Задача ускорительного комплекса (УК) СКИФ – сформировать пучок электронов и, разогнав его до нужной скорости, инжектировать в накопительное кольцо, которое также является частью УК. Циркулируя в накопительном кольце по круговой орбите со скоростью, близкой к скорости света, электронный пучок генерирует синхротронное излучение (СИ) для пользователей ЦКП «СКИФ». УК представляет собой комплекс больших электрофизических установок, включающих множество сложных систем. Одной из них является система питания магнитных элементов, которая обеспечивает движение частиц в ускорителях и каналах транспортировки УК. Всего в составе УК СКИФ насчитывается более 2500 источников питания магнитных элементов. Все они будут находиться под управлением программно-аппаратного комплекса (ПАК), который разработали специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). ПАК отвечает за функционирование всех частей ускорительного комплекса, поэтому его еще называют мозгом и нервной системой установки. Основной элемент ПАК – это контроллеры, специальные электронные устройства с собственным программным обеспечением, которые и будут задавать и контролировать отработку тока для каждого источника питания по заданному сценарию.
Ускорительный комплекс ЦКП «СКИФ» включает в себя источник электронов, линейный ускоритель, бустерный синхротрон, каналы транспортировки пучков электронов и основное кольцо – накопитель электронов, на котором установлены специализированные устройства для генерации СИ. Все эти установки и устройства работают согласовано между собой и обеспечивают генерацию СИ, которое поступает на пользовательские станции. Уникальные характеристики излучения позволят проводить на СКИФ самые передовые научные и технологические исследования во множестве областей: химии, физике, материаловедении, биологии, геологии, археологии, гуманитарных науках.
«Основные элементы всех перечисленных установок ускорительного комплекса – это электромагниты, которые обеспечивают циркуляцию электронного пучка в бустере и накопителе, а также прохождение частиц по каналам транспортировки, – прокомментировал научный сотрудник ИЯФ СО РАН Павел Чеблаков. – Ускорительный комплекс СКИФ будет включать более двух с половиной тысяч магнитных элементов, и почти такое же количество прецизионных специализированных источников питания, которые будут питать током их обмотки возбуждения. К таким устройствам на подобных физических установках предъявляются очень высокие требования по точности и стабильности отработки. Например, относительная стабильность отработки большинства источников питания для ускорительного комплекса ЦКП “СКИФ” составляет 0.01 %, а в ряде случаев этот параметр будет достигать 0.002 %. То есть, выдавая в нагрузку максимальный ток, например, 900 ампер, источник питания в течение длительного времени должен отрабатывать это с точностью лучше, чем 20 миллиампер. Промышленность не производит такие прецизионные источники питания ни в каком диапазоне выдаваемой мощности, потому что на них нет широкого спроса, но в ИЯФ СО РАН имеются все компетенции, требующиеся для их разработки и изготовления».
Для ускорительного комплекса ЦКП «СКИФ» разработано и произведено 16 типов источников питания общим количеством 2550 штук. Управлять ими будут контроллеры – специальные электронные устройства, оснащенные программным обеспечением и объединенные в единый программно-аппаратный комплекс. В первую очередь контроллер формирует так называемую уставку тока, то есть задание на величину выходного тока для источника питания. После этого контроллер отслеживает выполнение задания и корректность процесса изменения величины тока. Важные функции контроллера – обеспечение непрерывного синхронного мониторинга состояния управляемого устройства, а также интеграция в общую распределенную систему управления ускорительного комплекса, что означает доступность данных о состоянии управляемого устройства в любой момент времени для любого программного приложения, входящего в систему управления. Для управления каждым источником питания будет использоваться индивидуальный контроллер. В силу большого разнообразия управляемых устройств будет разработано по меньшей мере восемь типов контроллеров, но все они имеют одинаковый интерфейс и объединены в единую систему управления локальной сетью Ethernet. Контроллеры имеют модульный конструктив, что дает возможность легко адаптировать их для управления как существующими, так и будущими источниками питания, а применение встроенной операционной системы Linux делает их свободно программируемыми, позволяя с легкостью применять как уже существующее программное обеспечение, так и разрабатывать новое.
«В создании контроллеров участвуют специалисты по разработке электронного оборудования и специалисты по написанию программного обеспечения, – добавил Павел Чеблаков. – Несмотря на то, что эти области смежные, все же они требуют различных компетенций, поэтому для получения хорошего продукта необходимо, чтобы у них было как можно меньше точек соприкосновения в рамках реализации проекта. В программировании это называется принципом инкапсуляции – каждый специалист видит только определенный интерфейс, который необходим ему в работе, остальная часть системы для него представлена в виде "черного ящика". Такой подход используется при разработке больших и сложных систем, он позволяет избежать запутанных связей между компонентами системы. Мы применили этот подход при разработке контроллеров, провели некую границу зон ответственности межу электронщиками и программистами, и получили хорошо работающий результат».
Одна из моделей контроллеров источников питания магнитных элементов ускорительно комплекса ЦКП «СКИФ», построенная на основе разработанного программно-аппаратного комплексаП. ЧеблаковНа данный момент специалисты ИЯФ СО РАН совместно с партнерами разработали и выпустили ряд контроллеров разных типов для работы с различными источниками питания. Их работа опробована на тестовых стендах, а также на линейном ускорителе – части ускорительного комплекса ЦКП «СКИФ», в которой формируется пучок электронов.
«У контроллеров есть электрические характеристики, такие как точность, быстродействие, а есть программные, отвечающие за логический аспект их работы, за их поведение, – пояснил Павел Чеблаков. – На данный момент в рамках стендовых испытаний наши контроллеры продемонстрировали свой базовый функционал, но впереди нас ждет проверка и отладка их программных характеристик, а это уже более сложная и трудоемкая работа, которая по-настоящему начнется только при запуске оборудования УК».
Разработанные в ИЯФ СО РАН контроллеры являются основной частью программно-аппаратного комплекса, который и будет управлять всеми источниками питания УК СКИФ.
«На ускорительных установках мы работаем с сущностью, которая двигается практически со скоростью света, – добавил Павел Чеблаков. – За три наносекунды электронный пучок пролетает около метра, а это значит, что многие элементы системы управления ускорительного комплекса должны работать в этой же временной шкале, с высокой точностью. Представьте, что все задания для двух с половиной тысяч источников питания выдаются синхронно, когда требуется какая-то перестройка и изменение величины тока в магнитах, все это делается очень быстро и согласованно во времени. Наличие большого количества элементов питания, их разнообразие, высокие требования по точности и быстродействию – все это потребовало от нас сделать процесс управления источниками питания разных типов максимально простым и унифицированным, чтобы с каждым типом контроллера можно было взаимодействовать одинаковым образом. Примененный на УК СКИФ программно-аппаратный комплекс позволяет достаточно просто вводить в систему управления новые контроллеры или адаптировать под новую задачу уже имеющиеся, то же самое касается и ввода в работу новых источников питания. Функциональные возможности, заложенные в наш программно-аппаратный комплекс, очень богатые, и я вижу в этом большое достижение, мы гордимся нашей разработкой».