eng
Выпуск #6/2010
П.Дороватовский, В.Карайченцев, М.Ковальчук, М.Кузнецов, А.Мозгин, Д.Хейкер, В.Чистюнин.
Система управления рентгено-оптической станции “Белковая кристаллография”
Система управления рентгено-оптической станции “Белковая кристаллография”
Просмотры: 3600
Разработана и реализована программно-аппаратная архитектура системы автоматизированного управления (САУ) “Систал-Белок” для рабочей станции синхротронного излучения “Белковая кристаллография” (РССИ) "Белок" Курчатовского центра синхротронного излучения и нанотехнологий. Станция предназначена для исследования атомной структуры органических объектов (белков, вирусов, монокристаллов) и поликристаллических материалов с параметрами ячейки <50Å.
Теги: atomic structure automated control system intelligent controllers nanotechnology protein crystallography software station of synchrotron radiation synchrotron radiation x-ray optics атомная структура белковая кристаллография интеллектуальные контроллеры нанотехнологии по рабочие станции синхротронного излучения рентгеновская оптика синхротронное излучение система автоматизированного управления
РССИ "Белковая кристаллография" позволяет:
устанавливать молекулярные механизмы функционирования различных биоорганических систем;
исследовать перспективные для медицины и фармакологии биологически активные соединения;
выявлять связи структуры и свойства кристаллов.
Станция состоит из трех основных частей: канала вывода синхротронного излучения, фокусирующего канала и рентгеновского дифрактометра с двумерным детектором и настроечным столиком. САУ реализует предварительную настройку и стабилизацию фокусирующего канала, его перестройку при получении рентгенограмм, а также взаимодействие с управлением дифрактометром и информационной системой Курчатовского центра синхротронного излучения и нанотехнологий (КЦСИ и НТ). Контроль точности перемещения конечного звена управления механических устройств фокусирующего канала находится в нанометровом диапазоне и включает устройства с высокоточными механическими узлами, управляемые 25‑ю шаговыми двигателями и девятью следящими пьезоприводами, а также контрольно-измерительное оборудование.
Структурно станция построена из блоков (рис.1): монохроматора, щелей, зеркала, фильтров барабанного типа, дифрактометра. Для эффективного проведения экспериментов в рамках компьютерной программы САУ разработана таблица параметров, обеспечивающая при юстировке гибкую настройку линейных механизмов и угловых осей станции, в которой формализованы все исполнительные механизмы.
Станция включает прецизионные электромеханические узлы, датчики и контрольно-измерительное исследовательское оборудование, которое находится в специальном защищенном помещении – “хатче”, куда при работе синхротрона перекрывается доступ.
САУ “Систал-Белок” обеспечивает надежное долговременное управление оборудованием станции с расположенных в зонах безопасности терминалов. При реализации ее аппаратной части выбрана иерархическая трехуровневая архитектура на базе персональных и промышленных компьютеров, а также специализированных микроконтроллеров.
Информационные каналы САУ выполнены на интерфейсах Ethernet, RS‑485 и RS‑232. Программное обеспечение (ПО) содержит следующие модули: мониторные с параметрической настройкой, группового управления функциональными блоками станции и индивидуального управления механизмами. Обмен информацией между модулями поддерживается стандартными протоколами связи TCP/IP, DCON и др. При разработке САУ предусматривалась возможность ее расширения посредством встраивания стандартных изделий известных производителей.
Аппаратная часть САУ выполнена на удовлетворяющих требованиям промышленного стандарта ISO 9001 платах (контроллерах) персонального компьютера ведущих мировых производителей такого оборудования.
ПО САУ – модульное, выполнено в виде многооконного Windows XP приложения, использующего технологию “клиент-сервер”. Для некоторых элементов станции (например, для контроллера управления пьезоприводом фирмы Physik Instrumente E‑662) проведена интеграция в САУ. Для удобства экспериментатора разработан интерфейс с формами управления исполнительными механизмами, устройствами регистрации и программами измерений и настройки.
Назначение и технические характеристики САУ “Систал-Белок”
САУ “Систал-Белок” обеспечивает оперативное дистанционное управление РССИ “Белок” и контролируемую работу следующих блоков (см. рис.1):
вакуумные входные щели с водяным охлаждением;
вакуумный монохроматор;
средние щели;
фокусирующее 9‑сегментное зеркало [1];
выходные щели;
фильтры барабанного типа;
блок дифрактометра (с синхронизацией измерений по цифровым входам-выходам и через файловую систему).
В таблице приведены основные технические характеристики САУ, включающей, кроме заявленных характеристик, следующие контроллеры сторонних производителей:
E‑662 (Physik Instrumente) следящего пьезопривода для подстройки второго зеркала монохроматора;
контроллер измерительный БИН‑8 (НПП “Промтрансавтоматика”) для следящей системы блока управления фокусирующего зеркала.
Блок-схема САУ
Аппаратная часть САУ распределяется на верхний, первый и второй нижние уровни управления (рис.2). Расположенный вне станции верхний уровень состоит из компьютерного блока с системой удаленного управления и компьютера, предоставляющего информацию о токе в кольце синхротрона для САУ из базы данных информационной системы КЦСИ и НТ. Нижние уровни размещаются в “хатче” станции.
Система нижнего уровня обеспечивает полное управление станцией и определяет надежность и точность ее работы. Компьютерный блок и блок фокусирующего зеркала включают полноразмерные вычислители – персональные компьютеры в промышленном исполнении. Для управления перемещениями оси координат связаны по каналам RS-485 с интеллектуальными контроллерами “Систал PIC ШД”, каждый из которых имеет собственный микропроцессор, обслуживающий шаговый двигатель. Аналогично датчики температуры и вакуума обслуживаются контроллерами. (Всего в системе управления 26 интеллектуальных контроллеров.)
Почти половина шаговых электроприводов и все пьезоприводы работают в глубоком вакууме, а электронное оборудование – при повышенном уровне озона. По этой причине САУ “Систал-Белок” сформирована из блоков, защищенных от неблагоприятных условий внешней среды.
Компьютер верхнего уровня является устройством отображения информации и задания режимов работы САУ. Выбранная программа управления экспериментом загружается из ЭВМ ВУ в компьютерный блок системы нижнего уровня и выполняется им автономно.
Таким образом, для управления станцией сформирована трехуровневая система. На верхнем уровне – персональный компьютер. На первом нижнем уровне – полноразмерные промышленные компьютеры с набором необходимых для управления периферийных модулей. На втором нижнем уровне – интеллектуальные контроллеры, управляющие шаговыми электродвигателями, датчиками температуры и вакуума, а также силовыми и согласующими устройствами.
Структурная схема и состав системы управления
В состав САУ входит ряд взаимосвязанных подсистем, каждая из которых выполняет определенную, законченную часть общей задачи. Многозадачный режим работы в реальном времени компьютеров САУ позволяет одновременно управлять всеми механизмами и устройствами станции “Белок”, приведенными на рис.3.
Программа управления
ПО системы управления выполнено по функционально-модульному принципу и содержит следующие модули:
мониторные с параметрической настройкой;
группового управления функциональными блоками станции;
индивидуального управления механизмами.
Обмен информацией между модулями поддерживается стандартными протоколами связи (TCP/IP, DCON и др.).
ПО разработано для операционной системы (ОС) Windows XP professional SP2. Многооконный интерфейс работает в режимах настройки (юстировки) элементов станции и проведения экспериментов. ПО САУ содержит два главных программных модуля:
основной, обеспечивающий управление и контроль механизмов, датчиков станции;
фокусирующего зеркала, обеспечивающий управление следящими пьезоприводами зеркала.
Управление блоком зеркала осуществляется в режиме “клиент-сервер”.
Программно САУ поддерживает контроль за восемью разнотипными каналами, опрос которых проводится по протоколу с тактом в 10 мс. Для обеспечения корректности работы каждого из них имеется временная диаграмма опроса, причем интерфейс позволяет контролировать передачу информации и команд по всем каналам.
Для гибкой настройки рентгено-оптической системы РССИ “Белок” используется параметризация большинства исполнительных механизмов и устройств контроля, что позволяет привязывать каждую ось к необходимой системе координат и определять для каждой из них направления движения, координаты реперных точек и ограничителей и т. д. (САУ имеет два типа ограничителей: физический–электронный и математический.)
Параметры всех контролируемых блоков можно сохранять для различных экспериментальных конфигураций под разными именами. Кроме того, параметризация позволяет формализовать некоторые операции, например: вводить комплексные (составные, сложные, т. е. составленные из перемещений нескольких механизмов) координатные оси или использовать каналы управления, подключая другие устройства с идентичными приводами. Каждая координатная ось соответствует определенному приводу (шаговому или пьезо) или группе приводов и может иметь только одну из двух единиц измерения, определяемую для различной конфигурации настройки эксперимента: миллиметр и угловая секунда, которые сохраняются в настроечной таблице. Для комплексных координат по желанию экспериментатора могут программироваться другие единицы измерения. При эксперименте необходимо постоянно сохранять текущие координаты, поэтому ПО САУ делает резервные копии координат на случай сбоя, что необходимо для восстановления положения осей.
В основной программе для каждого блока имеется свой интерфейс, выполненный в виде отдельного окна. На рис.4, например, представлено изображение формы для настройки и управления заслонками блока щелей. Поскольку на станции “Белок” имеются три блока щелей, идентичных по исполнению (см. рис.1), то и формы их управления идентичны. Аналогично имеются формы для управления и настройки монохроматора, ионизационной камеры, блока зеркала и т. д.
Управление блоком щелей осуществляется в двух режимах: независимое движение отдельных шторок и перемещение щелей – парное движение вертикальных и горизонтальных шторок. Во втором случае вводятся комплексные оси: вертикальная и горизонтальная координаты центра щели, ширина щели. САУ программно одновременно выполняет парное их движение в абсолютной и относительной системах координат. Точность позиционирования определяется пересчетом количества шагов на вводимое передаточное число исполнительного механизма, причем погрешность перемещения зависит от механики.
Наиболее сложный объект управления – монохроматор, содержащий девять шаговых двигателей (ШД) и следящий пьезопривод (рис.5).
При работе с монохроматором вводятся две комплексные координаты l и q, связанные между собой как функция от пяти координат (см. рис.5). М2R и М2T связаны с изгибом пластин сагитального зеркала [2]. При перестройке монохроматора на определенную длину волны производится расчет положения координат и выдается команда одновременного движения ШД приводов осей.
На уровне интеллектуальных микроконтроллеров САУ обеспечивает контроль позиционирования, скорости и режима перемещения. По окончанию движения каждый двигатель самостоятельно отключается от канала управления. Для удержания на объекте исследования необходимой интенсивности рентгеновского пучка используется тонкая подстройка по угловой координате М2q с точностью 0,02 угл. с, обеспечиваемая следящим пьезоприводом под управлением контроллера Physik Instrumente E-662.
На рис.6 представлена форма “клиентского” управления фокусирующим зеркалом. В блоке управления зеркалом установлена серверная программа, обеспечивающая программную реализацию ПИД-регулятора следящей системы контроля профиля изгиба девятисегментного фокусирующего зеркала.
На основе разработанной системы команд реализован протокол обмена данными и управления между клиентской частью и серверной.
Кроме перемещения пластин сегментированного зеркала имеется общая несущая подвижная балка с расположенным на ней зеркалом. По краям она имеет два ШД привода, обеспечивающих изменение положения зеркала в следующих режимах:
одиночное перемещение;
парное перемещение вверх и вниз;
вращение.
Для сегментов зеркала существует три типа перемещения:
одиночное;
совместное движение в указанную точку;
создание изгиба в форме сегмента цилиндра по заранее заданным коэффициентам формы.
Все координаты запоминаются и при включении блока управления автоматически загружаются. Точность удержания заданного положения каждого из сегмента зеркала – до 10 нм. В конфигурации РССИ “Белок” установлена точность ±40 нм.
Контроль излучения и настройка рентгеновского канала в оптической схеме обеспечиваются датчиками пучка, ионизационной камерой и фильтрами. С помощью построенного на плате ICP DAS P1002H 4-диапазонного трехканального устройства регистрации данные по интенсивности оцифровываются с точностью порядка 2,5 мкВ. В состав ПО на РССИ “Белок” встроен программный модуль контроля интенсивности рентгеновского пучка, имеющий цифровую и графическую индикации.
Для удобства эксперимента в САУ включен программный модуль формирования одномерной задачи для любой координатной оси, включая комплексные. Для реализации пакета одномерных задач имеется “JOB-редактор”. Все задания формируются на основе шаблонов, которые сохраняются под своими названиями в файлах: экспериментальные задачи и “job-листы”. Результаты измерения интенсивности излучения ионизационной камерой, с привязкой к оси, сохраняются в файлах, наименования которых определены в шаблонах задач. Для предварительного анализа и обработки результатов измерения или настройки в программу управления введен модуль графического анализа данных.
С помощью разработанного ПО проведена настройка отдельных оптических устройств и станции в целом. В процессе ввода САУ “Систал-Белок” в эксплуатацию исследованы структуры (рис.7а, б) комплекса цитохром с нитритредуктазы из галоалкалофильной бактерии Thioalkalivibrio nitratireducens с фосфатом (PDB №3GM6) и апо-формы НАД-зависимой формиатдегидрогеназы из бактерии Moraxella sp. C-1 в закрытой конформации (PDB №3FN4), а также структуры нанопорошков [4].
Анализ работы САУ “Систал-Белок” РССИ показывает [3], что функционально-модульный принцип построения аппаратуры и ПО позволяет параметризовать и формализовать объекты управления, что облегчает встраивание таких модулей в системы автоматизации эксперимента. Применение интеллектуальных контроллеров на конечном звене экспериментального оборудования облегчает процесс программирования пользовательского интерфейса и значительно повышает надежность работы САУ в целом. В разработках активно применяются серверные функционально-модульные сервисы (приложения) и статические библиотеки для написания клиентских приложений, функционирование которых обеспечивают интеллектуальные контроллеры.
Другой положительный аспект, связанный с формализацией объектов управления – сохранение и многократное использование параметров и настроек (конфигураций) оборудования под конкретные эксперименты.
Возможность формирования связанных между собой математическими или логическими функциями комплексных координат позволяет ускорить процессы многокоординатных перемещений при настройке оптической системы или при сканировании объекта с многократной перестройкой монохроматором длины волны.
Пользовательский многооконный интерфейс дает возможность различным исследователям конфигурировать работу на станции под свой эксперимент, причем для его подготовки не требуется изучать какие-либо команды по управлению устройствами; существуют лишь параметры настройки, кнопки исполнения и библиотеки экспериментальных задач (одномерные, двумерные и т.д.) на основе ранее созданных и редактируемых job-листов, использование которых дает возможность осуществлять перенос экспериментальных задач с одной станции на другую при идентичности исполнительных устройств и механизмов (например, при использовании АСУ производства НПЦ “СИСТАЛ”).
В целом, САУ “Систал-Белок” позволяет полностью автоматизировать подготовку и проведение эксперимента на РССИ “Белковая кристаллография”.
Литература
Хейкер Д.М., Ковальчук М.В., Шилин Ю.Н., Шишков В.А., Сульянов С.Н., Дороватовский П.В., Русаков А.А. Станция белковой кристаллографии на пучке СИ из поворотного магнита накопителя "Сибирь-2". – Кристаллография, 2007, т. 52, № 2, c.374–380
Хейкер Д.М., Шишков В.А, Шилин Ю.Н., Русаков А.А., Дороватовский П.В., Жаворонков Н.В. Кристалл-монохроматор с большой кривизной сагиттального изгиба. – Кристаллография, 2007, т. 52, № 4, с.767–769.
Кузнецов М.Г., Карайченцев В.Г., Мозгин А.А., Чистюнин В.Ф. Программно-аппаратная архитектура системы управления станции “Белок” в Курчатовском центре СИ и НТ. – Тез. докл. VII Национальная конференция Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии, 16–21 ноября 2009, с.590.
Sulyanov S.N., Kheiker D.M., Dorovatovskii P.V., Sugonyako A.V., Vainshtein D.I., der Hartog H.W. Characterization of the size and orientation of Na and Cl2 nanocrystals in electron irradiated NaCl crystals by means of synchrotron radiation (SR). – J.Phys.: Condens. Matter, 2007, 19, 246210 (12 p.).
устанавливать молекулярные механизмы функционирования различных биоорганических систем;
исследовать перспективные для медицины и фармакологии биологически активные соединения;
выявлять связи структуры и свойства кристаллов.
Станция состоит из трех основных частей: канала вывода синхротронного излучения, фокусирующего канала и рентгеновского дифрактометра с двумерным детектором и настроечным столиком. САУ реализует предварительную настройку и стабилизацию фокусирующего канала, его перестройку при получении рентгенограмм, а также взаимодействие с управлением дифрактометром и информационной системой Курчатовского центра синхротронного излучения и нанотехнологий (КЦСИ и НТ). Контроль точности перемещения конечного звена управления механических устройств фокусирующего канала находится в нанометровом диапазоне и включает устройства с высокоточными механическими узлами, управляемые 25‑ю шаговыми двигателями и девятью следящими пьезоприводами, а также контрольно-измерительное оборудование.
Структурно станция построена из блоков (рис.1): монохроматора, щелей, зеркала, фильтров барабанного типа, дифрактометра. Для эффективного проведения экспериментов в рамках компьютерной программы САУ разработана таблица параметров, обеспечивающая при юстировке гибкую настройку линейных механизмов и угловых осей станции, в которой формализованы все исполнительные механизмы.
Станция включает прецизионные электромеханические узлы, датчики и контрольно-измерительное исследовательское оборудование, которое находится в специальном защищенном помещении – “хатче”, куда при работе синхротрона перекрывается доступ.
САУ “Систал-Белок” обеспечивает надежное долговременное управление оборудованием станции с расположенных в зонах безопасности терминалов. При реализации ее аппаратной части выбрана иерархическая трехуровневая архитектура на базе персональных и промышленных компьютеров, а также специализированных микроконтроллеров.
Информационные каналы САУ выполнены на интерфейсах Ethernet, RS‑485 и RS‑232. Программное обеспечение (ПО) содержит следующие модули: мониторные с параметрической настройкой, группового управления функциональными блоками станции и индивидуального управления механизмами. Обмен информацией между модулями поддерживается стандартными протоколами связи TCP/IP, DCON и др. При разработке САУ предусматривалась возможность ее расширения посредством встраивания стандартных изделий известных производителей.
Аппаратная часть САУ выполнена на удовлетворяющих требованиям промышленного стандарта ISO 9001 платах (контроллерах) персонального компьютера ведущих мировых производителей такого оборудования.
ПО САУ – модульное, выполнено в виде многооконного Windows XP приложения, использующего технологию “клиент-сервер”. Для некоторых элементов станции (например, для контроллера управления пьезоприводом фирмы Physik Instrumente E‑662) проведена интеграция в САУ. Для удобства экспериментатора разработан интерфейс с формами управления исполнительными механизмами, устройствами регистрации и программами измерений и настройки.
Назначение и технические характеристики САУ “Систал-Белок”
САУ “Систал-Белок” обеспечивает оперативное дистанционное управление РССИ “Белок” и контролируемую работу следующих блоков (см. рис.1):
вакуумные входные щели с водяным охлаждением;
вакуумный монохроматор;
средние щели;
фокусирующее 9‑сегментное зеркало [1];
выходные щели;
фильтры барабанного типа;
блок дифрактометра (с синхронизацией измерений по цифровым входам-выходам и через файловую систему).
В таблице приведены основные технические характеристики САУ, включающей, кроме заявленных характеристик, следующие контроллеры сторонних производителей:
E‑662 (Physik Instrumente) следящего пьезопривода для подстройки второго зеркала монохроматора;
контроллер измерительный БИН‑8 (НПП “Промтрансавтоматика”) для следящей системы блока управления фокусирующего зеркала.
Блок-схема САУ
Аппаратная часть САУ распределяется на верхний, первый и второй нижние уровни управления (рис.2). Расположенный вне станции верхний уровень состоит из компьютерного блока с системой удаленного управления и компьютера, предоставляющего информацию о токе в кольце синхротрона для САУ из базы данных информационной системы КЦСИ и НТ. Нижние уровни размещаются в “хатче” станции.
Система нижнего уровня обеспечивает полное управление станцией и определяет надежность и точность ее работы. Компьютерный блок и блок фокусирующего зеркала включают полноразмерные вычислители – персональные компьютеры в промышленном исполнении. Для управления перемещениями оси координат связаны по каналам RS-485 с интеллектуальными контроллерами “Систал PIC ШД”, каждый из которых имеет собственный микропроцессор, обслуживающий шаговый двигатель. Аналогично датчики температуры и вакуума обслуживаются контроллерами. (Всего в системе управления 26 интеллектуальных контроллеров.)
Почти половина шаговых электроприводов и все пьезоприводы работают в глубоком вакууме, а электронное оборудование – при повышенном уровне озона. По этой причине САУ “Систал-Белок” сформирована из блоков, защищенных от неблагоприятных условий внешней среды.
Компьютер верхнего уровня является устройством отображения информации и задания режимов работы САУ. Выбранная программа управления экспериментом загружается из ЭВМ ВУ в компьютерный блок системы нижнего уровня и выполняется им автономно.
Таким образом, для управления станцией сформирована трехуровневая система. На верхнем уровне – персональный компьютер. На первом нижнем уровне – полноразмерные промышленные компьютеры с набором необходимых для управления периферийных модулей. На втором нижнем уровне – интеллектуальные контроллеры, управляющие шаговыми электродвигателями, датчиками температуры и вакуума, а также силовыми и согласующими устройствами.
Структурная схема и состав системы управления
В состав САУ входит ряд взаимосвязанных подсистем, каждая из которых выполняет определенную, законченную часть общей задачи. Многозадачный режим работы в реальном времени компьютеров САУ позволяет одновременно управлять всеми механизмами и устройствами станции “Белок”, приведенными на рис.3.
Программа управления
ПО системы управления выполнено по функционально-модульному принципу и содержит следующие модули:
мониторные с параметрической настройкой;
группового управления функциональными блоками станции;
индивидуального управления механизмами.
Обмен информацией между модулями поддерживается стандартными протоколами связи (TCP/IP, DCON и др.).
ПО разработано для операционной системы (ОС) Windows XP professional SP2. Многооконный интерфейс работает в режимах настройки (юстировки) элементов станции и проведения экспериментов. ПО САУ содержит два главных программных модуля:
основной, обеспечивающий управление и контроль механизмов, датчиков станции;
фокусирующего зеркала, обеспечивающий управление следящими пьезоприводами зеркала.
Управление блоком зеркала осуществляется в режиме “клиент-сервер”.
Программно САУ поддерживает контроль за восемью разнотипными каналами, опрос которых проводится по протоколу с тактом в 10 мс. Для обеспечения корректности работы каждого из них имеется временная диаграмма опроса, причем интерфейс позволяет контролировать передачу информации и команд по всем каналам.
Для гибкой настройки рентгено-оптической системы РССИ “Белок” используется параметризация большинства исполнительных механизмов и устройств контроля, что позволяет привязывать каждую ось к необходимой системе координат и определять для каждой из них направления движения, координаты реперных точек и ограничителей и т. д. (САУ имеет два типа ограничителей: физический–электронный и математический.)
Параметры всех контролируемых блоков можно сохранять для различных экспериментальных конфигураций под разными именами. Кроме того, параметризация позволяет формализовать некоторые операции, например: вводить комплексные (составные, сложные, т. е. составленные из перемещений нескольких механизмов) координатные оси или использовать каналы управления, подключая другие устройства с идентичными приводами. Каждая координатная ось соответствует определенному приводу (шаговому или пьезо) или группе приводов и может иметь только одну из двух единиц измерения, определяемую для различной конфигурации настройки эксперимента: миллиметр и угловая секунда, которые сохраняются в настроечной таблице. Для комплексных координат по желанию экспериментатора могут программироваться другие единицы измерения. При эксперименте необходимо постоянно сохранять текущие координаты, поэтому ПО САУ делает резервные копии координат на случай сбоя, что необходимо для восстановления положения осей.
В основной программе для каждого блока имеется свой интерфейс, выполненный в виде отдельного окна. На рис.4, например, представлено изображение формы для настройки и управления заслонками блока щелей. Поскольку на станции “Белок” имеются три блока щелей, идентичных по исполнению (см. рис.1), то и формы их управления идентичны. Аналогично имеются формы для управления и настройки монохроматора, ионизационной камеры, блока зеркала и т. д.
Управление блоком щелей осуществляется в двух режимах: независимое движение отдельных шторок и перемещение щелей – парное движение вертикальных и горизонтальных шторок. Во втором случае вводятся комплексные оси: вертикальная и горизонтальная координаты центра щели, ширина щели. САУ программно одновременно выполняет парное их движение в абсолютной и относительной системах координат. Точность позиционирования определяется пересчетом количества шагов на вводимое передаточное число исполнительного механизма, причем погрешность перемещения зависит от механики.
Наиболее сложный объект управления – монохроматор, содержащий девять шаговых двигателей (ШД) и следящий пьезопривод (рис.5).
При работе с монохроматором вводятся две комплексные координаты l и q, связанные между собой как функция от пяти координат (см. рис.5). М2R и М2T связаны с изгибом пластин сагитального зеркала [2]. При перестройке монохроматора на определенную длину волны производится расчет положения координат и выдается команда одновременного движения ШД приводов осей.
На уровне интеллектуальных микроконтроллеров САУ обеспечивает контроль позиционирования, скорости и режима перемещения. По окончанию движения каждый двигатель самостоятельно отключается от канала управления. Для удержания на объекте исследования необходимой интенсивности рентгеновского пучка используется тонкая подстройка по угловой координате М2q с точностью 0,02 угл. с, обеспечиваемая следящим пьезоприводом под управлением контроллера Physik Instrumente E-662.
На рис.6 представлена форма “клиентского” управления фокусирующим зеркалом. В блоке управления зеркалом установлена серверная программа, обеспечивающая программную реализацию ПИД-регулятора следящей системы контроля профиля изгиба девятисегментного фокусирующего зеркала.
На основе разработанной системы команд реализован протокол обмена данными и управления между клиентской частью и серверной.
Кроме перемещения пластин сегментированного зеркала имеется общая несущая подвижная балка с расположенным на ней зеркалом. По краям она имеет два ШД привода, обеспечивающих изменение положения зеркала в следующих режимах:
одиночное перемещение;
парное перемещение вверх и вниз;
вращение.
Для сегментов зеркала существует три типа перемещения:
одиночное;
совместное движение в указанную точку;
создание изгиба в форме сегмента цилиндра по заранее заданным коэффициентам формы.
Все координаты запоминаются и при включении блока управления автоматически загружаются. Точность удержания заданного положения каждого из сегмента зеркала – до 10 нм. В конфигурации РССИ “Белок” установлена точность ±40 нм.
Контроль излучения и настройка рентгеновского канала в оптической схеме обеспечиваются датчиками пучка, ионизационной камерой и фильтрами. С помощью построенного на плате ICP DAS P1002H 4-диапазонного трехканального устройства регистрации данные по интенсивности оцифровываются с точностью порядка 2,5 мкВ. В состав ПО на РССИ “Белок” встроен программный модуль контроля интенсивности рентгеновского пучка, имеющий цифровую и графическую индикации.
Для удобства эксперимента в САУ включен программный модуль формирования одномерной задачи для любой координатной оси, включая комплексные. Для реализации пакета одномерных задач имеется “JOB-редактор”. Все задания формируются на основе шаблонов, которые сохраняются под своими названиями в файлах: экспериментальные задачи и “job-листы”. Результаты измерения интенсивности излучения ионизационной камерой, с привязкой к оси, сохраняются в файлах, наименования которых определены в шаблонах задач. Для предварительного анализа и обработки результатов измерения или настройки в программу управления введен модуль графического анализа данных.
С помощью разработанного ПО проведена настройка отдельных оптических устройств и станции в целом. В процессе ввода САУ “Систал-Белок” в эксплуатацию исследованы структуры (рис.7а, б) комплекса цитохром с нитритредуктазы из галоалкалофильной бактерии Thioalkalivibrio nitratireducens с фосфатом (PDB №3GM6) и апо-формы НАД-зависимой формиатдегидрогеназы из бактерии Moraxella sp. C-1 в закрытой конформации (PDB №3FN4), а также структуры нанопорошков [4].
Анализ работы САУ “Систал-Белок” РССИ показывает [3], что функционально-модульный принцип построения аппаратуры и ПО позволяет параметризовать и формализовать объекты управления, что облегчает встраивание таких модулей в системы автоматизации эксперимента. Применение интеллектуальных контроллеров на конечном звене экспериментального оборудования облегчает процесс программирования пользовательского интерфейса и значительно повышает надежность работы САУ в целом. В разработках активно применяются серверные функционально-модульные сервисы (приложения) и статические библиотеки для написания клиентских приложений, функционирование которых обеспечивают интеллектуальные контроллеры.
Другой положительный аспект, связанный с формализацией объектов управления – сохранение и многократное использование параметров и настроек (конфигураций) оборудования под конкретные эксперименты.
Возможность формирования связанных между собой математическими или логическими функциями комплексных координат позволяет ускорить процессы многокоординатных перемещений при настройке оптической системы или при сканировании объекта с многократной перестройкой монохроматором длины волны.
Пользовательский многооконный интерфейс дает возможность различным исследователям конфигурировать работу на станции под свой эксперимент, причем для его подготовки не требуется изучать какие-либо команды по управлению устройствами; существуют лишь параметры настройки, кнопки исполнения и библиотеки экспериментальных задач (одномерные, двумерные и т.д.) на основе ранее созданных и редактируемых job-листов, использование которых дает возможность осуществлять перенос экспериментальных задач с одной станции на другую при идентичности исполнительных устройств и механизмов (например, при использовании АСУ производства НПЦ “СИСТАЛ”).
В целом, САУ “Систал-Белок” позволяет полностью автоматизировать подготовку и проведение эксперимента на РССИ “Белковая кристаллография”.
Литература
Хейкер Д.М., Ковальчук М.В., Шилин Ю.Н., Шишков В.А., Сульянов С.Н., Дороватовский П.В., Русаков А.А. Станция белковой кристаллографии на пучке СИ из поворотного магнита накопителя "Сибирь-2". – Кристаллография, 2007, т. 52, № 2, c.374–380
Хейкер Д.М., Шишков В.А, Шилин Ю.Н., Русаков А.А., Дороватовский П.В., Жаворонков Н.В. Кристалл-монохроматор с большой кривизной сагиттального изгиба. – Кристаллография, 2007, т. 52, № 4, с.767–769.
Кузнецов М.Г., Карайченцев В.Г., Мозгин А.А., Чистюнин В.Ф. Программно-аппаратная архитектура системы управления станции “Белок” в Курчатовском центре СИ и НТ. – Тез. докл. VII Национальная конференция Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии, 16–21 ноября 2009, с.590.
Sulyanov S.N., Kheiker D.M., Dorovatovskii P.V., Sugonyako A.V., Vainshtein D.I., der Hartog H.W. Characterization of the size and orientation of Na and Cl2 nanocrystals in electron irradiated NaCl crystals by means of synchrotron radiation (SR). – J.Phys.: Condens. Matter, 2007, 19, 246210 (12 p.).
Отзывы читателей
