Комплекс программных средств систем автоматизации производства и контроля магнитных элементов ускорителей

В общем объеме оборудования ускорительно — накопительных комплексов особую роль играют магнитные элементы. Они определяют принципиальные параметры ускорительных установок, поэтому требования к качеству изготовления и точности измерения параметров магнитов является существенным и важным.

ИЯФ СО РАН, являясь крупным ускорительным центром, производит в больших объемах разнообразные магнитные элементы: дипольные магниты, квадрупольные, секступольные и октупольные магнитные линзы, нацеливающие катушки, устройства для генерации СИ (вигглеры и ондуляторы).

В последние полтора десятилетия в институте был освоен ряд производственных технологий, позволяющих изготавливать высокоточные и обладающие необходимыми электрическими и физическими свойствами магнитные элементы. Заметная часть этих технологий использует температурную обработку изделий [36−38].

В первую очередь речь идёт о магнитах, изготавливаемых из шихтованного железа методом горячей склейки. Магнитные элементы, выполненные по этой технологии, помимо хороших электрических характеристик могут иметь сложную конфигурацию, получаемую с высокими механическими допусками, чем обеспечивается и качество магнитных полей.

Магнит собирается в специальном стапеле из отштампованных с погрешностью до десятков микрометров листов стали, покрытых эпоксидным компаундом. Затем стапель с магнитом помещается в камеру — печь, где прогревается по определенному закону. В результате температурного воздействия покрытие листов размягчается, и за счет давления со стороны стапеля они спрессовываются. При температуре, на которой начинается полимеризация эпоксидного компаунда, изделие выдерживается один час, после чего выполняется плавный (чтобы исключить температурные градиенты) спуск температуры. Горячая склейка магнитов весом несколько сот килограмм требует около 20 часов, при больших массах длительность процесса может достигать нескольких суток. Ежегодно в институте с использованием технологии горячей склейки изготавливаются сотни разнообразных магнитов [37] [38].

Ещё одна хорошо освоенная технология применяется при изготовлении сверхпроводящих катушек из ниобий-олова, с помощью которых удается получать магнитные поля до 12−15Т. Для придания катушкам из ниобий-олова нужных свойств, ее, после намотки на сердечник, требуется отжечь в вакуумной печи. Отжиг производится в специальном контейнере, помещенном в вакуумный объем. Нагрев изделия должен производится со скоростью не выше 20 °C в час. Кроме того, при температуре выше 450 °C, где начинается активная стадия отжига, вакуум в печи должен поддерживаться лучше, чем 10″ 2 Па.

Существенным моментом процесса отжига сверхпроводящей катушки является его длительность — около 150 часов, а также заметная стоимость самого изделия и материалов. Это накладывает серьёзные требования к надежности и технологической установки, и системы управления. Для обеспечения высокой надёжности термопарные датчики, элементы управления нагревателями и сами нагреватели имеют резервирование. В функции системы управления входит своевременное обнаружение неисправности и ввод в работу резервных устройств.

Одной из наиболее больших и ответственных работ последних лет, выполненных в институте, был контракт по производству коммутационных сверхпроводящих шин (Bus Bars), магнитной системы LHC. Эта работа выполнялась в течение четырех лет [36].

Bas Bar — это длинная медная шина прямоугольного сечения, которая изогнута определенным образом. Длина шины, в зависимости от типа, может достигать 14 метров. Во внутреннюю полость шины вставляется сверхпроводящая жила, изготовленная из Nb-Ti.

Сечение сверхпроводящей жилы невелико, и в случае срыва сверхпроводимости протекающий по ней ток, составляющий несколько десятков килоампер, должен быть вытеснен на внешнюю медную оболочку, способную рассеять большую выделяющуюся мощность. Перехват тока на внешнюю оболочку будет эффективен, если обеспечен хороший электрический контакт между поверхностью сверхпроводника и внутренней поверхностью медной оболочки. Для этого все внутренние полости Bus Bar’a должны быть заполнены олово-серебрянным припоем. Кроме того, подобная монолитная конструкция устраняет подвижки сверхпроводника способные спровоцировать срыв сверхпроводимости.

Технология изготовления длинных, изогнутых в 3-х плоскостях Bus-Ваг'ов, включая пайку внутренних полостей, была предложена в ИЯФ’е. Операции в производственной цепочке требуют строгого соблюдения технологии.

Можно сформулировать ряд особенностей, присущих описанным выше технологическим установкам:

• Большая регулируемая мощность: от 10 кВт до 100 кВт.

• Большие массо — габаритные параметры изделий.

• Необходимость соблюдения соответствующего температурного графика для различных зон изделия.

• Общее количество зон, достигающее 10−15.

• Большая длительность температурного воздействия, составляющего в отдельных случаях 150 часов.

• Высокие требования к надёжности.

• Необходимость неоднократных тренировочных прогонов с использованием муляжей изделий.

• Необходимость паспортизации изделий с указанием режимов обработки.

Сказанное выше объясняет желание возложить на компьютер и автоматизированные системы функции управления технологическими установками для температурной обработки изделий, мониторинга оборудования, визуализации температурных полей, архивировании данных.

Подавляющее большинство магнитных элементов после их изготовления требуют прецизионного измерения характеристик, причём требования, предъявляемые к погрешности измерений, чаще всего превосходят требования, предъявляемые к параметрам магнитов в штатной работе. Это можно понять, если принять во внимание, что на успешность запуска и последующую работу ускорителя влияют многие факторы, и некоторый запас в параметрах магнитных элементов позволяет расширить диапазон, в котором может функционировать установка.

Для выпускаемых в ИЯФ СО РАН магнитных элементов производятся измерения карт магнитных полей, значения первых и вторых интегралов, градиенты полей, положение магнитных осей, величины мультипольных компонент и т. п. Одним из основных и, пожалуй, наиболее применяемых в ускорительной технике методов измерения магнитных полей является индукционный метод, использующий интегрирование сигнала со специализированных катушек. Хотя основы индукционного метода остаются неизменными на протяжении многих лет, аппаратура и программное обеспечение измерительных стендов постоянно совершенствуется, и эта работа не теряет своей актуальности, пока проектируются и строятся ускорители заряженных частиц.

Технология проведения измерений с помощью индукционного метода зависит от того, какие параметры магнитных элементов должны быть измерены. Рассмотрим, например, определение характеристик магнитных линз. Для элементов такого типа важно измерить величины пространственных гармоник магнитных полей, смещение и углы наклона магнитной оси, поворот плоскости линзы относительно гирдера. Все эти параметры определяются с помощью метода вращающихся катушек [7].

Один из способов измерения параметров магнитного поля с помощью этого метода заключается в следующем. Измерительную катушку помещают в апертуру магнитной линзы так, чтобы сторона, вокруг которой совершается вращение, была расположена вдоль оси линзы. После чего катушку начинают последовательно поворачивать вокруг своей оси на небольшой угол. На каждом из таких поворотов сигнал с катушки интегрируется и таким образом измеряется приращение тангенциальной составляющей магнитного поля. Если суммировать измеренные приращения, то получим зависимость величины магнитного поля линзы от угла поворота. Зная эту зависимость, можно определить остальные параметры мультиполя.

В качестве другого примера использования подвижных катушек для измерения параметров магнитных элементов можно рассмотреть задачу по измерению первого и второго интегралов магнитного поля встраиваемых в ускоритель устройств для генерации синхротронного излучения [8]. В этом случае измерительную катушку образуют две струны, натянутые вдоль измеряемого устройства и соединенные так, чтобы образовался рамочный контур. Одна из этих струн закреплена неподвижно, а вторая перемещается в магнитном поле. Если перемещать оба конца подвижной струны перпендикулярно полю на одинаковое расстояние, то интеграл по времени от наведенного сигнала будет пропорционален первому интегралу магнитного поля. А если один из концов струны закрепить неподвижно, а второй перемещать то будет измеряться второй интеграл.

При измерении импульсных магнитных элементов индукционные датчики закрепляются неподвижно, и сигнал с них интегрируется в известных временных границах. В зависимости от конструкции и расположения датчиков могут измеряться как интегральные характеристики импульсных полей, так выполняться и картографирование полей.

Относительные погрешности измерений параметров магнитов лежат в диапазоне 10″ 3 — 1СГ4, достигая в ряде случаев значений 10~5. Достижение такой точности проблематично без тщательной проверки и предварительного тестирования всего комплекса измерительных средств: датчиков, сигнальных трасс, аппаратуры аналого-цифрового преобразования, устройств позиционирования, источников питания. Зачастую эти подготовительные операции требуют большей работы, чем собственно измерения, т.к. необходимо создать методики, поверочные стенды и подготовить соответствующее программное обеспечение. Программное обеспечение, предназначенное для тестирования аппаратных средств магнитных измерений, в каком-то смысле можно считать более ответственным, чем программы для собственно измерительных стендов, т.к. оно позволяет определить базовые возможности аппаратуры.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что как на этапе изготовления магнитов, так и на последующем — проведении измерений и доводки параметров — средства автоматизации играют важнейшую роль, определяя качество магнитных элементов. Очевидно, что программное обеспечение систем автоматизации производства и измерений должно содержать целый комплекс программных продуктов, ориентированных на работу с различными установками, технологиями, методиками, измерительными стендами.

Создание такого комплекса программ и является целью данной диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие положения:

Концепция, согласно которой следует разрабатывать программное обеспечение измерительных систем и созданный на ее основе каркас (фреймворк).

Библиотека, обеспечивающая универсальный способ обмена данными между программным комплексом и аппаратными средствами систем управления, вне зависимости от использующихся интерфейсов связи.

Принцип построения единообразного, простого, интуитивно понятного пользовательского интерфейса прикладных программ.

Примененный подход к построению пользовательских программ измерительных систем, основанный на использовании созданного фреймворка.

Модульная структура и метод конфигурирования программ, управляющих температурной обработки магнитных элементов.

Создание на основе проведенного анализа и предложенных решений комплекса программ для автоматизации всех основных этапов производства магнитов ускорителей: изготовление отдельных элементов, измерение магнитных параметров, доработка и юстировка изделий, тестирование средств измерения.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ систем измерения магнитных полей и сформулированы ключевые требования к разрабатываемому программному комплексу:

Унификация и модульный принцип построения программ с целью сокращения времени на разработку и повышения надежности измерительного стенда;

Функциональная завершённость. Измерения, выдача данных «на станок» и формирование сертификата готового изделия выполняются одной программой.

Полнота. Программы и утилиты, применяемые для подготовки аппаратных средств и систем управления, являются частью программного комплекса.

2. Разработан оригинальный фреймворк, на основе которого создаются рабочие программы систем измерения магнитных элементов.

3. Создан комплекс программ для прецизионного измерения изготавливаемых и тестируемых магнитов. Входящие в комплекс программы позволяют измерять мультипольные компоненты магнитных линз, 1-й и 2-й интегралы полей, магнитные поля большой напряжённости, выполнять разбраковку постоянных магнитов по вектору напряженности поля. С их помощью были успешно измерены и доведены до требуемых значений:

Магнитных линз для DLS, SOLEIL, CLIC, ALBA, ОИЯИ.

Вигглеров-затухателей для PETRA-III (DESY).

4. Впервые в состав комплекса средств автоматизации магнитных измерений были включены утилиты для настройки и тестирования аппаратных средств измерительных систем. Библиотеки, служащие основой для этих утилит, создавались как часть фреймворка, и использовались при разработке прикладных программ, что существенно ускорило их создание, и значительно снизило затраты на тестирование.

5. Разработан оригинальный набор программ для управления производственными установками, с помощью которых был реализован ряд уникальных технологий температурной обработки магнитных элементов.

6. Разработаные программы, использованные при производстве:

Более 10 000 Bas Bars для LHC.

Радиационно-стойких магнитов для PSI (Швейцария) и GSI.

Германия).

Сверхпроводящие соленоидов и магнитов ВЭПП-2000, BESSY-II,.

SPring-8.

Дипольных магнитов накопителя SAGA.

Магнитных линз: DLS, SOLEIL, CLIC, ALBA, ОИЯИ. Дальнейшие работы по развитию программного комплекса предполагается вести по двум направлениям. Первое из них — это, так называемые «текущие доработки». К ним относится расширение набора программ, входящих в состав программного комплекса, включение в его состав новых аппаратных средств и алгоритмов. Кроме того, предполагается автоматизировать измерительный процесс, то есть, реализовать возможность проводить серии из измерительных циклов с различными параметрами при минимальном участии оператора.

Вторым направлением развития программного комплекса являются перспективные работы. В первую очередь речь идет об автоматизации процесса разработки новых измерительных программ и утилит для тестирования аппаратных средств. Для этого во фреймворке магнитных измерений следует реализовать поддержку плагинов (plugin). Подразумевается, что все аппаратные средства и алгоритмы измерений и обработки данных будут реализованы в виде загружаемых компонент. А сама программа будет «собираться» из них на этапе загрузки.

И последнее, что планируется добавить в программный комплекс автоматизации производства магнитных элементов, это — база данных, в которой будет сохраняться вся информация об изготовлении магнитов. Под этой информацией понимаются не только результаты измерений магнитных параметров и отчеты о термической обработке, но и данные о механических, электрических измерениях и испытаниях, и так далее. Такая база данных облегчит анализ проблем, возникающих, как правило, на начальных этапах производства, упростит документальное сопровождение изготовления магнитных элементов и даст возможность автоматизировать генерацию разнообразных отчетов. В итоге удастся ускорить разработку магнитов и повысить их качество.

В заключение выражаю глубокую благодарность научным руководителям работы А. М. Батракову и В. Р. Мамкину за руководство и помощь в процессе написания работы. А также выражаю искреннюю благодарность В. Р. Козаку, В. Я. Сазанскому, С. И. Звереву за разработку управляющего оборудования и помощь в его освоенииП.Д.Воблому, А. В. Уткину, А. А. Старостенко за критические замечания и отзывы о программном обеспеченииИ.В.Ильину, А. Б. Огурцову, П. В. Вагину, А. В. Павленко за совместное обсуждение проблем, возникавших при разработке программного комплексаи всем сотрудникам ИЯФ, участвовавшим в работе.

Заключение

.