SSRF儲存環(huán)B鐵和S鐵電源故障信息監(jiān)控系統(tǒng)

朱海君 郭春龍 丁建國 劉亞娟

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

上海光源(SSRF)儲存環(huán)B(Binary)鐵和S(Six)鐵電源的故障信號很多：遠(yuǎn)程手動急停信號、遠(yuǎn)程手動復(fù)位信號、人身安全連鎖故障、外部報警連鎖、DCCT故障、DCCT零電流故障、磁鐵斷水故障、磁鐵過溫故障、整流變壓器溫度信號、本地手動急停故障、本地手動復(fù)位控制電故障、柜門打開故障、主斷路器故障、主接觸器故障、主電路接通/斷開信號、運行/停機控制信號、功率柜輸入電抗器過溫故障、功率柜輸入過壓/欠壓/缺相故障、輸出電抗器過溫故障、功率柜冷卻水出水?dāng)嗨盘枴⒐β使裾鳂驕囟刃盘柕取?/p>

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求是將儲存環(huán)B鐵和S鐵電源故障連鎖狀態(tài)信息，經(jīng)過PLC綜合分析，提供給電源控制器。通過遠(yuǎn)程控制，在中央控制室實現(xiàn)對故障信息和運行狀態(tài)的實時反饋，從而實現(xiàn)快速故障診斷；接收操作人員的控制指令，調(diào)整機器的工作狀態(tài)，使上海光源處于理想運行狀態(tài)。

1 設(shè)計原理

上海光源工程選用實驗物理及工業(yè)控制系統(tǒng)[1](Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS)作為控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。EPICS是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)和阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)等聯(lián)合開發(fā)的大型控制系統(tǒng)軟件。它采用“標(biāo)準(zhǔn)模型”，在總體上為分布式結(jié)構(gòu)，采用Client/Server模式進(jìn)行計算機之間的通信，并且在上層操作員接口和下層設(shè)備接口都具有很強的可塑性和擴展性。已成為大型實驗物理裝置控制系統(tǒng)中最廣泛使用的軟件開發(fā)環(huán)境。

EPICS采用標(biāo)準(zhǔn)的三層結(jié)構(gòu)，即操作員接口計算機(Operator Interface, OPI)、輸入輸出控制器(Input/Output Controller, IOC)和設(shè)備控制器(Device Controller, DC)。

OPI是整個控制系統(tǒng)的最頂層，負(fù)責(zé)提供人機交互界面，并完成機器參數(shù)的設(shè)置/回讀、報警處理、數(shù)據(jù)存檔、訪問控制等基本功能。在進(jìn)一步優(yōu)化的控制系統(tǒng)中，監(jiān)控層還應(yīng)包括機器運行狀態(tài)分析、運行參數(shù)優(yōu)化、運行模式管理等專家系統(tǒng)。

IOC是控制系統(tǒng)的核心，通過現(xiàn)場總線或直接I/O方式控制前端設(shè)備控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、控制量的設(shè)置、響應(yīng)監(jiān)控層或其他IOC的請求、處理來自設(shè)備控制層的外部事件等。IOC的硬件配置通常為VME、VXI、PCI等總線的工業(yè)控制計算機。過程控制層的操作系統(tǒng)通常為vxWorks、Linux等實時操作系統(tǒng)。

DC是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，與受控設(shè)備接口，負(fù)責(zé)模擬信號(包括電流、電壓、溫度等)和數(shù)字信號的輸入輸出及信號調(diào)理等。設(shè)備控制器一般為 I/O板卡、可編程控制器PLC等[2–4]。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)儲存環(huán)B鐵和S鐵電源系統(tǒng)的需求特點，選取以西門子PLC為核心的基于硬件的技術(shù)路線，系統(tǒng)連鎖邏輯信號由PLC處理完成，以滿足儲存環(huán)1臺B鐵和9臺S鐵電源系統(tǒng)的高可靠性要求。

儲存環(huán)B鐵電源的信號直接輸入西門子S7-300 PLC。儲存環(huán)S鐵電源共有9臺，故障狀態(tài)信息是通過9臺西門子S7-200 PLC來進(jìn)行集中整合，并通過以太網(wǎng)合并輸入到S7-300 PLC，然后將所有電源的故障連鎖狀態(tài)信息由S7-300 PLC通過以太網(wǎng)與EPICS進(jìn)行通信。

儲存環(huán)B鐵和S鐵電源故障狀態(tài)信息控制系統(tǒng)中，OPI置于SSRF中央控制室，作為操作員人機界面，使用基于Linux操作系統(tǒng)的PC機。另一臺PC/Linux作為IOC服務(wù)器。

基于TCP/IP協(xié)議，OPI和IOC之間以及IOC和PLC之間均通過Ethernet進(jìn)行連接和通訊。圖1為儲存環(huán)B鐵和S鐵電源系統(tǒng)故障信息監(jiān)控結(jié)構(gòu)。

圖1 儲存環(huán)B鐵和S鐵電源系統(tǒng)故障信息監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematics of monitor and control system of fault interlock in B-PS & S-PS of the SSRF storage ring.

3 軟件設(shè)計

與EPICS體系結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，本軟件可分為OPI應(yīng)用軟件、IOC應(yīng)用軟件，以及在兩者之間提供數(shù)據(jù)接口的通道訪問(Channel Access)機制[5]。

OPI應(yīng)用軟件主要包括用戶界面編輯/運行工具(Operator Interface)、報警管理工具(Alarm Manager)、數(shù)據(jù)存儲工具(Channel Archiver)、用戶自行開發(fā)應(yīng)用程序(Custom design Application Program)、中間件(Middleware)、以及通過中間件與控制系統(tǒng)連接的其它應(yīng)用軟件包(Commercial Software Package)。提供物理學(xué)家或操作員訪問控制加速器設(shè)備，利用人機界面對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

IOC應(yīng)用軟件的核心是分布式運行數(shù)據(jù)庫(Distributed Runtime Database)以及相應(yīng)的輸入/輸出支持模塊(Input/Output Driver)。IOC軟件中主要運行EPICS Base內(nèi)核，包括文件系統(tǒng)和工具、公共操作系統(tǒng)接口庫、通道訪問客戶和服務(wù)器共享庫、靜態(tài)和實時數(shù)據(jù)庫訪問機制、數(shù)據(jù)庫處理代碼、標(biāo)準(zhǔn)的記錄、設(shè)備驅(qū)動支持程序等。IOC同時運行EPICS實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對底層設(shè)備的過程控制。

EPICS采用分層式的結(jié)構(gòu)，其中IOC層可細(xì)分為7層，OPI層可細(xì)分為2層。每一層相對獨立，只與其下一層進(jìn)行通信。訪問數(shù)據(jù)庫記錄不需要知道具體的記錄類型，記錄支持模塊提供了對記錄類型的解釋，同樣記錄支持模塊也不需要知道具體的設(shè)備類型，因為每一種記錄類型都有很多種獨立的設(shè)備支持模塊，設(shè)備支持與驅(qū)動模塊建立了I/O設(shè)備與IOC的連接。EPICS的應(yīng)用實現(xiàn)都是圍繞IOC數(shù)據(jù)庫而展開。通道訪問和分布式動態(tài)數(shù)據(jù)庫(Distributed Runtime Database)是EPICS系統(tǒng)中的兩個基本機制。圖2是EPICS的軟件結(jié)構(gòu)[6]。

圖2 EPICS軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 EPICS software architecture.

控制系統(tǒng)中，設(shè)備的每個模擬或數(shù)字的輸入/輸出量稱為一個通道，一個通道在IOC數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)為一個記錄實體。EPICS系統(tǒng)依據(jù)客戶-服務(wù)者模型，在TCP/IP和UDP協(xié)議之上建立了通道訪問機制，并為客戶(主要是OPI)和服務(wù)器(主要是IOC)分別提供了應(yīng)用接口子程序庫。CA在EPICS中相當(dāng)于一條軟件總線，EPICS軟件中的各個組件通過這一總線交換數(shù)據(jù)。OPI 應(yīng)用程序(包括 IOC中的部分應(yīng)用程序)則通過CA客戶發(fā)送數(shù)據(jù)請求，IOC通過CA服務(wù)器響應(yīng)CA客戶的數(shù)據(jù)請求。

EPICS的分層式控制結(jié)構(gòu)使客戶程序可以在不知設(shè)備、通道的位置和I/O類型的情況下，根據(jù)通道名稱，完全透明地訪問分布于IOC中的動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的通道數(shù)據(jù)。

CA還具有回叫(callback)機制，服務(wù)器根據(jù)客戶的預(yù)先指定發(fā)送監(jiān)控所得的信息，如此便無須依靠巡回檢測來監(jiān)控IOC中的通道數(shù)據(jù)，極大地減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

EPICS還提供了對Java、Tcl/Tk、Matlab等的CA接口支持，用戶可以使用這些支持開發(fā)的自己需要的應(yīng)用軟件。

3.1 IOC設(shè)計

控制系統(tǒng)的I/O量是頻繁變動的數(shù)據(jù)，為了響應(yīng)來自O(shè)PI的命令和設(shè)備控制器的各種數(shù)據(jù)及狀態(tài)變化，EPICS采用動態(tài)數(shù)據(jù)庫來記錄I/O數(shù)據(jù)。IOC數(shù)據(jù)庫以記錄的形式存放在內(nèi)存中。記錄中的域(Field)值實時地反映 I/O量的控制與運行屬性。數(shù)據(jù)庫記錄也被稱為過程控制模塊，EPICS系統(tǒng)中所有過程控制功能也基本上是通過動態(tài)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)庫有50余種記錄類型，如模擬量的輸入輸出、數(shù)字量的輸入輸出、建立歷史曲線、儲存波形、步進(jìn)電機和操作記錄實現(xiàn)PID循環(huán)、驅(qū)動定時硬件等等。EPICS通過基礎(chǔ)內(nèi)核(IOC Core)中的掃描器(Scanner)對數(shù)據(jù)庫記錄的掃描激發(fā)記錄的 I/O操作和記錄處理，掃描機制包括：周期性掃描、事件觸發(fā)掃描(I/O中斷和事件觸發(fā))和被動性掃描。

IOC系統(tǒng)采用瑞士光源開發(fā)的 Siemens PLC EPICS設(shè)備驅(qū)動程序 drvS7plc[7]。其通過內(nèi)存映像(Memory Map)的塊傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在IOC與 PLC端的內(nèi)存中均分別設(shè)置了發(fā)送緩存區(qū)SendBuffer和接收緩存區(qū) RecvBuffer。發(fā)送緩存區(qū)的任何狀態(tài)改變都同步映射到對方接收緩存區(qū)中，從而產(chǎn)生中斷，激活對數(shù)據(jù)的響應(yīng)處理。

3.2 OPI界面設(shè)計

操作員界面OPI基于圖形化的界面設(shè)計。在儲存環(huán)B鐵和S鐵電源系統(tǒng)故障信息監(jiān)控系統(tǒng)中，采用軟件工具 EDM (Extensible Display Manager)實現(xiàn)。EDM具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(jìn)入運行模式。圖3所示為儲存環(huán)B鐵和S鐵電源系統(tǒng)故障信息監(jiān)控界面。

圖3 儲存環(huán)B鐵和S鐵電源系統(tǒng)故障信息監(jiān)控界面Fig.3 Interface of monitor and control system of fault interlock in B-PS & S-PS of the storage ring.

儲存環(huán)有1臺B鐵和9臺S鐵，電源數(shù)量多、分布廣，顯然不可能同時顯示所有B鐵和S鐵電源系統(tǒng)故障信息的監(jiān)控界面。因此，在B鐵和S鐵電源系統(tǒng)故障信息監(jiān)控界面設(shè)計時，采用了層次化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在頂層僅顯示總體狀態(tài)，并用不同顏色指明。當(dāng)異常情況發(fā)生時，會發(fā)生狀態(tài)改變或報警，點擊相應(yīng)的B鐵或S鐵電源名稱，對應(yīng)的界面就會彈出，可以得到全面的聯(lián)鎖故障信息。

3.3 PLC程序設(shè)計

PLC作為本地控制器，主要用于監(jiān)測儲存環(huán)各個磁鐵電源的工作狀態(tài)。在出現(xiàn)故障時，能實時檢測故障狀態(tài)和可能的故障設(shè)備，給出故障報警和故障處理，供操作人員參考，并實現(xiàn)安全連鎖保護(hù)，保證整個儲存環(huán)磁鐵電源系統(tǒng)安全可靠地運行。一旦影響設(shè)備的安全運行和人身安全，就會自動斷開主回路設(shè)備或大功率電源，從而有效保護(hù)設(shè)備和人身安全。

儲存環(huán)S鐵電源共有9臺。通過點數(shù)計算及性能分析，選擇 SIEMENS S7-200[8]系列 PLC。系統(tǒng)選用處理器模塊 CPU226，網(wǎng)絡(luò)模塊型號為CP243-1。該型號PLC本機集成24DI/16DO，擴展1個輸入模塊EM231 A14×12bit。所有控制程序都采用STEP 7-Micro/WIN 4.0編程軟件進(jìn)行編制。

儲存環(huán)B鐵電源的信號直接輸入西門子S7-300 PLC[9]。SIMATIC S7-300是模塊化小型 PLC系統(tǒng)，大范圍的各種功能模塊可以很好地滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，各種單獨的模塊間也可進(jìn)行廣泛組合和擴展。系統(tǒng)選用處理器模塊CPU313C，網(wǎng)絡(luò)模塊型號為CP343-1。該型號PLC本機集成 16DI/16DO/24V，擴展 1個輸入模塊EM321。圖4為儲存環(huán)B鐵和S鐵電源故障邏輯控制流程圖。

圖4 儲存環(huán)B鐵和S鐵電源故障邏輯控制流程圖Fig.4 Flowchart of logic control of fault interlock in B-PS&S-PS of the storage ring.

SMATIC STEP V5.4軟件是用于 SMATIC S7-300創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用LAD(梯形圖邏輯)、FBD(功能塊圖)和STL(語句表)進(jìn)行編程操作。在標(biāo)準(zhǔn)的 Windows操作系統(tǒng)中運行，本地控制中PLC程序采用模塊化的編程設(shè)計思想，利用功能強大的梯形圖進(jìn)行程序編寫，將不同的控制功能用不同的程序功能塊來實現(xiàn)。

4 結(jié)語

通過對SSRF儲存環(huán)S鐵和B鐵電源系統(tǒng)故障連鎖信號的分析，對實時運行數(shù)據(jù)庫、控制臺操作界面進(jìn)行了合理的設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)科學(xué)、功能完整，操作方便，便于系統(tǒng)維護(hù)。通過西門子 S7-200和S7-300的PLC程序軟件設(shè)計，完成了本地監(jiān)控?；贓PICS的應(yīng)用開發(fā)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)達(dá)到了SSRF作為用戶裝置對控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的要求，也為SSRF順利調(diào)束發(fā)揮了一定的作用。

1 http://www.aps.anl.gov/epics/ (August, 2009)

2 朱海君, 劉亞娟, 袁啟兵. 基于EPICS的上海光源注入引出遠(yuǎn)控系統(tǒng)[J]. 核技術(shù), 2012, 35(5): 342–345 ZHU Haijun, LIU Yajuan, YUAN Qibing. Remote control of injection&extration based on EPICS in SSRF[J]. Nucl Tech, 2012, 35(5): 342–345

3 丁建國, 鄭麗芳, 胡守明, 等. EPICS環(huán)境下的LINAC控制系統(tǒng)[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù), 2006, 26(1): 36–40 DING Jianguo, ZHENG Lifang, HU Shouming, et al. An EPICS-based LINAC control system[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2006, 26(1): 36–40

4 張德敏, 金曉, 黎明, 等. EPICS在加速器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 強激光與粒子束, 2008, 20(4): 597–600 ZHANG Demin, JIN Xiao, LI Ming, et al. Application of EPICS to accelerator control system[J]. High Power Laser and Particle Beam, 2008, 20(4): 597–600

5 米清茹, 鄭麗芳, 劉松強. EPICS控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境[J]. 核技術(shù), 2008, 31(1): 36–40 MI Qingru, ZHENG Lifang, LIU Songqiang. EPICS soft ware development environment[J]. Nucl Tech, 2008,31(1): 36–40

6 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]. Nucl Tech, 2006, 29(5):380–383

7 http://www.slac.stanford.edu/grp/ssrl/spear/epics/site/s7pl c/s7plc.html (September, 2010)

8 http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/cpu/de fault.asp (October, 2009)

9 http://www.mirautomation.com/series/s3.html (December,2009)