, выполняемых на относительно небольших экспериментальных стендах, на которых изучаются и проверяются элементы этого комплекса. Автоматизация таких работ выполняется с помощью локальных, «настольных» систем автоматизации. «Настольные» системы автоматизации должны решать небольшие по объёму, но достаточно разноплановые задачи: измерение как «быстрых», так и
8
«медленных» токов и напряжений, сбор двоичных состояний, измерение интервалов времени, выработка управляющих сигналов и т.п. Элементная база электроники последних десятилетий открывает широкие возможности при создании подобных многофункциональных устройств и «настольных» систем. В ряде случаев очень привлекательным представляется размещение всех элементов системы на одной электронной плате, устанавливаемой на шину управляющего компьютера или подключаемого к одному из стандартных портов. При наличии небольшой номенклатуры таких плат удаётся достаточно быстро создавать «настольные» системы различного назначения. Подобное оборудование широко представлено на рынке.
В последние годы появление заметного количества коммерческих предложений коснулось не только подключаемых к шине компьютера многофункциональных плат, но и аналого-цифровой аппаратуры, выполненной в таких магистрально-модульных стандартах, как VMB, Compact PCI, PCIexpress и т.п., весьма популярных в зарубежных системах автоматизации научных исследований. В России существует ряд фирм, поставляющих универсальные аналого-цифровые модули известных приборостроительных фирм, выполненные в этих стандартах. В такой ситуации всегда приходится делать выбор, что же более разумно: покупать аппаратуру, заказывать её в специализированных фирмах или разрабатывать самостоятельно.
Обсуждение этих вопросов весьма проблематично и ответы на них неоднозначны. Заметим лишь, что для НЯФ специфика задач, исторически сложившийся приборный парк, необходимые объёмы аппаратуры и финансовые затраты в настоящее время делают малорсальным широкое использование покупной универсальной аппаратуры в системах автоматизации существующих и строящихся физических комплексов.
Важен и ещё один аспект данного вопроса: грамотно спроектировать и быстро ввести в действие автоматизированную систему на базе покупной аппаратуры может лишь тот специалист, который добросовестно изучил аппа-
9
ратные средства автоматизации, а ещё лучше - прошёл школу их самостоятельной разработки. Прежде всего, это касается аналого-цифровых элементов системы, требующих от разработчиков хорошего понимания особенностей первичных преобразователей, способов помехозащищённой транспортировки сигналов, принципов построения АЦП, источников нестабильной работы и прочих подобных вопросов. Разумеется, существует много простых систем с малым быстродействием, невысокой точностью и шраниченным количеством каналов. Такие системы вполне могут строиться на основе «Руководств по применению..» и рекомендаций производителя. Но даже и в них почти всегда находятся элементы, требующие глубокого понимания и профессионального подхода.
Приведённое выше краткое перечисление задач, решаемых с помощью аналого-цифровой аппаратуры в системах контроля и управления физическими установками ИЯФ СО РАН, свидетельствует о жизненности и полезности разработок, выполненных в предыдущие годы. Вместе с тем, строительство новых и модернизация старых установок, всё большие возможности электроники, специфика многих задач, несомненно, делают актуальными продолжение разработок аналого-цифровой аппаратуры для систем контроля и управления. Не менее актуальной является и необходимость обстоятельного изучения и грамотного использования этой аппаратуры.
Как аппаратура, так и системы управления создаются большими коллективами, разрабатывающими и интегрирующими в единое целое различные измерительные и управляющие устройства. Разумеется, автор диссертации принимал участие далеко не во всех работах по созданию и применению аналого-цифровых устройств в ИЯФ. В то же время, широкий спектр аналого-цифровой аппаратуры, разработанной автором и руководимой им группой специалистов, участие в создании заметного количества систем автоматизации физических установок в ИЯФ, использующих разнообразную измерительную технику, дают основания описать сделанные разработки, проанализировать
10
найденные решения и обобщить накопленный опыт в виде законченного научного труда.
Диссертация посвящена следующим вопросам создания и применения аналого-цифровой аппаратуры и измерительных систем на электрофизических установках:
• Анализу задач по измерению разнообразных сигналов на экспериментальных физических установках и обсуждению применимости различных устройств аналого-цифрового преобразования при решении этих задач.
• Теоретическому анализу и практическим исследованиям структурных и схемотехнических решений аналого-цифровой аппаратуры. Разработке методов повышения быстродействия, точности, разрешающей способности и стабильности параметров этой аппаратуры с учётом особенностей работы физических комплексов.
• Разработке серии аналого-цифровых устройств для точной и широкополосной регистрации формы сигналов. Разработке методик и созданию систем цифровой регистрации формы сигналов на электрофизических установках.
• Анализу решений и разработке на основе проведённого анализа аналого-цифровой аппаратуры для измерений мгновенных и интегральных значений импульсных сигналов.
• Разработке и применению аналого-цифровых устройств и автоматизированных систем для прецизионных магнитных измерений.
• Анализу требований к аналого-цифровой аппаратуре для технологических производственных установок и разработке серии специализированных систем для установок Экспериментального производства ИЯФ.
• Разработке методик, созданию стендов и программного обеспечения для исследования и тестирования всей гаммы аналого-цифровой аппаратуры
и
с целью выпуска её в необходимых объёмах и оснащения исследовательских установок ИЯФ.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Теоретический анализ и практические исследования структурных и схемотехнических решений аналого-цифровой аппаратуры, в результате которых предложены оригинальные решения, позволившие не только достигнуть необходимого быстродействия, точности, чувствительности, помехоустойчивости, но и создавать аппаратуру, легко адаптируемую к изменяющимся условиям эксперимента и удобную в использовании.
2. Предложенная структурная схема построения цифровых регистраторов формы сигналов, отличающаяся функциональной завершённостью, а также принципы построения этого класса приборов, на основе которых разработано несколько поколений цифровых регистраторов формы сигналов.
3. Исследование проблем синхронизации цифровых регистраторов с процессами физических установок. Разработанные методы точной синхронизации и соответствующие схемы таймирующих узлов современных высокопроизводительных АЦП, позволившие легко интегрировать приборы на их основе в системы с разнообразными временными диаграммами.
4. Предложенные и реализованные методики исследования быстропроте-кающих процессов на ускорительных комплексах, плазменных установках, в мощных и высоковольтных устройствах, криогенном оборудовании.
5. Исследование новых принципов построения интегрирующих измерителей импульсных сигналов, положенных в основу современного поколения точной, многофункциональной электроники для измерений импульсных магнитных полей.
12
6. Разработка систем и комплекта унифицированной аппаратуры для прецизионных измерений постоянных магнитных полей, позволивших реализовать комплексный подход при проведении магнитных измерений, стандартизовать методики, оборудование измерительных стендов и программное обеспечение.
7. Структурные и схемные решения электроники технологических стендов, позволившие изготовить надёжно работающее автоматизированное производственное оборудование для промышленного выпуска элементов физических установок.
При работе над диссертацией среди прочих использовались оригинальные литературные источники на английском языке. В связи с этим некоторые термины в тексте, имеющие англоязычное происхождение, а также ряд иллюстраций приведен на языке оригинала с соответствующими ссылками.
13
Глава 1. Аналого-цифровая аппаратура в системах контроля и управления физическими установками ИЯФ СО РАН: обзор задач и анализ требований
Во Введении отмечались задачи, решаемые аналого-цифровой аппаратурой в системах автоматизации физических установок. В данной главе более подробно рассматриваются и анализируются эти задачи, обсуждается, какими характеристиками должна обладать аппаратура. Рассмотрение и анализ проводятся на примере экспериментальных установок и стендов ИЯФ СО РАН, на которых проводятся исследования по физике пучков заряженных частиц и ускорительной технике, физике плазмы, ведутся работы с синхротронным излучением и криогенными устройствами, разрабатываются высокоточные магнитные структуры. Системы автоматизации этих установок содержат разнообразные средства измерений и в большой степени отражают запросы, возникающие при проведении исследований во многих областях физической науки.
1.1. Аналого-цифровая аппарату ра в автоматизированных системах управления и контроля установками ИЯФ СО РАН.
Краткая история
В ИЯФ СО РАН первые работы но использованию ЭВМ для целей управления начались в 1971 году [3]. Для оперативной перестройки магнитной структуры накопителя ВЭПП-3 при переходе от режима накопления к режиму встречи понадобились операции, проведение которых без ЭВМ не представлялось возможным. Эта первая система была полностью «управляющей» [5]. Вскоре в се состав был включен многоканальный АЦП (АЦП-300) [6]. Этот прибор может считаться первым аналого-цифровым преобразователем, разработанным и использованным в ИЯФ в системах управления и контроля от ЭВМ. Задуманный как быстродействующий и широкодиапазонный, он был
14
рассчитан на универсальные применения во многих системах ускорительных установок. При его конструировании было найдено немало оригинальных схемных решений, в результате чего прибор обладал впечатляющими для 70-х годов параметрами: 16-разрядным разрешением, временем преобразования ЗООмкс и 64-мя измерительными каналами. К тому же этот преобразователь предназначался для работы в условиях сильных электромагнитных помех и наводок.
Опыт использования АЦП-300 продемонстрировал, что одним типом прибора, даже очень универсальным, обойтись трудно: необходимы устройства, ориентированные на решение более узких задач. В результате через год были разработаны прецизионный интегрирующий вольтметр и быстродействующий АЦП на оригинальном конвейерном принципе [7,8]. Интегрирующий вольтметр положил начало серии прецизионных интегрирующих АЦП, а с быстродействующего АЦП, одним из авторов которого являлся диссертант, начались цифровые регистраторы формы сигналов.
Рис. 1.1 Аналого-цифровые преобразователи, разработанные в 1974-75гг. Прецизионный интегрирующий АЦП со шкалой 40000, разрешающей способностью 1 мкВ и временем измерения 40мс (слева), и быстродействующий конвейерный 8-разрядный АЦП с интервалами между отсчётами 50нс (справа).
Развитие отечественной микроэлектроники с начала 70-х годов сделало реальным создание больших и сложных автоматизированных систем с широким использованием аналого-цифровой аппаратуры. Например, уже в первом
15
варианте системы управления с помощью ЭВМ ускорительно-накопительным комплексом ВЭПП-4, выполненной на основе так называемых Автономных Функциональных Узлов - АФУ - использовалось несколько типов аналого-цифровых преобразователей [2, 9]. В системах силового питания применялся уже упоминавшийся прецизионный АЦП интегрирующего типа, токи и напряжения в элементах коррекции измерялись с помощью многоканального АЦП 12-128, для системы контроля вакуума был разработан специализированный преобразователь ИВА 12-64, в системе диагностики пучка использовался АЦП «Орбита» [2, 10]. Для организации многоканальных измерительных систем были созданы два типа коммутаторов аналоговых сигналов: широкого применения - с переключательными элементами на основе полевых транзисторов, а для систем с микровольтовым разрешением - с герконными переключателями [2].
Рис. 1.2. Автономное функциональное устройство для измерения положения равновесной орбиты и плата 12-разрядного АЦП, применявшегося в этом устройстве.
Упомянутая аппаратура применялась для измерения постоянных и квазипостоянных сигналов. Для контроля мгновенных значений импульсных сигналов также были созданы соответствующие устройства: интегрирующий измеритель импульсных сигналов (для измерения импульсных магнитных полей) и
16
измеритель мгновенных значений импульсных сигналов (для измерения сигналов импульсных генераторов) [11].
Со второй половины 70-х годов в институте широкое распространение стала получать аппаратура для цифровой регистрации формы импульсных сигналов [12, 13]. На основе этой аппаратуры было создано несколько уникальных систем [4, 14, 15].
Кроме перечисленных выше модулей, был изготовлен набор узкоспециализированных устройств: измерители интервалов времени наносекундного и микросекундного диапазонов, аппаратура для работы с вторичноэмиссионными датчиками и т.п. [16, 17,18].
Время жизни больших физических установок составляет не одно десятилетие. В течение этого периода установка непрерывно изменяется и модернизируется: добавляются переработанные узлы, реализуются новые идеи, возникают новые задачи. Система управления и входящие в неё средства измерения также должны эволюционировать вместе с установкой. Причём, возможности новых, более современных электронных устройств превосходят возможности предыдущего поколения аппаратуры, способствуя дальнейшей модернизации физического оборудования.
В конце 1970-х годов была начата разработка нового поколения аппаратных средств автоматизации, которое базировалось на стандарте КАМАК. Раз-витие и становление этого стандарта в СССР произошло благодаря работам Института Автоматики и Электрометрии и СКЬ Научного Приборостроения СО АН СССР [19, 20]. Стандартизация, переход на унифицированную аппаратуру и новая элементная база стимулировали резкое увеличение номенклатуры и улучшение характеристик измерительных и управляющих устройств нового поколения [21].
Так, для прецизионного измерения постоянных и квазипостоянных напряжений была разработана серия АЦП, использующих различные модификации способа интегрирования входных сигналов: двойное интегрирование,
17
многотактное интегрирование, метод динамического интегратора [22, 23]. Серия включала четыре интегрирующих АЦП: ЛЦПИ-22, АЦПИ-20, ЛЦПИ-18-256, АЦПИ-15-256. Для организации многоканальных измерительных систем разработан ряд коммутаторов аналоговых сигналов [23].
Ещё одним классом аналого-цифровой аппаратуры, реализованной в стандарте КАМАК, были упоминавшиеся выше цифровые регистраторы формы импульсных сигналов [24 - 27]. Эти приборы являются хорошим подтверждением правильности направления стандартизации и унификации аппаратуры, выбранного в те годы. Разработка этих устройств первоначально была инициирована необходимостью автоматизации термоядерных исследований, но в дальнейшем приборы этого класса нашли широкое применение в различных системах ускорительно-накопительных комплексов, а впоследствии — в работах с СИ, ядерно-физических исследованиях и т.д.[28].
Рис. 1.3. Аналого-цифровые преобразователи и коммутаторы в стандарте КАМАК, разрабо танные в 1978-1984 годах: слева - серия высокоточных интегрирующих АЦП, справа -комплект цифровых регистраторов формы сигналов.
Также в стандарте КАМАК были разработаны и ряд специализированных АЦП [29, 30]. Упомянутые выше приборы на тот период времени имели вполне конкурентоспособные характеристики на фоне мировых достижений, а по некоторым параметрам и превосходили их [1].
Отметим, что в Институте кроме аналого-цифровой аппаратуры для автоматизированных систем управления и контроля, в создании которой автор
18
диссертации принимал активное участие, было разработано большое количество аналого-цифровых устройств для систем сбора данных в ядерно-физических экспериментах [31].
Переход в 1985-87гг. на стандарт КАМАК дал возможность унифицировать аппаратные средства в рамках всего Института, обеспечив их серийный выпуск в экспериментальном радиопроизводстве и стремительный рост количества автоматизированных систем управления на различных установках. Разработанная в тот период аналого-цифровая аппаратура, базирующаяся на стандарте КАМАК, длительное время оставалась, а во многих случаях остаётся и сейчас основным средством для измерений в системах автоматизации физических установок ИЯФ.
С начала 1990-х годов стало реальным использовать зарубежную элементную базу и к 2000-2003гг. в стандарте КАМАК был создан ряд новых блоков, с заметно улучшенными и метрологическими, и технологическими характеристиками. В качестве примеров можно привести КАМАК крейт-контроллер на базе процессора семейства МС68000, несколько новых моделей цифровых регистраторов формы сигналов, специализированный АЦП для пучковых диагностик и т.п. [32].
Рис. 1.4. КАМАК - модули двух поколений. Справа - плата разработанного в 1977г. функционально законченного,!-канального, 10-разрядного АЦП с быстродействием 1 мкс/отсчёт (АЦП-101). Слева - современная плата функционально законченного 2-х канального АЦП, имеющего 12 разрядов и 20 нс/отсчёт (АЦП-502), построенного на аналого-цифровых микросхемах фирмы Analog Devices, Inc.
19
В 1990-х годах Институт начал вести активную деятельность по разработке и изготовлению разнообразного физического оборудования, выполняя контракты с зарубежными и российскими научно-исследовательскими центрами. В эти годы развитие получили системы и аналого-цифровые устройства, предназначенные для использования в составе опытно-производственных установок и измерительных стендов. Если на начальном этапе этой деятельности автоматизированные системы опытно-производственных установок оснащались той же КАМАК-аппаратурой, что и физические установки, то в дальнейшем был специально разработан целый ряд устройств.
Так, например, для управления технологическими установками термической обработки создано более десятка автоматизированных систем [33]. Аппаратная часть систем базируется на специально разработанных для этих целей унифицированных модулях управления, включающих аналого-цифровые узлы, управляющий процессор, интерфейсные и силовые устройства. Изготовленные в заметных количествах, эти модули используются для промышленного выпуска разнообразного физического оборудования в Экспериментальном производстве ИЯФ [34, 35].
Для некоторых установок, как, например, сверхпроводящие вигглеры, создаваемых по контрактам и поставляемых заказчику «под ключ», система управления базировалась на широко применяемом в физических центрах магистрально-модульном стандарте УМЕ [36, 37]. Такое решение давало возможность быстро и безболезненно интегрировать систему управления поставляемого оборудования в глобальную систему всей установки. Работа в этом на-
Рис.1.5. Унифицированный модуль управления технологическим оборудованием для термической обработки.
20
правлении вскоре привела к созданию ряда УМЕ-модулей, которые стали использоваться не только в контрактных системах, но и для собственных нужд. Примером может служить комплект УМЕ-модулей для прецизионных магнитных измерений [38, 39]. Этот комплект (рис. 1.6), обеспечивающий в последние годы магнитные измерения в выпускаемом физическом оборудовании, позволил не только проводить их на новом, более совершенном научно-техническом уровне, но и стандартизовать методики, программное обеспечение и оборудование измерительных стендов.
Прогресс аппаратных средств автоматизации в большой мере определяется достижениями промышленности, выпускающей элементную базу. Если в 1960-х годах аналого-цифровой преобразователь занимал половину приборного шкафа, в 1970-х - один этаж этого шкафа, в 1980-х — один электронный блок, в 1990-х - одну печатную плату небольшого размера, то в настоящее время для изготовления функционально за-
конченного измерительного прибора достаточно нескольких микросхем, а для простых случаев - и одной микросхемы. Ещё более стремительно прогрессирует микропроцессорная техника. Вследствие этого всё большее распространение получают распределённые системы управления и встроенные средства измерения и контроля. В таких системах аналого-цифровая и цифроаналоговая аппаратура снабжается микропроцессором и средствами связи и монтируется непосредственно у объекта управления или встраивается в него. На больших физических комплексах преимуществом данного подхода является резкое сокращение объёма протяжённых сигнальных трасс, что облегчает решение од-
Рис.1.6. Набор УМЕ-модулей для прецизионных магнитных измерений.
21
ной из наиболее серьёзных проблем аналого-цифровых систем - проблемы качественной транспортировки сигналов.
В последнее время в мировых физических центрах большое распространение получил интерфейс, использующий шину CAN bus. В ИЯФ этот интерфейс также стал широко востребованным. Например, в системе управления комплексом ВЭПП-2000 задействовано около 1000 измерительных каналов, значительная часть из которых обслуживается встраиваемыми устройствами и использует протокол CAN bus [40]. Начиная с 2000 г. в Институте разработано большое количество встраиваемых аналого-цифровых устройств, использующих эту шину (см. Таблицу 1.1.) [41, 42].
Таблица 1.1. Аналого-цифровые и цифроаналоговые устройства с интерфейсом CAN bus
Название Краткая характеристика
CANDAC16 16-канальный, 16-разрядный ЦАП, 8-битовые входной и выходной регистры
CANADC40 40-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,03%), 8-битовые входной и выходной регистры
CDAC20 20-разрядный ЦАП, 5-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), 8-битовые входной и выходной регистры
CEDAC20 20-разрядный ЦАП, 5-канапьный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), 8-битовые входной и выходной регистры, формат Евромеханики
СЕАС51 20-разрядный ЦАП, 5-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), 8-битовые входной и выходной регистры, Евромеханика, Зи* 160 мм
СЕ АС 124 Прецизионные 4-канальный ЦАП и 12-канальный АЦП с входным/выходным регистрами с интерфейсом САКТыб, Евромеханика.
САС208 8-канальный 16-разрядный ЦАП, 20-канатьный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), 8-битовые входной и выходной регистры
СЕАС208 8-канальный 16-разрядный ЦАП, 20-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), 8-битовые входной и выходной регистры. Евромеханика
CKVCH Коммутатор высокочастотных сигналов 8>1, 2*(4>1), 4*(2>1)
CANIVA 16-канальный измеритель вакуума (тока магниторазрядного насоса)
САС168 8-канальный 16-разрядный ЦАП, 16-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,03%), входной и выходной регистры, встраиваемая плата