РОССИЙССКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР
ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО – ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
(РФЯЦ-ВНИИЭФ)
На правах рукописи
УДК 539.1.07; 53.08:004; 001.89:004
Курякин Алексей Валерьевич
автоматизация ФИЗИЧЕСКих экспериментов на ТРитиевых комплексах ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ УСТАНОВок
«ТРИТОН», «АКУЛИНА» и «ПРОМЕТЕЙ»
Специальность: 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Саров 2010
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ
| ВНИИЭФ | – | Всероссийский НИИ экспериментальной физики, г. Саров |
| ОИЯИ | – | Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна |
| ЛЯР | – | Лаборатория ядерных реакций им. Флерова (ОИЯИ) |
| ЛЯП | – | Лаборатория ядерных проблем им. Джелепова (ОИЯИ) |
| СПбГУ | – | Санкт-Петербургский государственный университет |
| СПбГУТ | – | Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. М.А. Бонч-Бруевича |
| НИИФ СПбГУ | – | НИИ физики в СПбГУ |
| ТРИТОН | – | исследовательская установка для изучения мюонного катализа ядерных реакций синтеза на фазотроне ЛЯП ОИЯИ |
| АКУЛИНА | – | исследовательская установка для изучения экзотических, нейтронно-избыточных ядер на циклотроне U-400M ЛЯР ОИЯИ |
| ПРОМЕТЕЙ | – | исследовательский стенд для изучения явлений пропускания и накопления изотопов водорода в металлах, ВНИИЭФ |
| АСКУ | – | автоматизированная система контроля и управления |
| CRW-DAQ | – | CuRves in Windows – for Data AcQuisition – созданный автором пакет для автоматизации АСКУ, http://www.crw-daq.ru |
| ПК | – | персональный компьютер |
| ПО | – | программное обеспечение |
| ОС, OS | – | операционная система, operation system |
| ИК, IC | – | ионизационная камера, ionization camera |
| АЦП, ADC | – | аналого-цифровой преобразователь, analog - digital converter |
| МК, MCF | – | мюонный катализ (ядерных реакций), muon catalyzed fusion |
| КМ | – | конструкционные материалы |
| ИВ | – | изотопы водорода |
| ЯВУ | – | язык высокого уровня (C, Pascal, Fortran,…) |
| VM, ВМ | – | Virtual Machine, Виртуальная Машина |
| RTDB | – | Real Time Data Base – база данных реального времени |
| SCADA | – | Supervisory Control And Data Acquisition |
| ШИМ | – | широтно-импульсная модуляция |
| МНК | – | метод наименьших квадратов |
| ROI | – | region of interest, область интереса |
| JIT | – | Just In Time, принцип компиляции «на лету» |
| DIM | – | Distributed Information Manager, http://dim.web.cern.ch |
| МКИ | – | метод концентрационных импульсов |
| MDI | – | multi-document interface, многодокументный интерфейс |
| HTTP | – | Hyper Text Transfer Protocol – сетевой протокол Internet |
Оглавление
Введение 4
1. Программное обеспечение для автоматизации измерений на установке высокого давления ТРИТОН 12
1.1. Установка ТРИТОН для исследования мюонного катализа ядерных реакций 12
1.2. Структура тритиевого комплекса установки ТРИТОН 13
1.3. Аппаратурное и программное обеспечение АСКУ тритиевого комплекса 15
1.4. Инструментальный программный пакет для автоматизации физических экспериментов 17
1.4.1. Общая структура пакета 20
1.4.2. Компоненты пакета 22
1.5. Автоматизация комплекса подготовки газовой смеси и системы радиационного контроля 54
1.6. Управление сменными мишенями и измерение параметров газовой смеси 57
1.7. Анализ молекулярного состава газовой смеси 60
1.8. Результаты экспериментов на установке ТРИТОН 62
1.9. Выводы 65
2. Управление системами для подачи изотопов водорода циклотрона У-400М и комплексом тритиевой мишени на установке АКУЛИНА 67
2.1. Установки АКУЛИНА 67
2.2. Управление системой подачи ИВ в ионный источник циклотрона У400М 68
2.3. Управление комплексом тритиевой мишени 73
2.4. Результаты экспериментов на установке АКУЛИНА 80
2.5. Выводы 82
3. Автоматизация экспериментов на исследовательском стенде ПРОМЕТЕЙ 83
3.1. Исследовательский стенд ПРОМЕТЕЙ 83
3.2. Аппаратура для автоматизации стенда ПРОМЕТЕЙ 91
3.3. Программное обеспечение для автоматизации экспериментов на стенде ПРОМЕТЕЙ 96
3.3.1. Управление газовакуумной системой 96
3.3.2. Управление нагревателями фильтров, источников и ловушек ИВ 99
3.3.3. Измерения на исследовательских ячейках 101
3.3.4. Масс-спектрометрические измерения 103
3.3.5. Система радиометрического контроля 105
3.4. Результаты экспериментов на стенде ПРОМЕТЕЙ 108
3.5. Выводы 109
Заключение 110
Список использованных источников 113
Приложение. Особенности реализации инструментального пакета CRW-DAQ 120
1. Системы реального времени и отказоустойчивые системы 120
2. Примеры калибровок 127
3. Интерпретатор языка DaqScript 129
4. Реализация динамических расширений DPE 131
5. Построение отказоустойчивых систем управления 133
6. Работа АСКУ как навигация в фазовом пространстве 137
7. Распределенные АСКУ на базе DIM и WEB технологий 142
8. Конфигурирование измерительных систем CRW-DAQ 149
9. Система ограничения прав доступа к АСКУ 151
10. Особенности программной реализации пакета CRW-DAQ 153
11. Листинги 165
Введение
Работа выполнена в ходе создания исследовательских установок «ТРИТОН» и «АКУЛИНА» на ускорителях в Объединенном Институте Ядерных Исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и исследовательского комплекса «ПРОМЕТЕЙ» в Российском Федеральном Ядерном Центре - Всероссийском НИИ Экспериментальной Физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров).
Актуальность темы
В РФЯЦ-ВНИИЭФ интенсивно развивается тематика [1], связанная с изучением взаимодействия изотопов водорода (ИВ) с конструкционными материалами (КМ). Это обусловлено, в частности, потребностями развития современных направлений в энергетике – созданием ядерных реакторов нового поколения, созданием материалов и топливного цикла термоядерных реакторов, а также созданием материалов и инфраструктуры водородной энергетики [2].
В начале 90-х годов началось интенсивное научно-техническое сотрудничество между РФЯЦВНИИЭФ и ОИЯИ в области исследований мюонного катализа (МК) [3] ядерных реакций синтеза и исследований структуры экзотических легких ядер и ядерных систем, находящихся на границе нейтронной стабильности. В этих исследованиях для получения пучков заряженных частиц и в качестве мишеней используются изотопы водорода и их смеси.
Экспериментальные и теоретические исследования МК ведутся в Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ с 60-х годов. Здесь было открыто и объяснено явление резонансного образования молекулы dd [4], скорость которого сильно зависит от температуры, что обуславливает необычное свойство МК – зависимость ядерной реакции синтеза ИВ от температуры, плотности и состава смеси. В 1992 г. было предсказано [5], что скорость резонансного образования dtмолекулы в тройной H/D/T смеси намного выше, чем в бинарной D/T смеси.
Для исследований МК и нахождения оптимальных условий протекания МК в H/D/Tсмесях в 1995 г. в низкофоновой лаборатории фазотрона ЛЯП ОИЯИ началось создание установки ТРИТОН [6], предназначенной для исследования процессов МК реакций синтеза в смесях ИВ в широком диапазоне температур, давлений и концентраций. По условиям эксперимента в мишени должно находится до 10 кКи (3,7·1014 Бк) трития, а в закрытом источнике - до 100 кКи [7]. Поэтому важной частью установки является автоматизированный радиационно-безопасный комплекс высокого давления для работ с тритием [8,9].
В 2000 г. в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) ОИЯИ началась подготовка к экспериментам по получению и изучению нуклонно-нестабильных ядер 4H и 5H на установке АКУЛИНА [10,11]. Для этих экспериментов требовалось обеспечить пучок ускоренных ионов трития [12,13] и создать жидкую тритиевую мишень со стенками толщиной несколько микрон, в которой находится до 1 кКи (3,7·1013 Бк) трития [14,15], и систему контроля и управления для нее [16].
Задача создания радиационно-безопасных тритиевых комплексов и мишеней на установках ТРИТОН и АКУЛИНА решалась в РФЯЦВНИИЭФ, где накоплен большой опыт работы с изотопами водорода.
Для изучения взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами в 2001 г. в РФЯЦ-ВНИИЭФ создан исследовательский комплекс низкого давления ПРОМЕТЕЙ [17,18], позволяющий безопасно работать со всеми изотопами водорода, включая тритий. На нем с 2001 г. ведутся исследования проницаемости и сверхпроницаемости ИВ через металлические мембраны, а также явлений проникновения, накопления и диффузии водорода в металлах и конструкционных материалах.
Функционирование указанных исследовательских тритиевых комплексов и проведение на них физических экспериментов без высокого уровня автоматизации невозможно. Системы автоматизации тритиевых комплексов должны обеспечивать высокую надежность управления и измерения физических и технологических параметров. Кроме того, для безопасного проведения работ на этих комплексах требуется непрерывный мониторинг объемной активности трития в газовых коммуникациях и воздушной среде рабочих помещений, оповещение персонала при возникновении опасных ситуаций, а также наличие автоматических блокировок для предотвращения аварийных ситуаций.
Все эти обстоятельства обуславливают актуальность данной работы.
Цели и задачи работы
Целью диссертационной работы являлась автоматизация физических экспериментов на установках ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ, предназначенных для проведения фундаментальных и прикладных исследований с использованием изотопов водорода (в том числе трития) в ОИЯИ и РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
- Создана инструментальная программная среда для быстрой разработки высоконадежных распределенных автоматизированных систем контроля и управления (АСКУ) физическими экспериментами на исследовательских установках, оснащенных газовакуумными комплексами для работы с изотопами водорода, включая тритий.
- Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для систем сбора данных и управления тритиевых комплексов и мишеней установок, предназначенных для проведения экспериментов по мюонному катализу ядерных реакций (ТРИТОН) и экспериментов по изучению легких нейтронно-избыточных ядер (АКУЛИНА) на ускорителях ОИЯИ.
- Решена задача автоматизации исследований на стенде ПРОМЕТЕЙ, предназначенном для изучения взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами в РФЯЦВНИИЭФ, а также проводимых на нем физических измерений.
Научная новизна работы
Разработана оригинальная инструментальная программная среда (пакет CRWDAQ), дающая качественно новые возможности для быстрой разработки высоконадежных многопоточных и многомашинных распределенных систем автоматизации физических измерений и управления для научных исследований в области тритиевых технологий. Пакет CRW_DAQ зарегистрирован в государственном реестре РФ [19].
Впервые созданы системы автоматизированного управления и сбора данных для тритиевых комплексов и мишеней, обеспечивающие в условиях неспециализированных лабораторий высокий уровень радиационной безопасности и надежности при проведении экспериментов с большими количествами трития (исследовательские установки ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ).
Автоматизированный тритиевый комплекс установки ТРИТОН позволил впервые в экспериментах с D/T-смесями получить параметры цикла мюонного катализа dt-реакции в широком диапазоне температур 20-800 K, плотностей 0,2-1,2 LHD (плотность жидкого водорода) и концентраций трития 1586%.
С использованием автоматизированной системы подачи изотопов водорода в ионный источник циклотрона У-400М и автоматизированного комплекса тритиевой мишени на сепараторе АКУЛИНА впервые были изучены резонансные уровни нейтронно-избыточных ядер 4H и 5H.
Автоматизированный стенд низкого давления ПРОМЕТЕЙ позволил впервые экспериментально подтвердить явление сверхпроницаемости для трития и измерить скорость мембранной откачки трития через ниобиевые и ванадиевые мембраны при различных давлениях и температурах.
Практическая ценность работы
Разработанный инструментальный пакет CRWDAQ использовался для разработки программного обеспечения автоматизированных тритиевых комплексов установок ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ. Кроме того, с его помощью автоматизированы исследования диффузии водорода в металлах в НИИФ СПбГУ и СПбГУТ, а также разработана система управления охлаждением и термостабилизацией спектрометра фотонов PHOS [20] в эксперименте ALICE [21] на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРН [22,23].
Автоматизированные тритиевые комплексы установок ТРИТОН и АКУЛИНА позволили провести исследования процессов мюонного катализа в смесях изотопов водорода в широком диапазоне температур, давлений и концентраций [24,25,26,27,28,29,30,31,32,33], получить нейтронно-избыточные ядра 4Н и 5Н и изучить их характеристики [34,35,36,37,38,39],
На автоматизированном стенде ПРОМЕТЕЙ проведены исследования явления сверхпроницаемости изотопов водорода через металлы, а также исследования явлений накопления и пропускания трития металлами и конструкционными материалами [40,41,42,43,44,45,46].
Опыт, накопленный при создании автоматизированных тритиевых комплексов установок ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ обобщен в ряде публикаций [47,48,49,50,51], и может быть использован при решении задач автоматизации других экспериментальных установок, в которых применяются изотопы водорода.
Личный вклад автора
Проанализированы требования к программному обеспечению для автоматизации тритиевых комплексов исследовательских установок и разработан программный пакет CRW-DAQ (около 140 тысяч строк кода) – инструментальная среда для разработки высоконадежного программного обеспечения для их автоматизации.
Решен ряд методических вопросов высоконадежного сбора данных и управления узлами комплекса подготовки газовой смеси (КПГС) и мишеней установки ТРИТОН, установки для подачи изотопов водорода в ионный источник циклотрона У-400М, комплекса жидко-тритиевой мишени установки АКУЛИНА и измерительных ячеек исследовательского стенда ПРОМЕТЕЙ.
Разработана основная часть алгоритмов сбора данных и управления для АСКУ тритиевых комплексов установок ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ.
Автор участвовал в подготовке и проведении большинства физических экспериментов, выполненных на установках ТРИТОН и АКУЛИНА, а также в подготовке экспериментов на стенде ПРОМЕТЕЙ.
На защиту выносятся
- Инструментальная программная среда (пакет CRW-DAQ), дающая качественно новые возможности для разработки высоконадежных, отказоустойчивых, радиационно-безопасных распределенных автоматизированных систем контроля и управления газовакуумными комплексами исследовательских установок, работающих с изотопами водорода, включая тритий.
- Методические решения и программное обеспечение для автоматизации уникальных тритиевых мишенных комплексов на установках ТРИТОН и АКУЛИНА, созданных для изучения мюонного катализа ядерных реакций синтеза в смесях изотопов водорода и для изучения нейтронно-избыточных легких ядер, образующихся при взаимодействии пучка ионов трития с тритиевой мишенью, а также управления системой подачи изотопов водорода в ионный источник циклотрона для получения тритиевого пучка.
- Система автоматизации управления, технологических и физических измерений на установке низкого давления ПРОМЕТЕЙ, предназначенной для изучения явлений сверхпроницаемости изотопов водорода, а также накопления и пропускания трития металлами и конструкционными материалами.
Апробация работы
Материалы, представленные в диссертации, докладывались на семинарах во ВНИИЭФ (г. Саров), ОИЯИ (г. Дубна); на 1, 2 и 3 международных семинарах "Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами (IHISM)", Саров'2001, Саров'2004, Санкт-Петербург'2007; международном Уральском семинаре "Радиационная физика металлов и сплавов", Снежинск'2003; на 1 и 7 международных конференцях "Мюонный катализ и связанные экзотические атомы. CF-01, CF-07 ", Япония, Шимода'2001, Дубна'2007; международной конференции по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, Саров'2001; международных симпозиумах по экзотическим ядрам, Байкал'2001, Ладога'2004; международной конференции по тритиевой науке и технологиям, Германия, Баден-Баден'2004.
Публикации
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 20 печатных работах, в том числе 16 в реферируемых журналах: ВАНТ – 4, ЖЭТФ – 2, Материаловедение – 2, Приборы и техника эксперимента – 1, Известия РАН – 1, Ядерная Физика - 1, Nuclear Instruments and Methods – 2, Fusion Science and Technology – 2, Physics Letters B – 1.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и приложения. Общий объем 119 страниц. Диссертация содержит 57 рисунков, 6 таблиц и список использованных источников из 81 наименований.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, определены цели работы, изложены научная новизна и значимость, отмечена научная и практическая ценность работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена вопросам автоматизации комплекса подготовки газовой смеси (КПГС) и мишеней, созданных в РФЯЦВНИИЭФ для установки ТРИТОН (ЛЯП ОИЯИ, г. Дубна), предназначенной для изучения процессов МК ядерных реакций в H/D/T-смесях в диапазоне температур 20800 К, давлений до 160 МПа и активности трития в свободном состоянии до 10 кКи (3,7·1014 Бк).
Описан разработанный автором инструментальный программный пакет CRW-DAQ [19,47,48,49,50,51], предназначенный для разработки высоконадежных систем автоматизации газо-вакуумных комплексов исследовательских установок.
Описана структура многомашинной системы сбора данных и управления для комплекса подготовки газовой смеси и мишеней. Обсуждаются вопросы автоматизации при подготовке смесей ИВ, измерении их изотопного и молекулярного состава, измерения и стабилизации параметров смеси ИВ в мишенях различного типа, радиометрических измерений.
Приведены результаты большой серии экспериментов по изучению МК в D/T и D/D смесях, выполненных на установке ТРИТОН В 1997-2004 гг.
Вторая глава содержит краткое описание системы подачи изотопов водорода в ионный источник циклотрона У400М, жидко-тритиевой мишени и комплекса её газового обеспечения на установке АКУЛИНА, предназначенной для экспериментов по изучению нуклонно-нестабильных легких ядер в ЛЯР ОИЯИ (г. Дубна).
Обсуждаются аппаратурные и программные особенности управления системой подачи ИВ в ионный источник, управления комплексом мишени при ее заполнении тритием, высокоточной стабилизации температуры мишени, а также радиационного контроля.
Приведены результаты использования этих автоматизированных систем при получении пучка ускоренных тритонов и подготовке криогенных мишеней (дейтериевой и тритиевой) в экспериментах по получению и изучению ядер 4H, 5H.
Третья глава содержит описание автоматизированного тритиевого комплекса низкого давления исследовательского стенда ПРОМЕТЕЙ, созданного в РФЯЦВНИИЭФ. Основное внимание уделено вопросам управления экспериментами по изучению проникновения и накопления ИВ в металлах методом концентрационных импульсов (МКИ) и изучению явлений сверхпроницаемости ИВ через металлические мембраны. Описана система радиометрического контроля по тритию, предназначенная для обеспечения радиационной безопасности при эксплуатации стенда. Приведены данные о проведенных на автоматизированном стенде ПРОМЕТЕЙ экспериментах.
В заключении формулируются основные результаты, полученные в диссертационной работе.
В приложении приводятся дополнительные сведения о методических и программных решениях, которые применялись при реализации пакета CRW-DAQ и АСКУ тритиевых комплексов ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ. Обсуждаются вопросы пострения отказоустойчивых систем управления реального времени. Рассматриваются вопросы создания распределенных многомашинных систем управления с использованием разработанного в ЦЕРН протокола DIM и WEB- технологий. Обсуждаются детали реализации встроенных в пакет CRW-DAQ языков программирования. Приводятся дополнительные схемы и таблицы, иллюстритующие устройство и работу АСКУ тритиевых комплексов ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ.
- Программное обеспечение для автоматизации измерений на установке высокого давления ТРИТОН
- Установка ТРИТОН для исследования мюонного катализа ядерных реакций
Явление мюонного катализа ядерных реакций синтеза изотопов водорода [3] состоит в том, что мюон µ- способен замещать электрон в молекулах ИВ, образуя мезомолекулы (pp, pd, pt, dd, dt, tt). Масса мюона в ~200 раз больше массы электрона и мезомолекула в ~200 раз меньше обычной молекулы, поэтому ядра d, t сближаются настолько, что могут туннелировать через кулоновский барьер, и инициировать реакцию синтеза, например:
| d+t+µ=4He+n+µ+17.6MeV | ( | 1 | ) |
Поскольку мюон не участвует в реакции, он может инициировать следующую реакцию синтеза, выступая катализатором ядерной реакции, подобно обычным катализаторам в химии. Процесс МК ограничен временем жизни мюона и химическими факторами: скоростью образования мезомолекул и «прилипанием» мюона к радиогенному гелию при образовании мезоатома, которое действует подобно «отравлению» катализатора в химии. Важной особенностью МК является зависимость течения ядерной реакции синтеза от макроскопических (температура T, плотность, давление P) и химических (состав H/D/T смеси) условий, влияющих на образование мезомолекул.
Для исследования мюонного катализа (МК) ядерных реакций синтеза в H/D/Tсмесях в диапазоне температур 20800К, давлений до 160 МПа и активности трития в свободном состоянии до 10 кКи (3,7·1014 Бк) на мезонном пучке фазотрона ЛЯП ОИЯИ в 1996 году была создана установка ТРИТОН. Эта работа проводилась в рамках программы научно-технического сотрудничества РФЯЦ-ВНИИЭФ и ОИЯИ (Дубна).
Установка ТРИТОН состоит из ядерно-физического и тритиевого комплексов. Ядерно-физический комплекс (Рис.1,а) создан специалистами ЛЯП ОИЯИ для регистрации частиц от реакций d-t синтеза и распада мюонов [25]. Сцинтилляционные счетчики 1, 2, 3 и пропорциональный счетчик 4 регистрируют прохождение мюона в мишень. Детекторы полного поглощения ND1, ND2 регистрируют нейтроны, возникающие в реакции d-t синтеза. Пропорциональный счетчик 5 и сцинтилляторы 1-e, 2-e регистрируют электроны от распада мюонов.
а)
б)
Рис.1. Ядерно-физический (а) и тритиевый (б) комплекс установки ТРИТОН.
В задачу специалистов РФЯЦ ВНИИЭФ входило создание радиационно-безопасного тритиевого комплекса, обеспечивающего безаварийную работу с нужными количествами трития в условиях неспециализированной лаборатории [7].
- Структура тритиевого комплекса установки ТРИТОН
Тритиевый комплекс (Рис.1,б) служит для подготовки смеси ИВ требуемого изотопного состава, заполнения мишени, контроля и стабилизации температуры и давления в мишени, контроля радиационной обстановки. Он включает комплекс подготовки газовой смеси (КПГС) [6], криогенную установку [52] и сменные мишени: жидко-тритиевую мишень (ЖТМ) [53], тритиевую мишень высокого давления (ТМВД) [54], дейтериевую мишень высокого давления (ДМВД) [55]. В него также входят: система анализа состава газовой смеси (САГС) [56,57], система радиационного контроля по тритию (СРК) [58] и АСКУ [8].
Конструктивно КПГС (Рис.2) состоит из 10 связанных между собой подсистем (Рис.3). Герметичный бокс, где находятся основные элементы КПГС, обеспечивает подготовку смеси заданного состава и её подачу к мишени. Вакуумный пульт выполняет вакуумирование рабочих газовых коммуникаций, утилизацию основного количества тритийсодержащей газовой смеси и молекулярный анализ газовой смеси. Ресивер нужен для сброса «хвостов» газовой смеси с выхлопов форвакуумных насосов. Установка газовой очистки нужна для очистки газовых смесей от следов трития и его соединений, находящихся в герметичных объемах (боксе, ресивере и т.п.). Установка раннего предупреждения предотвращает выброс в атмосферу газовых смесей, содержащих тритий выше установленных норм. Сборка насосов вакуумирует ресивер, газовые линии, герметичные технологические объемы и т.п. Баллонный пост обеспечивает подачу диффузионно-чистого протия и дейтерия к КПГС, заполнение герметичных технологических объемов инертным газом и питание газового радиохроматографа газом-носителем. Система радиометрического контроля следит за состоянием элементов КПГС и радиационной обстановкой в рабочей зоне. Электрический пульт дает ручное управление и контроль КПГС и мишени.
![Схема газовых коммуникаций КПГС установки ТРИТОН [6]. -6](/images1/409584/shema-gazovih-kommunikaciy-kp.jpg)
Рис.2. Схема газовых коммуникаций КПГС установки ТРИТОН [6].
BS1-BS2 генераторы протия и дейтерия; BS3 генератор трития; BS4 смесевой генератор; BS5, BS6 - урановые ловушки; BS7 ловушка адсорбционная; PA преобразователь ионизационный ПМИ2; PT преобразователь термопарный; CV1, CV2 емкости; CV3 ресивер; CV4 емкость водородная; D1, D2 датчик давления "Сапфир-22-Ех-М"; М тритиевая мишень высокого давления; TH тягонапорометр; IC камера ионизационная; NM насос магниторазрядный; ND насос диффузионный; NJ насос форвакуумный; РР ротаметр; Р пробоотборник; Т выключатель гидравлический; К конвертор; А адсорбер; BD воздуходувка; BW фильтр маслоотбойный; F1F3 фильтры диффузионные; BL баллоны с газами; F4F6 фильтры аэрозольные; V вентили; E клапаны электромагнитные; PD стрелочные манометры, вакууметры и моновакууметры; КР клапан предохранительный; RD газовые редукторы; VT клапан вентиляционный; СИЗ средства индивидуальной защиты.
Для такой сложной установки, с учетом ее радиационной опасности, необходима система автоматизированного управления. Управление комплексом при этом значительно упрощается, становится более надежным и предсказуемым, снижается влияние на устойчивость работы установки “человеческого фактора” (замедленная реакция, ошибки по невнимательности), что особенно важно при круглосуточной, непрерывной работе на установке во время сеанса измерений.
Рис.3. Структурная схема КПГС. D – точки дозиметрического контроля.
На АСКУ возложен ряд задач – это обеспечение технологических измерений (измерения температур, давлений и вакуума) и управление узлами комплекса (вакуумными насосами, вентилями и клапанами), регулирование температуры источников и фильтров; измерение изотопного и молекулярного состава газовой смеси для наполнения мишени, измерение и поддержание параметров газовой смеси в мишени в ходе эксперимента. Она также служит для блокировки исполнительных устройств (при возникновении аварийно-опасных ситуаций), аварийного оповещения в случае радиационной опасности, ведения протокола эксперимента, визуализации состояния комплекса в реальном времени и первичной математической обработки данных.
- Аппаратурное и программное обеспечение АСКУ тритиевого комплекса
АСКУ конструктивно выполнена в виде трех подсистем в сети Ethernet, каждая базируется на своем ПК (Рис.4). PC_1 обеспечивает работу КПГС [6] и СРК [58], PC_2 – работу с мишенью (ЖТМ [53], ТМВД [54] и ДМВД [55]), а PC_3 – контроль САГС [56,57]. Такое разделение учитывает необходимость наблюдения большого количества физических и технологических параметров одновременно, а также совместной работы группы операторов со всеми подсистемами комплекса. При этом КПГС и СРК используются непрерывно, от подготовки сеанса до его завершения, подсистема мишени - при подготовке, заполнении и эксплуатации мишени, а САГС - периодически для изотопного анализа проб газовой смеси.
Рис.4. Общая структура АСКУ тритиевого комплекса.
АСКУ построена в виде распределенной сети интеллектуальных модулей, связанных с управляющим компьютером по стандарту RS232 и RS485. В ней используется 23 измерительных устройств, включая 17 модулей серии I-7000, 2 контроллера TPG-256, 3 интеллектуальных контроллера КРО и карту цифрового ввода-вывода DIO-144. Суммарно система имеет 140 измерительных каналов, включая 101 цифровых и 39 аналоговых, при этом управляющими являются 30 каналов (Таблица 1).
Таблица 1. Список измерительных каналов АСКУ ТРИТОН.
| Измерение и управление | Каналов | Тип канала | |
| ТРИТОН - КПГС | |||
| Термопарные измерения температуры нагревателей источников | 8 | аналоговый | |
| Управление нагревателями источников | 8 | дискретный | |
| Контроль обрыва спиралей нагревателей источников | 8 | дискретный | |
| Управление релейной блокировкой нагревателей источников | 8 | дискретный | |
| Измерение низких давлений датчиками вакуума фирмы Balzers | 2 | RS-232 | |
| Контроль вакуума лампами ПМТ-4 | 4 | аналоговый | |
| Контроль тока ламп ПМТ-4 | 4 | аналоговый | |
| Измерение высоких давлений тензометрическими датчиками | 6 | аналоговый | |
| Измерение давлений датчиками типа «Сапфир» | 2 | аналоговый | |
| Контроль состояний датчиков давления воды | 4 | дискретный | |
| Контроль состояний ручных вентилей с датчиками положения | 48 | дискретный | |
| Управление электромагнитными клапанами | 9 | дискретный | |
| Контроль состояний электромагнитных клапанов | 9 | дискретный | |
| Контроль объемной активности трития в рабочем помещении | 4 | RS-485 | |
| ТРИТОН - мишень | |||
| Термопарные измерения температуры нагревателя мишени | 1 | аналоговый | |
| Управление нагревателем мишени | 1 | дискретный | |
| Контроль обрыва спирали нагревателя мишени | 1 | дискретный | |
| Управление релейной блокировкой нагревателей мишени | 1 | дискретный | |
| Контроль состояний ручных вентилей с датчиками положения | 2 | дискретный | |
| Измерение температуры мишени криогенными термодиодами | 2 | аналоговый | |
| Стабилизация температуры мишени | 1 | аналоговый | |
| Измерение давления датчиком типа «Сапфир» | 1 | аналоговый | |
| Измерение высокого давления тензометрическими датчиками | 2 | аналоговый | |
| ТРИТОН - радиохроматограф | |||
| Измерение сигнала датчика по теплопроводности | 1 | аналоговый | |
| Управление диапазоном ЭМУ-2 | 2 | дискретный | |
| Измерение тока ионизационной камеры | 1 | аналоговый | |
Для аналогового и дискретного контроля и управления узлами КПГС используются модули серии I7000 фирмы ICP DAS, выбор которых обоснован в разделе 1.4.2.7. Для контроля вакуума служат датчики фирмы Balzers, подключенные к контроллерам TPG-256, оснащенным интерфейсом RS232. Для контроля состояний вентилей и клапанов используется карта дискретного ввода/вывода DIO144 на шине ISA. Для контроля радиационной обстановки и анализа газовой смеси используется специальное оборудование (разделы 1.5, 1.7).
Программное обеспечение АСКУ комплекса, являющегося распределенной многомашинной системой, разработано базе описанного ниже инструментального пакета CRWDAQ [19]. Ядро пакета запускается на всех компьютерах АСКУ при старте ОС. Конкретная программа работы на каждом компьютере определяется загружаемым файлом конфигурации на языке DAQ Config (раздел 1.4.2.5). Конфигурационные файлы ссылаются на прикладные программы, содержащие алгоритмы управления на языке DAQ Pascal, калибровки, мнемосхемы и другие ресурсы.
- Инструментальный программный пакет для автоматизации физических экспериментов
Современные промышленные системы автоматизации обычно строятся на базе серийной модульной цифровой измерительной аппаратуры и промышленных компьютеров [59], с использованием специализированных программных инструментов (SCADA), позволяющих скрыть от разработчика прикладных программ сложность системного программирования, предоставив ему простой программный интерфейс для создания прикладных алгоритмов управления. Для решения стандартных задач автоматизации в промышленности обычно используются коммерческие пакеты SCADA (Lab View, Trace Mode, WinCC и т.д.), коды которых разработчику не предоставляются.
Для автоматизации исследовательских установок и физических измерений использование таких пакетов затруднено по ряду причин. Так, например, в тритиевых комплексах исследовательских установок применяется специальное измерительное оборудование - аппаратура для вакуумных измерений, масс-спектрометрии, газовой радиохроматографии и изотопного анализа H/D/T смесей; техника для измерений в области криогенных температур; устройства для контроля объемной активности трития в технологических объемах и воздушной среде. При использовании закрытых коммерческих пакетов возникают проблемы с драйверами нестандартных устройств. Кроме того, тритиевые установки являются опасными объектами и требуют полной предсказуемости поведения системы управления, которую трудно гарантировать при использовании закрытых пакетов.
По этим причинам открытое ПО представляется более привлекательным для поставленных задач. Открытый исходный код дает полную информацию о деталях работы системы управления, позволяя сделать её поведение более предсказуемым и надежным. Другое важное достоинство открытого ПО – полный контроль над развитием проекта и независимость от конкретного производителя. Судьба таких крупных фирм, как DEC, Sun, Borland, Ericson и других показывает, что «фирменность» еще не является гарантией устойчивого развития проектов ПО.
По указанным причинам с 1996 года во ВНИИЭФ была начата разработка собственного инструментального программного пакета, названного CRW-DAQ, предназначенного для решения двух основных задач - разработки систем сбора данных и управления, а также для первичной обработки измеренных экспериментальных данных [47,48,49,50,51]. В 2006 г. пакет был официально зарегистрирован в государственном реестре Российской Федерации [19].
Название пакета (CuRves in Windows for Data AcQuisition) отражает идею создания графически ориентированной среды для физиков-экспериментаторов, в которой работа происходит в основном с графиками данных (кривыми в окнах), а не с таблицами, как в ряде других пакетов. Пакет разрабатывался на языке Object Pascal с помощью компилятора Delphi 5 [60]. Пакет работает в операционных системах Windows-NT/2000/XP/Vista/7 и использует возможности вытесняющей приоритетной многозадачности, предоставляемые ядром Windows-NT. Для АСКУ тритиевых комплексов достаточен программный опрос с периодом 110 мс, которого позволяет добиться потоковая модель Windows-NT, так как основные исполнительные устройства (клапаны, насосы, нагреватели) требуют времени реакции порядка 100 мс, см. также Приложение 1.
Учитывая большое число и сложность SCADA систем, их сравнение могло бы стать темой отдельного исследования. Таблица 2 содержит лишь краткое сравнение пакета CRW-DAQ с другими. Достоинства отмечены зеленым цветом, а недостатки - желтым. Ряд различий нельзя однозначно отнести к достоинствам или недостаткам. Так, текстовая среда разработки является и недостатком (её труднее осваивать), и достоинством (она дает возможность автоматизации поиска\замены переменных, сравнения версий программ, анализа кода и т.д.).
Таблица 2. Сравнение пакета CRW-DAQ с другими.
| Свойство | CRW-DAQ | LabView, WinCC и т.д. |
| Ориентация | Исследования | Промышленность |
| Тип лицензии | Открытая, свободная | Закрытая, коммерческая |
| Поддержка и развитие | Силами лаборатории с 1998 | Фирменная |
| Документация | Есть, достаточная | Есть, обширная |
| Книги, журналы | Нет | Есть |
| Примеры, шаблоны | Есть, много | Есть |
| Исходный код, Открытость реализации | Открытый, Принцип «ЗНАЮ КАК» | Закрытый, Принцип «ЧЕРНЫЙ ЯЩИК» |
| Зависимость от фирмы | Никакой | Полная |
| Лицензионные ограничения | Нет | Есть, зависит от продукта |
| Среда разработки | Текстовая | Визуальная |
| Синхронизация версий ПО | Есть (на базе windiff) | Нет (двоичные коды) |
| Система калибровки | Есть, развитая | Готовой нет |
| Самодиагностика, мониторинг, журналирование | Есть, развитая | Готовой нет |
| Многопоточность | Есть, всегда | Потенциально |
| Компиляция «на лету» | Есть, не прерывая измерений | Нет, требуется перезагрузка |
| Отказоустойчивость | Есть, виртуальная машина | Потенциально |
| Драйверы серийных устройств | Есть, достаточно | Есть, очень много |
| Драйверы спец. устройств для тритиевых комплексов | Есть, легко добавить новые | Нет, но можно добавить |
| Разработка драйверов спец.устр. | Есть, встроенная | Есть, требует доп.инструментов |
В таблице нет сравнения по ряду численных ограничений (максимальное число каналов, частота опроса и т.д.), т.к. сравнение параметров закрытого коммерческого ПО с открытым ПО, где такие ограничения легко снимаются перекомпиляцией программы с другими параметрами, лишено всякого смысла.
Резюмируя, можно сказать, что разработанный пакет, не претендуя на конкуренцию с промышленными гигантами, в то же время хорошо подходит для своего круга задач (автоматизация исследовательских установок). Успешную автоматизацию и эксплуатацию установок ТРИТОН, АКУЛИНА, ПРОМЕТЕЙ и других можно рассматривать как подтверждение этого.
- Общая структура пакета
Программное обеспечение АСКУ в пакете CRW-DAQ делится на два класса: базовое и прикладное (Рис.5). Это разделение облегчает техническую поддержку АСКУ и позволяет повысить надежность прикладных программ.
Рис.5. Структура программного обеспечения АСКУ в пакете CRW-DAQ.
Базовое ПО – это сам пакет CRW-DAQ, обеспечивающий единую для всех АСКУ совмещенную графическую среду разработки и исполнения, а также единый программный интерфейс и встроенные языки программирования. Базовое ПО пакета можно условно разделить на подсистемы CRW и DAQ (Рис.5).
Подсистема CRW не связана прямо со сбором данных и управлением. Она содержит средства и библиотеки общего назначения для визуализации и графического интерфейса (GUI), математической обработки данных (Math), включает программный интерфейс (API) для динамических расширений (DPE), систему ограничения прав доступа (Guard), библиотеки поддержки драйверов устройств и сетевых протоколов (DIM,TCP/IP,HTTP), инструменты разработчика, справочную систему и т.д. Эту часть пакета можно использовать автономно, например, для наблюдения и offline обработки измеренных данных.
DAQ содержит средства для разработки, запуска (Control) и исполнения (Runtime) кода прикладных АСКУ, ПО для которых создается с помощью встроенных ЯВУ (DAQ Config, DAQ Pascal) и программных интерфейсов (DAQ API). Ядром исполнительной системы DAQ служит база данных реального времени (RTDB), где хранятся все переменные состояния АСКУ, нужные для её работы.
Прикладное ПО реализует специфику конкретной измерительной системы и содержит средства, индивидуальные для каждой АСКУ. Оно располагается в отдельном каталоге, не входящем в базовую инсталляцию пакета CRW-DAQ, и состоит из конфигурационных файлов, задающих параметры и структуры данных, и прикладных программ, задающих алгоритмы управления и написанных на встроенных в пакет языках прикладного программирования.
Таким образом, пакет CRW-DAQ является самодостаточной инструментальной средой и не требует для создания ПО АСКУ дополнительных программ (редакторов и компиляторов), кроме операционной системы Windows и драйверов устройств, поставляемых вместе с серийным оборудованием. При этом пакет CRW-DAQ служит средой разработки и исполнения прикладного ПО АСКУ.
- Компоненты пакета
- Компоненты для организации графического интерфейса пользователя
Для визуализации измеряемых данных в реальном времени и организации диалога с пользователем в пакете CRW-DAQ (Рис.5) разработан компонент CRW GUI (Graphics User Interface), содержащий многооконный графический интерфейс, основанный на принципе MDI (Multi Document Interface) и реализованный с помощью библиотеки VCL (Visual Component Library). Основными элементами GUI являются окна – редакторы, консольные окна, двух и трехмерные графики, мнемосхемы, таблицы и диалоговые окна. Принцип MDI означает, что главное окно программы (Рис.6) является контейнером, внутри которого содержатся дочерние окна, не выходящие за пределы главного окна.
Рис.6. Внешний вид графического интерфейса главного окна пакета CRW-DAQ.
Заголовок (1); панель меню (2); панель инструметров (3); строка статуса (4); индикатор прав доступа (5); индикатор реального времени (6); индикатор памяти (7); индикатор календарного времени (8); индикатор языка (9); холст (основное поле) для дочерних MDI окон, включая редакторы текста (10), консольные окна (11), мнемосхемы (12), графики (13) и таблицы (14).
Для редактирования текстов прикладных программ и конфигураций реализованы текстовые окна (Рис.6.10) нескольких типов: простой текст, редактор программ DAQ Pascal, редактор программ Object Pascal и т.д. Кроме обычных команд текстового редактора, эти окна содержат ряд зависящих от типа окна специальных функций. Например, команда компиляции вызывает внутренний (для программ DAQ Pascal) или внешний (для программ Object Pascal) компилятор для преобразования текста программы в исполняемый код, команда запуска выполняет откомпилированный исполняемый код, а команда справки вызывает контекстную справку с описанием используемого компилятора.
Для отображения текстовой информации в реальном времени разработаны консольные окна (Рис.6.11), специально оптимизированные для работы в многопоточном режиме с помощью FIFO буферов для ввода/вывода пользовательской информации на экран. Поэтому процедуры консольного ввода-вывода (readln, writeln) в прикладных программах не мешают работе алгоритмов реального времени. Это делает консольное окно универсальным средством отображения, пригодным как для диагностики и отладки, так и для интерфейса с пользователем. Команды копирования/вставки позволяют переносить консольный вывод реального времени в текстовые окна для последующего анализа.
Для отображения текущих численных значений измеряемых величин в реальном времени разработаны окна таблиц (Рис.6.14), также оптимизированные для работы в многопоточном режиме.
а) б)
Рис.7. Окна для отображения графиков кривых (а) и поверхностей (б).
Для отображения математических зависимостей в виде графиков в реальном масштабе времени разработаны окна кривых (Рис.6.13, Рис.7,а). Математические зависимости y(x) представлены в пакете CRW-DAQ своим дискретным аналогом – кривой, т.е. упорядоченным массивом точек (xi,yi), i=1…N. Чаще всего абсцисса x соответствует времени, а ордината y – некой измеряемой величине. Массив абсцисс обычно упорядочен по возрастанию времени, т.е. xi+1xi. Окно кривых содержит коллекцию (список произвольной длины) кривых, одна из которых может быть выбрана для отображения или проведения над ней операций обработки данных.
Окна кривых играют важную роль в пакете CRW-DAQ, так как к ним привязаны команды математической обработки данных. Файловые команды позволяют создавать окна, загружать или сохранять данные в файле. Командами редактирования можно удалять, вырезать, копировать или вставлять кривые. Команды курсора мыши позволяют выбирать мышью видимый фрагмент окна, увеличивать и уменьшать его, копировать или переносить кривые из окна в окно методом «Drag & Drop», выделять прямоугольную область интереса ROI (Region Of Interest). Командами масштабирования можно увеличивать, уменьшать и сдвигать пределы графика, а также задавать их вручную или автоматически. Команды настройки служат для редактирования цвета, толщины и стиля кривой, сопроводительного текста кривой, внешнего вида окна. Команды выбора позволяют указать кривые для последующих операций. Команда клонирования создает копию окна вместе со всеми данными. Команда табулирования генерирует текстовую таблицу выбраной кривой для экспорта данных в другие пакеты. Команда печати не только печатает на принтере, но и позволяет копировать окно в буфер обмена, как в виде изображения, так и в виде текстовой таблицы. Это позволяет легко переносить данные из окна в стандартные пакеты (Word, Excel) путем «печати» в буфер обмена и вставки в электронную таблицу. Команды вызова математических утилит позволяют обрабатывать измеренные данные с помощью динамически загружаемых расширений DPE (dynamic plug-in extension) в виде DLL, написанных на языке Object Pascal, или при помощи макросов на языке DAQ Script. Эти команды дают доступ к десяткам уже готовых утилит обработки данных (математического анализа, фильтрации, сглаживания), а также к средствам разработки новых утилит для вновь возникающих задач (см. раздел 1.4.2.4).
Для отображения графиков функций двух аргументов z(x,y) в виде аксонометрической проекции их «каркаса» на равномерной прямоугольной сетке (xi,yi) созданы окна поверхностей (Рис.7,б). Исходные данные z(x,y) могут быть заданы на любой сетке в виде массива (xi,yi,zi), т.к. для вычисления функции используется линейная 3-точечная интерполяция и триангуляция Делоне [61]. Окна поверхностей применяются для offline обработки данных после измерений.
Для эффективной работы АСКУ должна иметь интуитивно понятный интерфейс пользователя. Поэтому измерительным и исполнительным устройствам должны соответствовать визуальные элементы в виде общепринятых и очевидных для специалистов данной области (газовые установки, физика ИВ) изображений.
Рис.8. Главная мнемосхема КПГС установки ТРИТОН.
Для создания таких интерфейсов разработаны окна мнемосхем (Рис.6.12). Они содержат постоянное основное поле в виде растрового изображения, на котором помещены сенсоры – чувствительные к действиям пользователя элементы мнемосхемы, представленные растровыми изображениями, которые могут меняться в зависимости от состояния связанных с ними элементами данных (тегами или кривыми). Для газовых установок в качестве основного поля мнемосхемы обычно берется изображение схемы газовых коммуникаций (Рис.8). В качестве сенсоров выступают условные изображения физических устройств: клапанов, вентилей, нагревательных элементов, насосов, атомизаторов, датчиков воды, ионизационных камер и т.д. На больших установках мнемосхем может быть много – главная мнемосхема и несколько вспомогательных. Главная мнемосхема позволяет быстро оценить состояние установки в целом и вызвать мнемосхемы, позволяющие работать с отдельными подсистемами более подробно.
Рис.9. Модель взаимодействия потоков визуализации и управления в пакете CRW-DAQ.
При реализации графического интерфейса (Рис.9) целью ставилась в первую очередь быстрая реакция программы на события в системе управления в реальном времени. Поэтому все окна (консоли, мнемосхемы, таблицы, графики кривых) оптимизированы для работы в многопоточном режиме и не влияют на работу высокоприоритетных измерительных потоков. Для этого поток визуализации и измерительные потоки изолированы друг от друга и взаимодействуют не прямо, а только через промежуточный компонент – тщательно оптимизированную и хорошо защищенную базу данных реального времени RTDB, содержащую общие для потоков данные (теги, кривые, FIFO буферы). Сбор данных и управление идет в измерительных потоках с высоким приоритетом и периодом опроса ~110 мс, данные записываются в RTDB. Для обновления изображения применяется низкоприоритетный поток с таймером ~55 мс, выбранным исходя из типичного времени реакции человека. Это снижает взаимное влияние потоков до минимума.
Главным достоинством такой организации GUI является независимость потоков друг от друга, позволяющая измерительным потокам с высоким приоритетом вытеснять низкоприоритетные потоки визуализации, когда потребуется, что необходимо для задач управления в реальном времени.
- Компоненты для математического анализа данных
Одним из необходимых инструментов физика-экспериментатора являются средства цифровой фильтрации и сглаживания, так как измеренные данные обычно дискретны по времени и амплитуде, зашумлены и искажены помехами.
Для online обработки измеряемых данных в реальном времени, а также для offline обработки измеренных данных в интерактивном режиме в пакете разработан компонент CRW Math (Рис.5). Он содержит математические библиотеки, программные интерфейсы, а также графически-ориентированные средства для математического анализа измеренных данных, фильтрации, сглаживания, импорта и экспорта данных в стандартные математические пакеты (Excel, Origin и т.д.).
Пусть имеется массив измеренных данных
,
, дающий дискретное приближение к неизвестной зависимости 
. Измеренный сигнал обычно содержит помехи (электромагнитные наводки, электронный шум, квантование по амплитуде и т.д.), поэтому его можно представить в виде
 ,  | ( | 2 | ) |
где 
- обобщенная ошибка, включающая все виды помех.
Восстановление сигнала (2) с помехами является некорректной задачей, разрешимой лишь при наличии дополнительной априорной информации о нем. Это может быть параметрическая модель, когда искомая кривая 
подгоняется модельной функцией 
с обобщенным параметром 
, или общие свойства сигнала: непрерывность, монотонность и т.д. Соответственно методы сглаживания делятся на параметрические, требующие аналитической модели зависимости 
, и непараметрические, использующие лишь качественную информацию о сигнале.
Задачу сглаживания можно сформулировать как процедуру получения устойчивой по отношению к помехам оценки 
значения 
в произвольной точке 
с помощью некоторого метода с обобщенным параметром 
, которая с одной стороны удовлетворяет априорной информации о сигнале, а с другой наиболее близка к измеренным данным. В частности, делая оценки в узловых точках 
, получаем сглаженный массив 
. В качестве критерия близости к измеренным данным берется, например, невязка
 | ( | 3 | ) |
т.е. взвешенная сумма квадратов отклонений с некоторыми весами 
. Таким образом, при сглаживании всегда присутствует компромисс между априорной (теоретической) и апостериорной (экспериментальной) информацией о сигнале.
Задачи управления связаны с выработкой сигналов управления в петле обратной связи на основе оценки 
. Они требуют обработки в режиме online, в реальном времени, и это накладывает на методы обработки особые требования.
Своевременность оценки требует, чтобы она получалась за предсказуемое, ограниченное время, чтобы АСКУ успела вовремя выдать управляющий сигнал. Некоторые итеративные методы не имеют предсказуемого времени расчета.
Однозначность оценки требует, чтобы метод давал единственную оценку, иначе система управления не сможет выработать реакцию. Например, метод наименьших квадратов (МНК), может давать несколько решений (локальных минимумов), поэтому может оказаться непригодным для задач управления.
Надежность оценки требует гарантии получения разумного значения 
при любых, даже сильно поврежденных входных данных, т.к. АСКУ в любом случае обязана выработать какой-то сигнал управления. Некоторые итеративные методы ненадежны, т.к. итерации могут не сходиться.
Оценка должна выполняться на основании выборки 
, которая может быть ограничена причинно и исторически. Причинное ограничение связано с тем, что при получении оценки 
в момент 
доступны только прошлые по времени данные, а не вся зависимость, как в offline режиме. Будущие измерения еще не выполнены, поэтому выборка 
может содержать только данные о прошлом:
 : | ( | 4 | ) |
Историческое ограничение возникает, если из-за недостатка времени или памяти для обработки доступен только небольшой объем данных не более 
точек:
 : | ( | 5 | ) |
Выборки 
в задачах управления часто расположены на случайной сетке, когда условие постоянства шага по времени не соблюдается:
 | ( | 6 | ) |
Так, неравномерность поступления данных наблюдается в распределенных АСКУ, где измерения идут на нескольких независимых компьютерах или контроллерах, а измеренные данные поступают по сети Ethernet, RS-232, RS-485, CAN и т.д. Неравномерность сетки ограничивает применение таких методов, как цифровые фильтры или wavelet анализ, рассчитанных на постоянную сетку по времени.
В то же время выборки 
в измерительных задачах практически всегда монотонны по времени, т.е. содержат упорядоченные по абсциссе данные:
 | ( | 7 | ) |
так как они получены в реальном времени, в ряде последовательных измерений. Это позволяет применять процедуры быстрого двоичного поиска в массивах данных, что резко ускоряет вычисления.
Указанные особенности обработки данных в реальном времени сильно повлияли на выбор алгоритмов, включенных в пакет CRW-DAQ.
Для использования параметрических методов сглаживания в пакете CRW-DAQ реализована библиотека функций минимизации по МНК для линейных и нелинейных моделей. Он относится к нелокальным, нелинейным параметрическим методам, может работать с данными на случайной сетке. В качестве оценки 
принимается значение 
, где искомый параметр 
находится процедурой минимизации функции невязки в виде взвешенной суммы квадратов:
 | ( | 8 | ) |
В качестве весов берутся обратные величины 
дисперсии 
измерений в i-й точке или единичные веса 
, если дисперсии неизвестны. Библиотека МНК доступна как набор функций CRW API на языке Object Pascal, а также в виде готовых инструментов с графическим интерфейсом.
В библиотеке МНК реализовано 8 алгоритмов [66]: симплексный метод Нелдера-Мида (Nelder-Mead), метод сопряженных градиентов Флетчера-Ривза (Fletcher-Reeves), квази-Ньютоновские методы Давидона, Давидона-Флетчера-Пауэлла (Davidon, Fletcher, Powell), Бройдена (Broyden), Пирсона (Pearson), Заутендайка (Zoutendijk), Стюарта (Steward). Алгоритмы Нелдера-Мида и Стюарта не требуют вычисления аналитического градиента, что на практике является достоинством, но работают надежно лишь при небольшой размерности ( 5 параметров). Другие методы требуют вычисления градиента целевой функции и обладают квадратичной сходимостью, т.е. требуют конечного числа итераций, если целевая функция является квадратичной формой. На практике наиболее устойчивыми из них оказались методы Давидона-Флетчера-Пауэлла и Бройдена.
При правильном выборе модели МНК дает высокую точность оценки, но имеет ряд практических недостатков. Он требует знания модельной функции для подгонки (что часто недостижимо), использует для расчетов весь массив данных, на практике ограниченный причинно (4) и исторически (5), не имеет (в общем случае) предсказуемого времени расчета, не всегда дает однозначный результат (если есть несколько локальных минимумов), не является надежными (нет гарантии сходимости). Поэтому в общем случае параметрические методы и МНК полезны для offline анализа, но менее пригодны для online задач управления.
Методы непараметрического сглаживания пытаются подавить шум, используя лишь качественную априорную информацию о поведении сигнала (непрерывность, монотонность и т.д.) и не требуют знания конкретной параметрической функции, что на практике является достоинством. Их можно разделить на локальные и нелокальные методы; линейные и нелинейные методы; методы для случайной и регулярной сетки [61,62,63,64].
Локальные («оконные») методы используют для оценки 
не всю выборку 
, а только окрестность («окно») вблизи точки 
. Так, в качестве окрестности можно взять выборку из точек, попадающих в локальную 
- окрестность точки x
 | ( | 9 | ) |
Другой вариант выбора окрестности x дает алгоритм k ближайших соседей. Этот метод делает выборку 
, содержащую 
ближайших к точке x узлов 
. Заметим, что различие методов проявляется только при нерегулярной сетке 
. В случае 
ширина окна постоянна, а число точек выборки зависит от плотности узлов 
в окрестности точки 
. В случае 
наоборот число точек выборки постоянно, а ширина окна меняется. Используя для расчета небольшую часть данных, локальные методы в общем случае имеют более низкую точность, чем нелокальные, однако они хорошо приспособлены для задач online обработки в реальном времени, т.к. работают существенно быстрее нелокальных и имеют предсказуемое время расчета. Поскольку данные обычно упорядочены по времени (7), это позволяет даже при случайной сетке 
(6) делать выборку 
быстрыми алгоритмами двоичного поиска [65]. Кроме того, причинные (4) и исторические (5) ограничения на выборку не служат помехой для локальных методов. Поэтому локальные непараметрические методы [64] являются основным инструментом сглаживания в системах управления [59]. Например, к ним относятся цифровые и медианные фильтры, методы локального усреднения.
Нелокальные методы используют для оценки 
весь массив данных 
. Например, это Фурье и wavelet анализ, сглаживание сплайнами [61,62]. Эти методы полезны для offline анализа, но для online обработки менее пригодны из-за относительно длительных расчетов, а также причинных (4) и исторических (5) ограничений на выборку, доступную в момент измерений.
Линейные методы отличаются тем, что оценка 
линейно зависит от измеренных данных 
. Они хорошо изучены теоретически, дают однозначный и надежный результат, предсказуемое время расчета, поэтому могут использоваться как для offline анализа, так и для online обработки в реальном времени. К ним относятся, например, цифровые фильтры и локальное усреднение.
Нелинейные методы отличаются тем, что оценка 
нелинейно зависит от измеренных данных 
. Они меньше изучены теоретически и носят чаще всего эмпирический характер. Примером локального нелинейного метода является медианный фильтр, используемый для подавления локальных «выбросов».
Рис.10. Диалог сглаживающего сплайна.
В пакете CRW-DAQ реализованы сглаживающие сплайны [61,62]. Это однозначный, надежный, линейный, нелокальный метод, имеющий предсказуемое время расчетов, может работать на случайной сетке 
. Он доступен как набор функций CRW API на языке Object Pascal, а также как готовый инструмент с графическим интерфейсом для диалогового выбора параметра гладкости (Рис.10). Сплайны чаще применяют в offline анализе, а не в задачах АСКУ, поскольку метод нелокальный. Исключением являются калибровки, так как стандартные таблицы калибровок (Таблица 3) в пакете интерполируются сплайнами.
Сглаживающий кубический сплайн ищет оценку 
в виде функции 
, которая на каждом отрезке 
,
представляет полином 3 степени
 | ( | 10 | ) |
и которая дважды непрерывно дифференцируема на интервале 
, то есть принадлежит классу функций 
, и при этом минимизирует функционал:
 | ( | 11 | ) |
