基于冗余技術(shù)的強(qiáng)流質(zhì)子RFQ控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于春蕾，郭玉輝，何 源，鄭亞偉，劉海濤，余澤民，姜子運(yùn)，胡建軍

(1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)(ADS)由高能強(qiáng)流質(zhì)子束轟擊重金屬散裂靶產(chǎn)生的外來(lái)中子維持次臨界反應(yīng)堆運(yùn)行或進(jìn)行核廢料處理，質(zhì)子加速器在A(yíng)DS中的作用是產(chǎn)生連續(xù)、穩(wěn)定的高能強(qiáng)流質(zhì)子束[1]。目前中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所承擔(dān)了ADS項(xiàng)目直線(xiàn)注入器Ⅱ的研制，用于該直線(xiàn)加速器的四翼型RFQ工作頻率為162.5 MHz，可將質(zhì)子束從35 keV加速到2.1 MeV，長(zhǎng)度為4.2 m[2]。四翼型RFQ加速器可為來(lái)自離子源的低能強(qiáng)流束提供周期性強(qiáng)聚焦，并同時(shí)在縱向?qū)κ鬟M(jìn)行聚束和加速[3]。高頻腔一旦失諧，其諧振頻率與功率源的頻率將有偏差，引起功率饋送的效率下降和束流品質(zhì)的變壞，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致RFQ腔體被燒損。因此，要求RFQ控制系統(tǒng)必須具備精確的水溫監(jiān)測(cè)和保護(hù)機(jī)制，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)水冷、高頻和真空系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，嚴(yán)格控制腔體工作在特定的帶寬頻率范圍內(nèi)，保障加速器的正常運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ADS注入器Ⅱ強(qiáng)流質(zhì)子RFQ加速器的控制系統(tǒng)是基于EPICS的分布式控制系統(tǒng)，采用PLC控制器冗余技術(shù)以確保系統(tǒng)的高可靠性。RFQ控制系統(tǒng)由操作員控制臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、前端控制計(jì)算機(jī)和設(shè)備組成，如圖1所示，是基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)。操作員控制臺(tái)(OPI)通過(guò)局域網(wǎng)(LAN)與輸入、輸出控制器(IOC)相連，采用EPICS的CA協(xié)議進(jìn)行通信[4]。核心部分主要由4個(gè)獨(dú)立的IOC組成，通過(guò)以太網(wǎng)以及CA協(xié)議與OPI進(jìn)行相互通信。聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的基本功能主要通過(guò)菲尼克斯公司的冗余PLC實(shí)現(xiàn)，冗余PLC含模擬量模塊和數(shù)字量模塊，外接流量探頭、壓力變送器以及溫度傳感器等，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)RFQ腔體所有水路的流量、壓力及溫度。冗余PLC的IOC驅(qū)動(dòng)程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)冗余系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和管理。水冷機(jī)和真空計(jì)的遠(yuǎn)程接口分別是RS232和RS485，通過(guò)使用串口服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)RS232、RS485或RS422信號(hào)至以太網(wǎng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，有效地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。固態(tài)功率源IOC驅(qū)動(dòng)程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率源及低電平系統(tǒng)各參數(shù)的控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 RFQ聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)

采用菲尼克斯公司的冗余PLC RFC460R 3TX，進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。冗余PLC控制器通過(guò)同步光纖相連，并通過(guò)PROFINET交換機(jī)連接5個(gè)PN子站，每個(gè)PN子站有4個(gè)DI、8個(gè)DO及72個(gè)模擬量通道。聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)使用觸摸屏技術(shù)，用于水溫聯(lián)鎖保護(hù)的本地控制操作，觸摸屏通過(guò)OPC技術(shù)與PLC控制器進(jìn)行通信，使用VisuPlus軟件對(duì)觸摸屏進(jìn)行編程，可實(shí)時(shí)顯示水溫、流量和壓力等信息，并可對(duì)各參數(shù)的上、下限進(jìn)行配置和相應(yīng)的報(bào)警處理。

圖1 RFQ控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為OPI的計(jì)算機(jī)，同時(shí)裝有PLC編程軟件PC WORX，可根據(jù)需要在線(xiàn)修改PLC程序，當(dāng)有需求變化時(shí)，在中控室即可完成程序的編寫(xiě)和下裝，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和便捷性。

1) PLC編程

在冗余系統(tǒng)中，只需對(duì)其中一個(gè)控制器進(jìn)行IP配置和程序下載，作為主控制器。通過(guò)同步光纖，控制器的顯示界面、變量參數(shù)以及程序等均可同步到另一控制器，作為備用控制器，同步時(shí)間可達(dá)ms量級(jí)。當(dāng)主控制器發(fā)生故障時(shí)，備用控制器可實(shí)現(xiàn)控制業(yè)務(wù)無(wú)縫切換，承擔(dān)主控制器的監(jiān)管和控制職責(zé)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性。

由于RFQ高頻腔具有高流強(qiáng)及高功率的特性，在其運(yùn)行過(guò)程中，腔壁及腔翼表面均會(huì)因?yàn)楣β薀釗p耗造成腔體整體溫度升高，從而引起相應(yīng)腔壁及腔翼局部發(fā)生變形，引發(fā)腔體的失諧和束流品質(zhì)的下降。所以，通過(guò)調(diào)控RFQ腔體內(nèi)部腔壁和腔翼的冷卻溫度及水流速度，從而實(shí)現(xiàn)RFQ高頻腔的頻率穩(wěn)定，因此，需對(duì)RFQ水冷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)并提供聯(lián)鎖保護(hù)。使用PC WORX軟件對(duì)PLC編程，完成對(duì)溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)的讀入和轉(zhuǎn)換，并在參數(shù)超限值時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)措施。為實(shí)現(xiàn)與EPICS的通信，在PLC上建立一個(gè)數(shù)據(jù)交換區(qū)，PLC和IOC均可對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)要求對(duì)RFQ腔壁的32路水路以及腔體162路水路的流量、溫度以及壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)腔壁總流量低于8.3 L/s或腔翼總流量低于4.1 L/s時(shí)，要求操作員界面給出報(bào)警信號(hào)。并在有下列情況出現(xiàn)時(shí)輸出一個(gè)24 V直流信號(hào)關(guān)閉功率源系統(tǒng)，避免腔體損壞：(1) 任何一路水路溫度高于23.6 ℃；(2) 腔壁總流量低于7.2 L/s、腔翼總流量低于3.6 L/s；(3) 操作員操作。

2) 冗余系統(tǒng)IOC

冗余系統(tǒng)的IOC開(kāi)發(fā)在目前加速器領(lǐng)域還未找到已應(yīng)用的先例，所以需自主開(kāi)發(fā)一套適用于該冗余系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。IOC作為EPICS的輸入輸出控制器，是將I/O設(shè)備信息納入EPICS控制最關(guān)鍵的部分。IOC中包含一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)采用分層的方法處理底層數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)依次通過(guò)記錄支持層、設(shè)備支持層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層訪(fǎng)問(wèn)底層硬件[5]。要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的被控設(shè)備和通信機(jī)制的EPICS控制，可通過(guò)編寫(xiě)特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)各自的功能。在冗余系統(tǒng)中，一旦IOC程序運(yùn)行，IOC作為T(mén)CP的客戶(hù)端，會(huì)主動(dòng)嘗試連接主PLC，建立網(wǎng)絡(luò)連接。一旦連接建立，則進(jìn)入相應(yīng)的讀寫(xiě)線(xiàn)程，監(jiān)聽(tīng)是否有數(shù)據(jù)可讀寫(xiě)，具體的冗余系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)與主PLC的網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)故障時(shí)，IOC驅(qū)動(dòng)將嘗試連接備PLC，以保障數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)備PLC處于backup狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)周期性通過(guò)ping指令來(lái)監(jiān)測(cè)備PLC的狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)備PLC出現(xiàn)連接異常，可及時(shí)更換和修理，確保主PLC發(fā)生異常時(shí)，備PLC可正常工作。當(dāng)IOC與主PLC的連接出現(xiàn)異常時(shí)，IOC驅(qū)動(dòng)程序立刻做出判斷并開(kāi)始與備PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)交換，防止數(shù)據(jù)的中斷和丟失，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

PLC和IOC的驅(qū)動(dòng)程序之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)周期性交換數(shù)據(jù)，且當(dāng)有數(shù)據(jù)改變時(shí)，以中斷的方式通知對(duì)方進(jìn)行讀取[6]，時(shí)間間隔為0.5 s。EPICS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供5種掃描方式：周期性?huà)呙?、事件?qū)動(dòng)、被動(dòng)處理、I/O中斷和一次掃描，因?yàn)槁?lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互量很大，使用I/O中斷的方式以避免頻繁的查詢(xún)，占用IOC資源。

圖3 冗余系統(tǒng)IOC設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

圖4 使用breakpoint table時(shí)db文件和dbd文件的關(guān)系

在RFQ水路的信息采集中，渦輪流量計(jì)采集的頻率(min-1)和流量的轉(zhuǎn)化關(guān)系是非線(xiàn)性的。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，使用PLC編程完成對(duì)所有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)處理完成后再發(fā)送給EPICS IOC。但使用PC WORX的FBD語(yǔ)言編程不易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非線(xiàn)性轉(zhuǎn)化。為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，后期對(duì)方案進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的工作移到EPICS中進(jìn)行處理。在EPICS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)于ai/ao(模擬量輸入/輸出)記錄，支持原始數(shù)據(jù)的非線(xiàn)性轉(zhuǎn)化。使用breakpoint table的方式，可根據(jù)已知的數(shù)據(jù)，擬合出記錄對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)關(guān)系，這樣記錄的原始值均可通過(guò)曲線(xiàn)找到對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化值。通過(guò)改進(jìn)，提高了記錄的數(shù)據(jù)精度。使用breakpoint table方式時(shí)，具體的dbd文件和db文件的處理格式和對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

2.2 固態(tài)功率源

ADS注入器Ⅱ目前使用的固態(tài)功率源工作頻率為(162.5±2) MHz，輸出功率大于40 kW，且有直流和脈沖兩種模式，脈沖占空比在1%～90%區(qū)間連續(xù)可調(diào)。為維持高頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，低電平系統(tǒng)通過(guò)對(duì)腔體的幅相進(jìn)行采樣，應(yīng)用PID控制改變驅(qū)動(dòng)級(jí)的RF功放，實(shí)現(xiàn)對(duì)腔體幅值和相位的閉環(huán)調(diào)制。功率源IOC實(shí)現(xiàn)了功率源總電流和入射、反射功率及各拖動(dòng)級(jí)和功率柜的頻率、入射功率、反射功率、駐波比、相位、各模塊狀態(tài)以及幅度等參數(shù)的設(shè)定和回讀。

固態(tài)功率源的控制量和數(shù)據(jù)傳輸量大，且需實(shí)時(shí)顯示腔體電壓幅值和相位的變化曲線(xiàn)。EPICS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的waveform數(shù)據(jù)記錄支持以數(shù)組的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的波形轉(zhuǎn)化。在固態(tài)功率源IOC中，使用到的數(shù)據(jù)類(lèi)型有ai、ao、longin、longout、bi、bo、mbbiDirect、mbboDirect以及calc[7]。

2.3 水冷機(jī)和真空計(jì)

水冷機(jī)的IOC能完成對(duì)水冷系統(tǒng)溫度的設(shè)定以及對(duì)水冷機(jī)出水口溫度和機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，真空計(jì)IOC實(shí)現(xiàn)對(duì)RFQ腔體真空度的回讀，并在真空度高于10-4Pa時(shí)在操作員界面給出報(bào)警信號(hào)。為消除水溫波動(dòng)對(duì)腔體頻率的影響，在水冷機(jī)內(nèi)部使用PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精確控制，溫度的控制和監(jiān)測(cè)精確度達(dá)0.1 ℃。為避免編寫(xiě)繁瑣的串口驅(qū)動(dòng)程序，使用串口服務(wù)器和Streamdevice開(kāi)發(fā)水冷機(jī)和真空計(jì)的IOC。Streamdevice基于數(shù)據(jù)流的設(shè)備通信驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)發(fā)送和接收字符串指令實(shí)現(xiàn)對(duì)串行或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制?；赟treamdevice的IOC相對(duì)簡(jiǎn)單，只需編寫(xiě)相應(yīng)的db文件和protocol文件，減少了驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的工作量。制冷機(jī)的協(xié)議中使用LRC校驗(yàn)，在Streamdevice中，原本沒(méi)有對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)格式，自行開(kāi)發(fā)了代碼植入到Streamdevice軟件包中，實(shí)現(xiàn)了LRC校驗(yàn)在Streamdevice中的應(yīng)用。

3 上層用戶(hù)界面

ADS注入器Ⅱ控制系統(tǒng)統(tǒng)一采用CSS開(kāi)發(fā)操作員界面。CSS基于JAVA開(kāi)發(fā)，具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，其提供的服務(wù)和API使開(kāi)發(fā)更容易，且界面較以往的MEDM和EDM等開(kāi)發(fā)工具更豐富、美觀(guān)，已成為目前加速器領(lǐng)域主流的OPI開(kāi)發(fā)工具。用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要下載和開(kāi)發(fā)插件，使用Eclipse集成以適合不同用戶(hù)的CSS軟件包。ADS注入器Ⅱ固態(tài)功率源和水冷機(jī)的調(diào)試界面如圖5所示。

圖5 功率源和水冷機(jī)調(diào)試界面

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

RFQ控制系統(tǒng)于2013年6月開(kāi)始運(yùn)行使用，基于該控制系統(tǒng)，目前RFQ與離子源已完成對(duì)接，并在脈沖模式下成功出束，現(xiàn)已開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)波模式的調(diào)束。運(yùn)行期間特別針對(duì)冗余系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，斷開(kāi)主PLC的網(wǎng)絡(luò)連接，備PLC可通過(guò)同步光纖將原有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)保存，實(shí)現(xiàn)故障無(wú)擾切換。在EPICS IOC端也實(shí)現(xiàn)了對(duì)冗余系統(tǒng)的管理，主PLC故障時(shí)并不影響操作員界面對(duì)各參量的監(jiān)測(cè)，IOC與備PLC能迅速進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)傳輸，避免數(shù)據(jù)丟失。

RFQ水溫聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)腔壁部分的界面如圖6所示，腔壁水路的溫度和流量等參數(shù)能被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。界面對(duì)主備PLC的連接狀態(tài)分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)連接進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示，當(dāng)連接出現(xiàn)異常時(shí)計(jì)數(shù)將終止。

圖6 RFQ聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)腔壁部分界面

圖7為調(diào)束過(guò)程中腔體電壓幅值和RFQ腔體水路溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖7a為腔體加速電壓幅值的波形曲線(xiàn)，縱坐標(biāo)是低電平采集的數(shù)值，即未進(jìn)行轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)，控制系統(tǒng)每秒采集256個(gè)點(diǎn)進(jìn)行波形顯示。由圖7a可知，腔體的幅值穩(wěn)定、變化平穩(wěn)，精度控制滿(mǎn)足RFQ對(duì)高頻系統(tǒng)的要求。圖7b中的T1～T7是在2013年10月27日某時(shí)刻腔壁和腔翼水路的7路溫度采樣信號(hào)，水溫的抽樣監(jiān)控結(jié)果表明，溫度的震蕩范圍在0.1 ℃以?xún)?nèi)。

圖7 RFQ腔體電壓幅值和水溫的監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

ADS注入器Ⅱ RFQ加速器的控制系統(tǒng)使用高性能的冗余PLC控制器搭建聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，軟件選用目前國(guó)際加速器控制主流的分布式EPICS軟件開(kāi)發(fā)包，實(shí)現(xiàn)了水溫聯(lián)鎖保護(hù)，滿(mǎn)足了高頻系統(tǒng)的要求，并完成了冗余PLC控制器的IOC開(kāi)發(fā)及管理。冗余系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)了RFQ腔體保護(hù)和運(yùn)行的可靠性，高頻控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)改善了高頻系統(tǒng)的性能。模型腔的測(cè)試表明，RFQ控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能滿(mǎn)足RFQ加速器調(diào)試和穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

在IOC驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室劉功發(fā)研究員的幫助，在此表示感謝。

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