上海同步輻射裝置電源控制系統(tǒng)

丁建國 趙 歡 朱海君 劉亞娟 沈立人

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

上海同步輻射裝置(SSRF, Shanghai Synchrotron Radiation Facility)是能量為3.5 GeV的第三代同步輻射光源，由電子直線加速器(Linac)、增強器(Booster)、儲存環(huán)(Storage Ring)和高低能輸運線組成。為精確調(diào)節(jié)電流，SSRF磁鐵電源采用DSP技術(shù)的全數(shù)字化電源控制器。針對電源數(shù)目多且分布廣的特點，SSRF電源控制系統(tǒng)基于分布式控制技術(shù)設(shè)計，采用大型實驗物理及工業(yè)控制系統(tǒng)(Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS)[1]工具集進行系統(tǒng)開發(fā)與運行。2009年4月SSRF向用戶開放，該電源控制系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定的高性能狀態(tài)。本文介紹基于Ethernet的層次式的DCS結(jié)構(gòu)，并介紹瑞士光源(SLS)和上海光源的SINAP控制器的基于EPICS系統(tǒng)的控制方案，包括系統(tǒng)硬件集成、軟件開發(fā)及通訊實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

SSRF共有600多臺各種類型磁鐵電源和若干公共直流源，分布于直線加速器技術(shù)走廊、增強器主副電源廳和儲存環(huán)技術(shù)走廊的 20個技術(shù)單元與環(huán)電源廳中。它們數(shù)量多且地域分布廣，分布式控制是實現(xiàn)SSRF電源控制系統(tǒng)的最佳選擇。根據(jù)國內(nèi)外大型加速器裝置控制系統(tǒng)的技術(shù)主流，我們選擇在EPICS系統(tǒng)架構(gòu)下開發(fā)電源控制系統(tǒng)。

電源控制系統(tǒng)是3層結(jié)構(gòu)的層次式結(jié)構(gòu)[2]，包括操作員計算機(Operator Interface, OPI)、輸入輸出控制器(Input/Output Controller, IOC)和連接OPI和IOC的計算機網(wǎng)絡(luò)。OPI位于SSRF中央控制室與各電源站，采用Linux/PC工作站，在SSRF中央運行環(huán)境下，運行GUI圖形界面，實現(xiàn)對電源運行參數(shù)的監(jiān)控顯示，或者運行上層基于物理模型的調(diào)束軟件操作電源。OPI通過基于TCP/IP的通道訪問協(xié)議(Channel Access, CA)訪問IOC中的I/O通道。IOC控制器運行EPICS基礎(chǔ)內(nèi)核和實時運行數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對本地電源的訪問操作。通過與電源控制器的實時數(shù)據(jù)交換，IOC及時刷新控制變量，并對OPI請求作出響應(yīng)。

SSRF的每臺磁鐵電源包含一個內(nèi)置的電源控制器。基于物理對電源控制精度、穩(wěn)定與可靠的高要求，所有電源控制器均采用數(shù)字化控制技術(shù)，通過基于數(shù)字化信號處理器(DSP)的控制器實現(xiàn)建立電流調(diào)節(jié)的高速反饋回路。電源控制器采用光纖連接實現(xiàn)與上層IOC的通訊，以及電源與電源控制系統(tǒng)的隔離(避免相互干擾)。SSRF電源系統(tǒng)有兩種數(shù)字化電源控制器：瑞士PSI電源控制器[3,4]和SINAP電源控制器[5]。采用數(shù)字化控制器的電源，長期穩(wěn)定可優(yōu)于 20×10?6。

基于EPICS的控制系統(tǒng)，其核心是IOC。電源控制的IOC控制器是VME 64x總線的嵌入式系統(tǒng)，每個IOC由運行vxWorks實時操作系統(tǒng)的單板計算機和若干控制模塊組成。在Linac和增強器電源廳與儲存環(huán)技術(shù)走廊各電源站共分布著 27臺VME/IOC控制器。VME系統(tǒng)有很高的 MTBF、EMI/EMC指標(biāo)，為電源控制系統(tǒng)的高性能奠定了基礎(chǔ)。

IOC的操作系統(tǒng)及其EPICS軟件、實時數(shù)據(jù)庫等是在系統(tǒng)啟動從控制系統(tǒng)的FTP服務(wù)器下載后運行。IOC通過SSRF控制系統(tǒng)中的NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器保持時間的同步。運行時，IOC中的實時運行數(shù)據(jù)庫記錄被觸發(fā)處理，通過對EPICS設(shè)備支持與驅(qū)動程序的調(diào)用，從電源控制器獲取電源參數(shù)與狀態(tài)、或?qū)⒖刂茀?shù)寫入電源控制器。通過通道訪問協(xié)議，IOC中所有I/O通道對OPI進程對其他IOC均透明，授權(quán)用戶可通過通道命名直接訪問數(shù)據(jù)庫記錄值，而不必知道通道的具體位置及如何工作。

2 電源控制方案實現(xiàn)

2.1 基于PSI控制器的控制方案

PSI控制器用于儲存環(huán)和增強器升能動態(tài)電源的控制。對于使用 PSI控制器的電源，基于 VME總線的IOC通過Industry Pack (IP)工業(yè)總線模塊與電源控制器的光纖接口實現(xiàn)通訊連接。IP安裝于VME 64x總線的 IP載板上，載板用于實現(xiàn)IP到VME的地址映射，從而實現(xiàn)IOC對IP模塊空間的訪問。

圖1是基于PSI控制器的電源控制方案。每個電源控制器包含DSP卡和ADC卡兩個模塊，由一個專門背板連接。DSP卡用高速DSP芯片實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)反饋回路，ADC卡用于數(shù)字采集。DSP卡使用一塊FPGA芯片產(chǎn)生PWM開關(guān)脈沖，且通過2路連接與外部通訊：Service PC接口和快速光纖接口。Service PC接口用于對電源控制卡進行參數(shù)設(shè)定以實現(xiàn)控制器符合特定的磁鐵特性，也可在電源調(diào)試維護時實現(xiàn)本地操作。點對點的快速光纖連接用于遠(yuǎn)程控制，由一對塑料光纖連接實現(xiàn)控制器端與IOC中IP模塊間的同步數(shù)據(jù)交換。遠(yuǎn)程通訊由雙方的FPGA芯片實現(xiàn)。電源控制器包含256個寄存器，可被DSP和FPGA雙向讀寫。IOC通過對寄存器地址的讀寫請求實現(xiàn)電源操作。

IOC是VME 64x總線的GE7050單板計算機，具有1 GHz CPU、512 M RAM和兩個Gbit Ethernet接口。IP載板選用4-slot的GE Vipc 664-ET。IP模塊是為PSI控制器專門設(shè)計的，每個IP模塊可用于兩個電源控制，每塊載板最多可用于8個電源的控制。傳輸板(Transition Module, TM)用于IP載板輸入輸出信號的光電轉(zhuǎn)換。光纖信號為 5 MHz的Manchester編碼的同步通訊，定長數(shù)據(jù)幀，傳輸速率可達(dá)10 K幀/s。

PSI控制器通過一個附設(shè)的光纖輸入口接收外部觸發(fā)信號。當(dāng)觸發(fā)運行時，電源有按照設(shè)定的電流波形運行的特性，這一功能用于SSRF增強器中對升能電源的控制。具體地，電流表格文件通過OPI程序下載到電源控制器的存儲中，操作員按照物理要求，設(shè)定好直流電流、控制步長和放大因子，然后使能外部觸發(fā)。當(dāng)接收到SSRF定時系統(tǒng)提供的觸發(fā)信號時，電源按照設(shè)定運行表格波形，將束流能量從150 MeV升至3.50 GeV，滿足儲存環(huán)束流注入的要求。

圖1 基于PSI控制器的電源控制方案原理圖Fig.1 Diagram of the control solution for the power supplies with the PSI-designed digital controllers.

2.2 基于SINAP控制器的控制方案

SINAP電源控制器是數(shù)字化電源控制器，用于Linac、高低能輸運線電源和增強器校正電源的控制。SINAP控制器的控制方案為：采用通訊服務(wù)器，將電源控制器光纖連接的串行通訊轉(zhuǎn)換為基于Ethernet的網(wǎng)絡(luò)通訊。IOC通過基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通訊訪問電源控制器。通訊服務(wù)器安裝于電源機柜，在光纖信號進入通訊服務(wù)器之前，通過光電轉(zhuǎn)換模塊進行信號轉(zhuǎn)換。

圖2是基于SINAP控制器的電源控制方案。為實現(xiàn)與PSI控制器物理連接與安裝的兼容，SINAP控制器也由DSP卡與ADC卡組成，通過背板連接。當(dāng)前版本尚無外部定時觸發(fā)運行表格波形的接口與功能。

DSP卡有兩路外部通訊連接端口：光纖連接的異步串行通訊端口和RS232通訊接口。RS232接口用于電源控制參數(shù)的設(shè)置與修改，調(diào)試與維護時的本地控制操作。光纖連接則用于上層控制。兩個通訊端口執(zhí)行相同的通訊協(xié)議。

圖2 基于SINAP控制器的電源控制方案原理圖Fig.2 Diagram of the control solution for the power supplies with the SINAP-designed digital controllers.

DSP卡中定義了一組寄存器，用于存放針對不同磁鐵負(fù)載的電流調(diào)節(jié)參數(shù)，電源電流設(shè)定參數(shù)與電源運行狀態(tài)等。同時，定義了專門的通訊協(xié)議規(guī)程用于控制器與IOC上位機的通訊。

IOC采用GE7050 CPU板，由于不涉及硬件數(shù)據(jù)采集，IOC只是實現(xiàn)soft IOC的功能。采用VME系統(tǒng)的優(yōu)點在于能獲得系統(tǒng)更高的穩(wěn)定性，且運行vxWorks操作系統(tǒng)得到更好的實時控制性能。

3 控制軟件

電源控制軟件是基于EPICS工具集開發(fā)的。軟件的實現(xiàn)采用層次式結(jié)構(gòu)，包括電源控制器軟件、IOC軟件及控制臺OPI軟件。

3.1 電源控制器軟件

電源電流調(diào)節(jié)的反饋控制回路和電流波形表的運行是由控制器中的軟件實現(xiàn)的，由控制器制造商在發(fā)貨前固化在控制器的 Flash存儲器中。針對不同的磁鐵負(fù)載特性，SSRF電源專業(yè)組負(fù)責(zé)控制器電源控制參數(shù)的設(shè)定與調(diào)試。

3.2 IOC軟件

IOC軟件由EPICS內(nèi)核、實時運行數(shù)據(jù)庫和設(shè)備支持/驅(qū)動模塊組成。系統(tǒng)采用 EPICS base 3.14.8.2 作為基礎(chǔ)運行內(nèi)核版本。

電源控制系統(tǒng)通過分布于各個IOC中的實時運行數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對電源的控制訪問，通過數(shù)據(jù)庫記錄的掃描域定義觸發(fā)記錄的處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時刷新。掃描機制包括周期性掃描、I/O中斷與事件觸發(fā)掃描和被動處理掃描等。數(shù)據(jù)庫在IOC啟動時在載入操作系統(tǒng)、EPICS基礎(chǔ)內(nèi)核后裝入運行。SSRF電源控制系統(tǒng)定義了三種不同的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫模板用于不同電源的控制。對于靜態(tài)電源，為兩種電源控制器定義了獨立的控制數(shù)據(jù)庫模板。對增強器的升能動態(tài)電源，開發(fā)了專門的數(shù)據(jù)庫模板，增加了電流表格下載與上傳，定時觸發(fā)運行的設(shè)置等特殊功能。IOC啟動時，只要選擇模板文件，在載入時給出電源名稱和一些基本參數(shù)宏替換就可生成滿足實際需求的運行數(shù)據(jù)庫。采用模板的方法，開發(fā)與維護都容易實現(xiàn)。

電源控制的基本邏輯須在數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)。除電源開關(guān)、電流設(shè)定與定時回讀電流值、設(shè)備參數(shù)與工作狀態(tài)外，數(shù)據(jù)庫要實現(xiàn)開機時對磁鐵消除剩磁的Cycle功能選擇，在從最小電流到最大電流運行3個周期后，電源回到原電流設(shè)定值。IOC復(fù)位后的透明化處理，即在IOC如遇故障重啟后，無需操作員干預(yù)，電源所有設(shè)定回到故障前的運行狀態(tài)，整個過程不對束流產(chǎn)生任何附加影響。

由于系統(tǒng)中電源很多，數(shù)據(jù)庫中還包括了按照實際操作要求的一些功能，如電源的全局開關(guān)機功能：對每個電源站的全局開關(guān)操作，對儲存環(huán)同一類電源的開關(guān)操作，及對所有電源的開關(guān)操作等；環(huán)Q鐵電源的按磁鐵族執(zhí)行Cycle功能、按磁鐵的族設(shè)定電流等。為防止同時大功率電源操作對供電系統(tǒng)的干擾，這些操作都必須按照定義的間隔順序有序進行。所有全局操作都集中在一個soft IOC中實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計還包括了對系統(tǒng)故障的快速定位功能。對每個電源站的電源狀態(tài)參數(shù)按類型統(tǒng)計，包括開機與否、聯(lián)鎖情況、控制誤差、通訊故障燈都集中到幾個通道中，在中控室一個簡單控制界面就可觀察到全局運行情況，一旦有故障，通過鏈接就可直接定位到故障電源位置。

設(shè)備支持/驅(qū)動程序提供特定控制對象的EPICS接口，記錄處理時，調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備支持/驅(qū)動程序，完成記錄的處理。對于PSI 控制器，設(shè)備支持/驅(qū)動程序由PSI提供，所做的開發(fā)工作是修改部分內(nèi)容，實現(xiàn)從僅對EPICS base 3.13版本的支持移植到3.14版本下運行。對SINAP控制器，選擇了日本KEK開發(fā)的netDev程序包[6]。netDev是針對網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備開發(fā)的通用設(shè)備支持/驅(qū)動程序，針對SINAP控制器應(yīng)用，開發(fā)了對應(yīng)的設(shè)備相關(guān)模塊，實現(xiàn)了對SINAP控制器的支持。

3.3 控制臺軟件

控制臺界面基于圖形化的界面設(shè)計，在電源控制系統(tǒng)中主要基于 EPICS系統(tǒng)提供的“Enhanced Display Manager (EDM)”開發(fā)。EDM有圖形化控件的界面編輯功能，直接將控件與控制變量關(guān)聯(lián)，同時內(nèi)置了通道訪問功能以訪問 IOC中的過程變量，可直接啟動進入運行模式。部分控制臺操作功能必須通過OPI應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，如波形表格的下載與上傳等，這些應(yīng)用程序通過內(nèi)嵌于EDM界面的嵌入式命令實現(xiàn)。圖3是增強器動態(tài)升能電源運行正弦波波形的控制頁面。

圖3 增強器動態(tài)升能電源控制界面Fig.3 Control panel for the booster ramp power supplies.

由于電源數(shù)量多、分布廣，顯然不可能同時顯示所有電源的運行操作界面，因此在電源控制界面設(shè)計時采用了層次化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在頂層只顯示電源站分類電源運行總體狀態(tài)，用不同顏色指示。當(dāng)異常情況發(fā)生時，會發(fā)生狀態(tài)改變或報警，點擊電源站名稱，相應(yīng)的界面即會彈出，進一步點擊界面上的電源名稱，就得到更詳盡的電源運行信息。

4 結(jié)論

SSRF電源控制系統(tǒng)是基于EPICS體系結(jié)構(gòu)開發(fā)運行的較大規(guī)模的分布式控制系統(tǒng)，是SSRF控制系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。系統(tǒng)包含了 27臺VME/IOC，共～65K的控制通道。針對PSI電源控制器和SINAP研發(fā)的數(shù)字化電源控制器，分別設(shè)計了不同的控制方案并在EPICS下實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

電源控制系統(tǒng)按照物理應(yīng)用與電源系統(tǒng)調(diào)試的要求，對實時運行數(shù)據(jù)庫，控制臺操作界面進行了詳細(xì)的設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，功能完整，操作直接方便，便于系統(tǒng)維護。自SSRF向用戶開放以來，經(jīng)過近3年的運行，電源控制系統(tǒng)的高性能得到了充分檢驗與證明。除一次因通訊服務(wù)器電源故障造成半小時的儲存環(huán)注入延遲外，未發(fā)生一例因電源控制系統(tǒng)故障引起的丟束事件，達(dá)到了SSRF作為用戶裝置對控制系統(tǒng)長期可靠穩(wěn)定運行的要求，也為SSRF順利調(diào)束，創(chuàng)造多項同類光源調(diào)束記錄發(fā)揮了重要作用。

1 Kraimer M R, Anderson J, Johnson A,et al. EPICS Input/Output Controller Application Developer’s Guide[Z]. ANL, Argonne, IL 60439, USA, 2004

2 丁建國, 劉松強. EPICS系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[J]. 核技術(shù),2006, 29(5): 380?383 DING Jianguo, LIU Songqiang. Network technologies applied in EPICS system[J]. Nuclear Techniques, 2006,29(5): 380?383

3 Ding J G, Zhu H J, Shen L R. A Prototype of the SSRF Power Supply Control System[C]. Proceedings of APAC’07, Indore, India, 2007

4 Jenni F, Tanner L. Digital Control for Highest Precision Accelerator Power Supplies[C]. Proceedings of PAC’01,Chicago, USA, 2001

5 Shen T J, Li D M, Li R,et al. Construction of SSRF Magnet Power Supply[C]. Proceedings of APAC’07, India,2007

6 Odagiri J, Chiba J, Furukawa K,et al. EPICS Device/driver Support Modules for Network-based Intelligent Controllers[C]. Proceedings of Icalepcs ’03,Gyeongju, Korea, 2003