Отдел автоматизации экспериментов на реакторах
Заведующий отделом В. В. Марченков, канд. техн. наук

Электронное и программное обеспечение экспериментальных исследований

В.И.Кадашевич, В.В.Марченков.

Краткая историческая справка

   Отдел электронного обеспечения физических исследований на реакторах, ныне именуемый как ОАЭР, за годы своего существования неоднократно менял свою структуру, название, статус (техническое подразделение, научное, а в настоящее время - научно-техническое в составе Отделения нейтронных исследований ПИЯФ). Однако главная его функция все время оставалась неизменной. Она заключалась во всемерной поддержке электронными и вычислительными средствами экспериментальных работ, проводимых физическими исследовательскими подразделениями ОНИ (ранее Лаборатории нейтронных исследований).

    Условно всю тридцатипятилетнюю историю Отдела можно расчленить на четыре больших этапа. Такое деление связано, главным образом, с головокружительными темпами развития электроники и вычислительной техники, достижения которых быстро становились достоянием специалистов по электронике, работающих в области автоматизации научных исследований, и определяли их возможности. Существенно отметить, что временные границы этапов размыты и приведенная ниже шкала достаточно условна.

Этапы Временная
привязка
Стандарты
Техника
Результаты
Начальный
(оригинальн.)
1960-1968 радиолампы,
транзисторы
МСС-8
СОФИ
ИРЦ ЛНИ 1968-1978 ячейки от
"МИНСК22",ИС
Измерит.- регистр.
центр ЛНИ
Мини и
микро-ЭВМ
1974-1985 КАМАК,
СИС, БИС.
Системы
КАМАК
ПС и VAX 1985-1996 КАМАК, VME,
VXI, БИС и СБИС
Системы
КАМАК, VME, VXI

    Первый этап можно назвать временем "свободного полета". Мысль разработчика не ограничивалась стандартами, готовыми решениями, все приходилось делать с "нуля". Полет фантазии ограничивался, главным образом, техническими возможностями имевшихся в распоряжении технических средств.
   На втором этапе использование конструктива и логических ячеек "Минск-22" позволило в очень короткий срок реализовать проект ИРЦ. Степень свободы мысли также была весьма велика.
   На третьем этапе возможности проектировщика упирались в ту технику, которой он располагал. Достаточно сравнить, например, PDP-8 или PDP-11/05 с перфоленточным вводом, на базе которых строились первые системы в ЛНИ, с PDP11/40, имеющей НМД. На этом этапе безусловную фору получили организации, располагавшие большими ресурсами. Теперь уровень и оригинальность разработок скрывалась на уровне конструирования модулей, написания программ. Интегральная оценка общего уровня системы ЛНИ усложнилась и стала доступна только квалифицированному пользователю.
    На четвертом этапе к созданию систем подключилось множество непосредственных пользователей (имеется в виду математическое обеспечение и комплектование). Эффективность использования вычислительных средств потеряла былую актуальность, поскольку ПС состоит в разряде "частной" собственности, а сервера-вычислители, если они используются, включены круглосуточно. Свобода разработчика и пользователя ограничена рамками стандартов, но взамен появилась возможность общения со всем миром (например, через Internet).

    ОАЭР возник в начале 60-годов с момента пуска реактора ВВР-М. Формирование молодого коллектива началось в стенах ФТИ, конкретно, в лаборатории ядерной изомерии, возглавляемой Л.И.Русиновым. Непосредственное участие в подборе кадров и их начальной стажировке принимал руководитель радиогруппы В.Б.Черняев. Из числа принятых сотрудников своей энергией и отношением к делу резко выделялся М.Н.Иванов, который вскоре и возглавил эту группу, затем переименованную в службу ядерной электроники. Надо сказать, что в ее составе оказалось много случайных людей, которые не задержались в институте на долгий срок. Но выбор руководителя оказался удивительно удачным. Прекрасный специалист, активный человек, неутомимый труженик - Михаил Никандрович заложил основные принципы отношения к делу, которые на многие годы определили стиль работы Отдела.

    Главным фактором, обеспечившим быстрый творческий рост и значительные успехи службы, было формирование творческого ядра, бесспорным лидером которого являлся главный инженер филиала ФТИ С.Н. Николаев. Сергея Николаевича отличал широкий кругозор, умение сконцентрировать усилия людей на главной цели, поддержать интересное предложение сотрудника любого ранга, наконец, просто человечность и доброжелательность. Помимо С.Н.Николаева и М.Н.Иванова, костяк этого центра составляли зам. зав. ЛНИ И.А.Кондуров и В.И.Кадашевич. И.А.Кондуров, будучи физиком по образованию и роду деятельности, хорошо разбирался в электронике и привносил свое видение проблемы, а В.И.Кадашевич был одним из немногих тогда электронщиков, умевших работать с полупроводниковыми приборами и освоивших основы ядерной электроники.

    Как известно, процесс получения информации в ходе (или после) научного эксперимента можно расчленить на ряд процедур: задание условий опыта, съем информации (собственно измерение), представление данных (зачастую, связанное с их предварительной обработкой), окончательная обработка, осмысление полученных результатов. На разных этапах развития экспериментальной техники актуальность автоматизации того или иного этапа приобретает особое значение.

    Если обратиться к началу 60-годов, то, как это сегодня не покажется странным, примитивное состояние средств отображения информации (цифропечати, дисплеев) заставляли специалистов изыскивать собственные решения. Так, в нашем Отделе в те годы выполнялись работы по оснащению выпускаемых промышленностью анализаторов типа "Радуга" цифропечатью. В качестве печатающих устройств использовались телеграфные аппараты СТ-35 или (позднее) электроуправляемые машинки ЭУМ-23.

Краткое содержание научно-технической деятельности

Начальный этап автоматизации экспериментов в ЛНИ

    Начальный этап автоматизации экспериментов характеризовался достаточно простыми отношениями с физиками, т.е. поступала конкретная заявка и под нее делалась конкретная разработка. Примерами таких решений могут служить двухканальный и десятиканальные приборы, разработанные для исследований по изучению эффекта Мёссбауера.
   Детальный анализ деятельности радиогруппы начала 60-годов показал невысокую эффективность подобного подхода. В результате многосуточных диспутов были сформулированы принципы дальнейшей деятельности службы. Суть их сводилась к следующему.

  • Все физические эксперименты подразделяются на две группы: малоканальные и многоканальные. В основе такого разделения лежит тот физический факт, что в первом случае функция изучаемого явления снимается по точкам, а во втором - мы имеем дело непосредственно с полным распределением.
  • Для обеспечения задач первой группы было принято решение разработать универсальный прибор с запоминающим устройством на ферритовых сердечниках и выводом информации на ЭЛТ и цифропечать. Число входных каналов - 8.
  • Учитывая сложность и недостаточность многоканальных измерительных приборов (анализаторов), пришли к идее построения коллективной системы с общим блоком памяти и группой переключаемых входных устройств, которые могут перераспределяться между пользователями.

    Реализация первой задачи привела к созданию многовходовой счетной системы МСС-8. В этом приборе для запоминания данных использовался блок ферритовой памяти с подекадным обращением, что резко сократило общее число транзисторов, информация выводилась на малогабаритную ЭЛТ в двоично-десятичной системе, имелись стандартные блоки вывода на цифропечать (ЭУМ-23, ЭУМ-46), перфоленту (ПЛ-20, ПЛ-80, ПЛ-150), самописец. Каждый экземпляр МСС-8 комплектовался индивидуальным блоком управления экспериментом, что позволяло в определенной степени автоматизировать процесс проведения исследований. В течение 60-х годов приборы МСС-8 активно использовались в повседневной практике ЛНИ. Значительный вклад в создание и эксплуатацию прибора внесли М.Н.Иванов, В.И.Кадашевич, В.И.Петрова, А.А.Архипов, А.Г.Никаноров, К.И. Турапина и др.

    Вторая задача была решена путем создания системы обработки физической информации - СОФИ. По сути дела это был один из первых в СССР центров коллективного пользования. Он располагал несколькими амплитудными и временными анализаторами, использующими общий блок оперативной памяти с административным распределением ресурсов. Имея монитор на большой ЭЛТ, для вывода данных применяли быстродействующее АЦПУ, перфоратор. Допускалась организация многомерных амплитудно-амплитудных и время-амплитудных измерений. Все измерительные и управляющие блоки были выполнены на транзисторах, за исключением ОЗУ, в качестве которого использовался стандартный блок памяти от ЭВМ "Минск1". По сути с СОФИ началась разработка амплитудных и временных преобразователей. Создание и эксплуатация СОФИ связана с именами И.А.Кондурова, М.Н.Иванова, В.И.Кадашевича, В.И.Петровой, А.П.Нехая, А.Г.Никанорова, Я.М.Отчика, В.В.Марченкова, В.А.Третьякова, В.Н.Слюсаря, В.И.Семенихина и др. Система работала более 10 лет и просуществовала до начала 70-х годов.

Измерительно-регистрационный центр ЛНИ

    К началу 70-х годов Отдел электроники накопил значительный опыт по созданию измерительной и регистрирующей аппаратуры, появились квалифицированные специалисты в разных областях электроники. В институте сформировалась служба электронной вычислительной техники, основу которой составляли бывшие сотрудники ЛНИ. Применение ЭВМ для обработки данных стало повседневной практикой. Отдельные физические установки имели прямую связь с общеинститутским вычислителем "Минск-22". Одновременно совершенствовались физические методики, появление новых типов детекторов привело к резкому увеличению "многоканальности". Все это вместе взятое позволило поставить задачу полного удовлетворения потребностей ЛНИ в средствах многоканального и многомерного анализа.

    Совместными усилиями СЭВТ и СЯЭ ЛНИ был разработан проект ИВЦ ЛНИ. Основу комплекса составляли ЭВМ "Минск-22" и ряд специализированных процессоров, разработанных СЯЭ. Все процессоры имели общее поле памяти (до 96К 37-разрядных слов). Распределение памяти осуществлялось аппаратно между спецпроцессорами, а вычислитель мог программно обращаться ко всему ОЗУ.

   Три типа спецпроцессоров были созданы для ИВЦ:
  • НА - накопитель-анализатор,
  • НБ - накопитель-буфер,
  • ПУМС - процессор управления модульными структурами.

    Каждый пользователь (абонент центра) получал в свое распоряжение ВИСТ - выносную измерительную станцию. Это устройство включало несколько кодировщиков (тип и количество которых определялось задачей), блок управления коммутации, модуль управления дисплеем (осциллограф, позднее телевизор) и модуль связи. ВИСТ вместе с блоками аналоговой электроники располагался непосредственно на рабочем месте физика, связь с выбранным процессором велась по последовательно-параллельным цифровым каналам (4 разряда) Центр представлял собой плод коллективного творчества. В его создание внесли вклад специалисты разного профиля: системщики и программисты СЭВТ (Л.П.Солдатов, Т.М.Иватина, Ю.Ф.Рябов, Г.М.Букат и др.), системщики СЯЭ (В.И.Кадашевич, В.И.Виноградов, В.И.Петрова, В.Г.Муратов), электронщики СЯЭ (А.П.Нехай, В.В.Марченков, Ю.В.Тубольцев, В.А.Третьяков, В.Н.Слюсарь, В.И.Семенихин).

КАМАК в ЛНИ

    Стандарт КАМАК появился исключительно своевременно. В ЛНИ к началу 70-х гг. достаточно успешно решались задачи сбора данных. Однако процедуры управления экспериментом выполнялись на уровне зашитых программ МСС-8. Проводились отдельные эксперименты по привлечению ресурсов "Минск-22" для адаптивного управления процессом измерения, но они носили частный характер. В 1969-70 гг. были сделаны первые попытки разработки аппаратуры в стандарте КАМАК. Выяснилось, что механический, электрический и протокольный уровни КАМАК позволяют решить весь комплекс проблем, связанных с организацией эксперимента. Внедрение КАМАК в практику эксперимента произошло даже до начала выпуска модулей, полностью соответствующих стандарту. Так, процессор ПУМС работал с параллельной магистралью КАМАК, проложенной по реакторному корпусу. При этом использовались модули и крейты разработки КБ НП (г.Новосибирск), которые конструктивно были выполнены в ином стандарте. Этот процессор, выполненный на элементах и конструктиве "Минск-22", по-видимому, был первым процессором КАМАК, созданным в СССР. После завершения стадии экспериментирования применение КАМАК в ЛНИ базировалось на следующих принципах.

  • Полное соответствие стандарту.
  • Отказ от собственного производства крейтов и блоков питания.
  • Сочетание модулей собственного производства и покупных.
  • Разработка модулей должна вестись по принципу функциональных линеек.

    Итак, первое массовое применение КАМАК было связано с процессором ПУМС, что объяснялось практическим отсутствием в СССР миниЭВМ. Роль сотрудников Отдела в становлении стандарта КАМАК в СССР также весьма заметна. Так, перевод стандарта, подготовленный к печати сотрудниками СЯЭ В.И.Виноградовым, В.И.Кадашевичем и А.П. Нехаем, долгое время служил основным пособием во многих организациях. В институте работал КАМАК-комитет, возглавляемый сотрудником Отдела Марченковым В.В.

    Функциональная часть модулей КАМАК (измерительные средства, средства управления перемещениями, средства общего назначения, первичные и сопутствующие средства) разрабатывались с использованием магистрали крейта с целью обеспечения управления основными параметрами модулей со стороны ЭВМ. Для оснащения экспериментальных установок КАМАК - оборудованием Отдел передал исследовательским подразделениям около 150 крейтов и примерно 3000 модулей КАМАК.

Использование мини и микроЭВМ в экспериментах ЛНИ

    Первой мини-ЭВМ, используемой в экспериментах ЛНИ, была отечественная "Электроника~100" (PDP-8). Ее возможности (ОЗУ-4К,перфолента) были очень ограничены. Тем не менее, несколько физических установок были оснащены системами КАМАК под управлением именно этой ЭВМ. Широкое распространение КАМАК началось с появлением ЭВМ типа PDP-11. К числу таких машин относились выпускавшиеся в разные годы М-400, СМ-3, СМ-4, СМ-1420, "Электроника-100/25". Машины этих типов имели накопители на МД (иногда и МЛ), относительно развитые операционные системы позволяли использовать языки высокого уровня. Необходимо отметить, что с целью унификации систем и ускорения их внедрения в Отделе проводилась политика создания Проблемно-Ориентированных Комплексов (ПОК). Под ПОК понимался набор программных и аппаратных средств (модулей КАМАК), ориентированных на решение группы однотипных задач. Ярким примером подобного подхода может служить система "МАЯК", созданная для обеспечения многоканальных амплитудных и временных, а также многомерных измерений. Для задач физики твердого тела, где большой удельный вес приходится на линейные и угловые перемещения, а также регулировку температур, электрических величин (токов и напряжений, магнитных полей) также создавались аналогичные системы. И, наконец, особый класс составляли нестандартные системы. Однако и при конструировании последних, в первую очередь, использовались готовые решения и только при жесткой необходимости велись специализированные разработки. Появление микро-ЭВМ типа "Электроника-60" с учетом их невысокой цены и небольших габаритов позволило к началу 80-х годов практически полностью обеспечить все физические установки ЛНИ системами КАМАК с ЭВМ. Первые шаги по внедрению микро-ЭВМ были связаны с желанием доукомплектовать каждую из них до уровня мини (т.е. поставить НМД, цифропечать, расширить ОЗУ). Вначале именно так и делалось . Но вскоре стало ясно, что это очень дорогой путь и существуют другие решения. В нашем Отделе был избран вариант создания Проблемно-Ориентированных Кластеров (ПОКЛ) на базе сетевого обеспечения АЛИСА. Под ПОКЛ понималась совокупность, включающая мини-ЭВМ, несколько микро-ЭВМ, сетевые средства, а также набор аппаратных и программных средств. При этом микро-ЭВМ брала на себя функции сбора данных. управления экспериментом, первичной сортировки и представления данных, а задачи по накоплению, более сложной обработке и визуализации передавались машине более высокого уровня. К середине 80-х годов - это был основной путь развития. Основными исполнителями работ в этом направлении были В.П.Григорьев, В.Г. Муратов, В.И.Петрова, А.С.Трофимова, В.А. Тюкавин, С.И. Хахалин.

Деятельность Отдела за последнее десятилетие

    Период с 1985 года и до настоящего времени характерен широким внедрением в практику эксперимента персональных компьютеров, явно выраженным направлением к персонализации (автономности) систем автоматизации эксперимента и плавным переходом к использованию в разработках аппаратных средств стандартов VME и VXI.
   Деятельность Отдела как научно-технического подразделения в составе Отделения нейтронных исследований была в этот период во многом связана с завершением разработки и изготовлением системы контроля радиационной безопасности на реакторе ПИК и до настоящего времени остается связанной главным образом, с

  • разработкой аппаратных средств в стандартах VME и VXI, ориентируемых на оперативное использование в экспериментах на реакторе ВВР-М и в перспективе - на создание приборной базы реактора ПИК;
  • приобретением и освоением новых программных продуктов, устанавливаемых на персональных компьютерах типа IBM различных классов.

    В период 1986-1987г.г. Отдел принял активное участие в работах, связанных с ликвидацией последствий, вызванных аварией на Чернобыльской АЭС. Непосредственными исполнителями этих работ были Марченков В.В., Марченкова А.И., В.В.Пермяков, Слюсарь В.Н., Тубольцев Ю.В., Тубольцева И.В., Шаблий А.И.


    Разработка электронного оборудования в стандартах VME и VXI в настоящее время ведется в двух направлениях:
  • для экспериментальных исследований в области физики твердого тела;
  • для экспериментальных исследований в области ядерной физики.
    Для экспериментальных исследований в области физики твердого тела разработки, находящиеся на различных стадиях реализации, ведутся по созданию:
  • функциональных аппаратных средств для контроля и управления перемещениями (для задания пространственных условий образца и детектора);
  • функциональных аппаратных средств для задания и контроля физических условий образца (температура, магнитное поле);
  • функциональных аппаратных средств для съема сигналов с детектора и регистрации физической информации;
  • сервисных и сопутствующих функциональных средств.

   Для экспериментальных исследований в области ядерной физики разработки функциональных аппаратных средств спланированы, главным образом, для обеспечения корреляционных экспериментов с использованием современных вычислительных средств. При этом в идеологии построения аппаратных средств предусматривается привязка исследуемого процесса к реальному времени с предварительным отбором событий по энергии.
   В целом для экспериментальных задач в области нейтронных исследований Отделом проведены разработки системных аппаратных средств в виде интеллектуальных контроллеров и контроллера-адаптера, обеспечивающих связь между крейтом VME и PC IBM.
   Отдел вместе с другими подразделениями Отделения (в частности, с Отделом полупроводниковых детекторов) активно участвует в создании специализированных амплитудных спектрометров прикладного назначения и выполняет обязательства по контрактам с МАГАТЭ по созданию системы контроля ядерного топлива с использованием стандарта VXI.
    При разработке аппаратных средств в настоящее время используется современная технология проектирования (в частности, системы проектирования PCAD и AutoCAD), внедряется в практику монтаж на поверхности с использованием многослойных печатных плат.

Заключение

    Успехи в автоматизации научных исследований в ЛНИ и далее в ОНИ были бы невозможны, если бы в Отделе не сложился коллектив специалистов, успешно развивающих те направления электроники, которые были необходимы для решения задач, стоящих перед экспериментаторами. В настоящее время ведущими специалистами-разработчиками в Отделе являются:

  • в области создания измерительных средств: Иванов В.В, Вихарев Л.В., Марченков В.В., Соловей В.А., Юрченко К.Г.
  • в области создания средств контроля и управления линейными и угловыми перемещениями: Гапон О.Н., Касман Я.А, Куликова Г.И.
  • в области создания средств задания и контроля условий эксперимента: Слюсарь В.Н., Сумбатян А.А , Шаблий А.И.
  • в области создания системных средств: Мизиков В.А., Фролушкин В.М.
  • в области создания системного и прикладного программного обеспечения: Баранова Т.К., Григорьева Л.А., Краснощекова И.А., Колхидашвили М.Р., Колыванова Н.Г., Короткова Т.К., Муратов В.Г., Пирогов А.М., Петрова В.И.,Тюкавин В.А., Трофимова А.С.
  • в области применения современных информационных технологий (базы данных, организация сетей, редакторы и пр.): Кадашевич В.И., Мизиков В.А., Уткина Т.В.
   В настоящее время в Отделе числится 56 сотрудников. В структуре Отдела:
  • Лаборатория управляющих и измерительных систем
  • Группа вычислительных средств
  • Группа электронного обеспечения
  • Группа конструкторских и технологических разработок.
   В Лаборатории - 30 сотрудников. При этом кандидатов технических наук - 6, ведущих научных сотрудников - 1, старших научных сотрудников - 6, научных сотрудников - 8.

    Результаты научно-технической деятельности сотрудников Отдела опубликованы в препринтах ПИЯФ, отечественных и зарубежных журналах, в трудах конференций и школ. Многие сотрудники являются соавторами лучших работ ПИЯФ, награждены медалями ВДНХ , имеют почетные знаки "Изобретатель СССР". За участие в разработке и внедрении стандарта КАМАК сотрудник Отдела Кадашевич В.И. удостоен звания Лауреата премии Совета Министров СССР.

   Ряд созданных коллективом Отдела технических средств и автоматизированных систем нашел свое применение как в научных исследовательских центрах, так и в народном хозяйстве. Они использовались на летающих самолетах-лабораториях, экспедиционных исследовательских кораблях, в подземных лабораториях на европейско-азиатском, американском и африканском континентах.

На начало страницы


На главную страницу ОНИ