基于NI cRIO的合肥光源冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)

陳 曦 王季剛 宣 科 李 川 文鵬權(quán)蔣思遠 劉功發(fā)

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家同步輻射實驗室 合肥 230029）

1 系統(tǒng)概述

合肥光源(Hefei Light Source, HLS)是以真空紫外和軟X射線為主的專用同步輻射光源。為了提高其供光亮度并提供更多的儲存環(huán)直線節(jié)，2009年底啟動了合肥光源重大維修改造項目，冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)是此次重大維修改造項目的一部分。

冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測分布在合肥光源范圍內(nèi)的冷卻水溫度、壓力和流量，以及磁鐵溫度和隧道環(huán)境溫度。這些信號分布范圍廣，環(huán)境復(fù)雜，但變化不快，采樣頻率的要求為1 Hz，溫度的測量準確度要求為±0.5 °C，壓力和流量的測量精度要求為±2%。

因此，在硬件設(shè)計時主要考慮其抗電磁干擾能力和擴展性能。而在軟件設(shè)計時主要考慮與EPICS（一種廣泛應(yīng)用于大科學(xué)裝置的大型分布式控制系統(tǒng)的軟件運行環(huán)境和開發(fā)平臺）的兼容性，以保持與合肥光源控制系統(tǒng)總體設(shè)計的一致性，因為合肥光源控制系統(tǒng)是基于EPICS開發(fā)的。

可重配置嵌入式工業(yè)控制器(cRIO)是美國國家儀器公司(NI)專為惡劣環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的，可熱插拔的I/O模塊種類齊全，支持LabVIEW圖形化編程，并存在現(xiàn)成的EPICS接口程序，易于將系統(tǒng)集成到EPICS環(huán)境中。冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)采用cRIO作為硬件平臺，并采用LabVIEW作為編程語言。

2 硬件結(jié)構(gòu)

冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測冷卻水溫度、壓力和流量，以及磁鐵溫度和隧道環(huán)境溫度等信號。這些信號分布在合肥光源的整個范圍內(nèi)，總計596個。冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，上位機通過以太網(wǎng)與18臺NI cRIO-9073控制器相連。在NI cRIO 9073的機箱內(nèi)插入2種類型的I/O 模塊，即NI 9217和NI 9208，分別用于測量電阻信號和電流信號。

冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測冷卻水溫度、壓力和流量，以及磁鐵溫度和隧道環(huán)境溫度等信號。這些信號分布在合肥光源的整個范圍內(nèi)，總計596個。溫度傳感器為Pt100，精度為A級；壓力傳感器是上海自動化儀表股份有限公司生產(chǎn)的電阻式遠傳壓力表YTZ-150，精度為1.5級；流量傳感器為合肥福斯達測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 FMCLUGB系列渦街流量計，精度為±1%。冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示，上位機通過以太網(wǎng)與 18臺 NI cRIO-9073控制器相連。在NI cRIO 9073的機箱內(nèi)插入2種類型的I/O模塊，即NI 9217和NI 9208，分別用于測量電阻信號和電流信號。

NI 9217模塊支持4個通道的3線制/4線制RTD信號輸入，采樣率為400 S/s，具有50/60 Hz工頻干擾抑制功能。NI 9217模塊用于測量溫度信號和壓力信號。NI 9208模塊支持16個通道電流信號輸入，采樣率為500 S/s，具有50/60 Hz工頻干擾抑制功能。NI 9208模塊用于測量流量信號。

圖1 合肥光源冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of the HLS cooling water monitor system.

3 軟件設(shè)計

冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)的軟件有兩個方面的任務(wù)，一方面是讀取并處理來自測點信號的數(shù)據(jù)，另一方面是將數(shù)據(jù)發(fā)布到EPICS環(huán)境中。目前有多種方法可以將NI cRIO裝置集成到EPICS環(huán)境中。例如，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)為LabVIEW開發(fā)了通道訪問協(xié)議服務(wù)端(Channel Access Server, CAS)的接口程序[1]；美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)開發(fā)了在cRIO實時控制器上直接運行EPICS IOC的技術(shù)[2]。NI也開發(fā)了一個稱為“EPICS Server I/O Server”的接口程序，該接口程序集成在LabVIEW Real Time版本中。在LabVIEWReal Time環(huán)境下編程，可實現(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)布到 EPICS環(huán)境中的任務(wù)，EPICS Server I/O Server使得cRIO對外表現(xiàn)為一個EPICS節(jié)點[3?4]?？紤]到技術(shù)支持方面的原因，我們采用了NI公司開發(fā)的接口程序“EPICS Server IO Server”將冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布到EPICS環(huán)境中。

軟件系統(tǒng)的設(shè)計以EPICS ServerI/O Server為核心，針對所采用的硬件開發(fā)了一個帶配置文件的LabVIEW軟件包，以方便軟件的部署和調(diào)試。軟件包主要由以下三部分組成：(1) cRIO Run(RT).vi；(2)Generate Configure File(Main).vi；(3) cRIOImage.vi。

cRIO Run(RT).vi是在cRIO-9073中運行的主程序，其流程圖如圖2所示。cRIO Run(RT).vi按照一定的規(guī)范生成實時可執(zhí)行文件 startup.rtexe。將startup.rtexe下載到cRIO 9073中，并設(shè)置為開機自啟動。startup.rtexe啟動后會自動搜尋cRIO-9073中的配置文件，查找到配置文件后會根據(jù)配置文件中機箱及安裝在機箱中的模塊信息來匹配當(dāng)前的機箱及模塊。如果匹配失敗，通過指示燈 USER1 LED的閃爍來提示用戶。匹配成功后，startup.rtexe根據(jù)配置文件中各個模塊的參數(shù)處理接收到的信號，并將信號轉(zhuǎn)化為測量值，然后調(diào)用EPICS Server I/O Server把測量值以過程變量(PV)的形式發(fā)布到EPICS環(huán)境中。在發(fā)布的PV中有3個與時間相關(guān)的量，分別記錄cRIO-9073的當(dāng)前時間、開始時間以及持續(xù)運行時間，cRIO-9073的系統(tǒng)時間是通過NTP協(xié)議與時間服務(wù)器同步的。圖3所示為cRIO Run(RT).vi調(diào)用的核心程序DeployEPICS.vi的程序代碼，其功能為發(fā)布測量信號以及時間信號到EPICS環(huán)境中。

圖2 cRIO Run(RT).vi程序流程圖Fig.2 Flow chart of cRIO Run(RT).vi.

Generate Configure File(Main).vi用來生成配置文件。在Generate Configure File(Main).vi中可配置機箱序列號、模塊序列號、信號類型、PV名和數(shù)據(jù)處理參數(shù)等信息，信息配置完成后可生成配置文件PVConfiguration.txt，并可將該配置文件批量部署到多個cRIO-9073中。生成的配置文件可以使用任意編輯器進行編輯，只要保證格式正確即可。

cRIOImage.vi用于生成鏡像文件，并且可將鏡像文件批量部署到多個cRIO-9073中。通過測試確定某一臺 cRIO-9073可以穩(wěn)定運行后，采用cRIOImage.vi對這臺cRIO-9073中的所有軟件（軟件環(huán)境、startup.rtexe和配置文件）進行克隆，生成一個鏡像文件。將此鏡像文件批量安裝到cRIO-9073中，部署的cRIO-9073便具有了與測試穩(wěn)定的cRIO-9073相同的軟件環(huán)境、startup.rtexe和配置文件。

圖3 DeployEPICS.vi程序代碼Fig.3 Code of DeployEPICS.vi.

4 系統(tǒng)安裝和調(diào)試

采用cRIOImage.vi將鏡像文件批量部署到所有cRIO-9073中，整個軟件部署過程十分方便快捷。由于采用配置文件的方式，在增加測量點或改變測量點的信息時，只需修改對應(yīng)cRIO-9073的配置文件PVConfiguration.txt，對其它cRIO-9073沒有任何影響。部署完成后，借助 NI分布式管理器可以方便地查看每個PV的值，以逐點檢查信號連接與數(shù)據(jù)處理情況。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)NI的EPICS Server IO Server接口在cRIO平臺上只支持VAL字段，不提供報警處理，也不提供時間戳。以上的功能缺失對標準的EPICS CA客戶端工具會有一些影響，但在合肥光源冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)中是可以接受的。

圖4 合肥光源冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測界面Fig.4 Interface of HLS cooling water monitor system.

cRIO-9073上的 PV也可以通過標準的EPICSCA客戶端工具讀取，如probe、edm、Channel Archiver等。圖4所示的是采用edm開發(fā)的冷卻水系統(tǒng)監(jiān)測界面，其左側(cè)為冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)的總界面，點擊其中的任意一個按鈕可以打開對應(yīng)的監(jiān)測界面，如圖4右側(cè)的直線加速器四極磁鐵溫度監(jiān)測界面?？梢?，監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)精度滿足設(shè)計要求。

目前系統(tǒng)處于試運行狀態(tài)，運行狀況良好，監(jiān)測界面操作簡單，基于Channel Archiver的數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)工作正常，達到了設(shè)計目標。

5 結(jié)語

合肥光源冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)采用 NI公司的cRIO作為硬件平臺，以 LabVIEW 為編程語言，并采用NI公司開發(fā)的接口程序“EPICS Server IO Server”將系統(tǒng)集成到 EPICS中。由于采用鏡像方式安裝cRIO-9073中的所有軟件，并采用自動匹配配置文件的方式，使得軟件的安裝和調(diào)試十分方便快捷。雖然NI公司開發(fā)的EPICS接口程序EPICS Server I/O Server在cRIO平臺上的功能不夠完善，但對合肥光源冷卻水監(jiān)測系統(tǒng)的影響不大。系統(tǒng)的試運行表明其性能穩(wěn)定，操作簡單，擴展性好，達到了系統(tǒng)設(shè)計目標。

致謝 感謝 NI公司鄭凱、楊凱、王曉輝和王電令等工程師在LabVIEW編程方面的技術(shù)支持。

1 Zhukov A, Blokland W, Dickson R. EPICS channel access implementation in LabVIEW[C]. Proceedings of ICALEPCS 2009, Kobe, Japan, Oct. 2009: 712?714

2 Bj?rklund E, Veeramani A, Debelle T. Using EPICS enabled industrial hardware for upgrading control systems[C]. Proceedings of ICALEPCS 2009, Kobe,Japan, Oct. 2009: 555?557

3 Veeramani A, Debelle T, Blokland W, et al. Options for interfacing EPICS to COTS hardware through LabVIEW[C]. Proceedings of ICALEPCS 2009, Kobe,Japan, Oct. 2009: 913?915

4 Interactively Configuring EPICS I/O Servers[OL].http://www.ni.com/white-paper/14149/en, 2012