上海光源儲(chǔ)存環(huán)機(jī)器保護(hù)系統(tǒng)升級(jí)

于春蕾，陳建鋒，張 瑩，閻映炳,*

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2.中國(guó)科學(xué)院 上海高等研究院，上海 200120)

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)是我國(guó)設(shè)計(jì)建設(shè)的第3代同步輻射光源，已于2009年4月面向用戶(hù)開(kāi)放，其核心裝備儲(chǔ)存環(huán)是1臺(tái)環(huán)形加速器，周長(zhǎng)432 m，電子束能量3.5 GeV[1-2]。上海光源線(xiàn)站工程(二期)是國(guó)家“十二五”重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，于2016年11月正式開(kāi)工建設(shè)。二期工程通過(guò)改造和提升加速器各系統(tǒng)來(lái)拓展光源性能，涉及磁聚焦結(jié)構(gòu)改造，新增超導(dǎo)與低溫插入件和三次諧波超導(dǎo)腔設(shè)計(jì)、機(jī)器保護(hù)系統(tǒng)升級(jí)等。機(jī)器保護(hù)系統(tǒng)(machine protection system, MPS)又稱(chēng)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，能在加速器不同的運(yùn)行模式下有效保證設(shè)備的安全運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備信息的異常和故障，輸出聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)并提示報(bào)警狀態(tài)[3-4]。

隨著上海光源線(xiàn)站工程(二期)的實(shí)施和推進(jìn)，加速器增加了超高磁場(chǎng)二極鐵、超導(dǎo)扭擺器、低溫波蕩器等一系列設(shè)備，對(duì)機(jī)器保護(hù)系統(tǒng)提出了更多的聯(lián)鎖需求。首先，新增的設(shè)備聯(lián)鎖接口數(shù)量和種類(lèi)超出了現(xiàn)有MPS預(yù)留的擴(kuò)展容量；其次，新型設(shè)備的控制邏輯和接口出現(xiàn)了多樣化和跨單元的要求，這是現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法涵蓋的功能需求。同時(shí)結(jié)合上海光源的物理需求，MPS響應(yīng)時(shí)間要求為本單元內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于20 ms，單元間的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于50 ms。如何能有效滿(mǎn)足二期工程新增設(shè)備的聯(lián)鎖需求，并實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有系統(tǒng)框架下新系統(tǒng)的有效集成，是本次改造工程需解決的問(wèn)題。針對(duì)目前的系統(tǒng)現(xiàn)狀和新增的功能需求，本文采用基于FL-net的配置方式實(shí)現(xiàn)MPS跨單元的數(shù)據(jù)交互，并增加軟硬件擴(kuò)充部分，以滿(mǎn)足二期線(xiàn)站及后續(xù)項(xiàng)目發(fā)展的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 SSRF MPS結(jié)構(gòu)

考慮到可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)成熟可靠的技術(shù)和在工控、加速器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，上海光源機(jī)器保護(hù)系統(tǒng)是基于PLC的硬件聯(lián)鎖系統(tǒng)[5-6]。MPS采用日本Yokogawa FA-M3系列PLC進(jìn)行搭建，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，是以PLC為核心，基于網(wǎng)絡(luò)、實(shí)驗(yàn)物理和工業(yè)控制系統(tǒng)(experimental physics and industrial control system, EPICS)設(shè)計(jì)的分布式控制系統(tǒng)。聯(lián)鎖輸入、輸出信號(hào)全部為通過(guò)電纜直接連接的硬件信號(hào)，運(yùn)行參數(shù)全部保存在PLC控制器內(nèi)。因此，聯(lián)鎖保護(hù)邏輯功能不依賴(lài)于后臺(tái)軟件，在MPS設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，后臺(tái)軟件和網(wǎng)絡(luò)故障以及界面關(guān)閉和IOC重啟等均不影響系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)功能[7]。

整個(gè)上海光源的MPS體系使用了分級(jí)管理和設(shè)計(jì)的方案，按總體級(jí)、分總體級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)4層進(jìn)行部署和設(shè)計(jì)[8]。總體級(jí)MPS即中控MPS，處于MPS體系的最上層，主要負(fù)責(zé)裝置運(yùn)行模式與運(yùn)行狀態(tài)的聯(lián)鎖控制、對(duì)各分總體級(jí)MPS的監(jiān)控、總體級(jí)聯(lián)鎖功能實(shí)現(xiàn)、中控的聲光報(bào)警以及MPS的操作接口等功能。分總體級(jí)MPS根據(jù)加速器的直線(xiàn)(LA)、增強(qiáng)器(BS)和儲(chǔ)存環(huán)(SR) 3個(gè)組成部分設(shè)置了LA-MPS、BS-MPS、SR-MPS 3個(gè)分總體級(jí)。分總體級(jí)分別連接各系統(tǒng)級(jí)MPS，并獨(dú)立完成各分總體級(jí)內(nèi)部的聯(lián)鎖邏輯功能，3個(gè)分總體級(jí)間通過(guò)直接的硬件信號(hào)連接實(shí)現(xiàn)分總體級(jí)之間的聯(lián)鎖信號(hào)交互和邏輯功能。

1.2 儲(chǔ)存環(huán)MPS結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)級(jí)MPS也稱(chēng)本地PLC子站，上海光源儲(chǔ)存環(huán)按結(jié)構(gòu)和工藝劃分成20個(gè)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝，因此儲(chǔ)存環(huán)共設(shè)20個(gè)系統(tǒng)級(jí)MPS單元，結(jié)構(gòu)示于圖2。每個(gè)單元MPS站點(diǎn)控制本單元的聯(lián)鎖邏輯和設(shè)備輸出，監(jiān)控本單元的真空?qǐng)?bào)警/預(yù)警信號(hào)、閥門(mén)、真空室溫度、冷卻水流量和溫度以及其他子系統(tǒng)的狀態(tài)信息。因?yàn)閮?chǔ)存環(huán)的真空聯(lián)鎖邏輯需參照相鄰單元的真空狀態(tài)，故每個(gè)單元用電纜進(jìn)行硬接線(xiàn)連接，將上游單元的真空狀態(tài)傳遞給下游PLC單元。

圖2 上海光源儲(chǔ)存環(huán)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System architecture of MPS for SSRF storage ring

20個(gè)系統(tǒng)級(jí)MPS將每個(gè)單元的聯(lián)鎖狀態(tài)傳遞給儲(chǔ)存環(huán)分總體級(jí)MPS，同時(shí)，系統(tǒng)級(jí)MPS通過(guò)傳遞周期性心跳信號(hào)，分總體級(jí)MPS可監(jiān)視各單元PLC是否出現(xiàn)故障或網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題，進(jìn)一步保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。儲(chǔ)存環(huán)分總體級(jí)MPS對(duì)各單元聯(lián)鎖輸入信號(hào)進(jìn)行綜合判斷，控制儲(chǔ)存環(huán)的功率允許、注入允許信號(hào)輸出，并在相應(yīng)聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存環(huán)閥門(mén)的聯(lián)鎖控制。此外，儲(chǔ)存環(huán)分總體級(jí)還會(huì)輸出增強(qiáng)器引出允許和電子槍觸發(fā)允許信號(hào)來(lái)控制直線(xiàn)加速器和增強(qiáng)器的停束操作。

2 單元間通信

上海光源現(xiàn)有的MPS結(jié)構(gòu)各級(jí)和各單元PLC均存在信號(hào)通信需求，目前使用電纜直接連接的方法實(shí)現(xiàn)，且未預(yù)留更多的單元間信號(hào)接口。但二期線(xiàn)站工程新增的低溫波蕩器需獲取相鄰兩單元的閥門(mén)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算，另外因未來(lái)的需求具備不確定性，無(wú)法確定不同單元之間信號(hào)接口的數(shù)量規(guī)模。因此從總體方案上來(lái)說(shuō)，通過(guò)主機(jī)間通信接口模塊將各單元PLC連接起來(lái)，新增加的單元間接口信號(hào)只需在PLC內(nèi)部修改配置，而不再需重新鋪設(shè)信號(hào)電纜，這是本次改造采取的解決方案。

FA-M3系列PLC支持FA-Link和FL-net兩種單元間通信接口。FA-Link通過(guò)光纖通信，各單元間可按菊花鏈的方式進(jìn)行連接。在實(shí)驗(yàn)室搭建FA-Link測(cè)試平臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)、光纖距離和共享寄存器數(shù)量的增多，F(xiàn)A-Link方式的節(jié)點(diǎn)間響應(yīng)時(shí)間一般控制在200 ms內(nèi)，已遠(yuǎn)超出了上海光源對(duì)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的要求。另外，使用菊花鏈的連接方式，一旦運(yùn)行過(guò)程中某節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可靠性降低。而FL-net的響應(yīng)時(shí)間一般可控制在50 ms以?xún)?nèi)，因此選擇FL-net方案對(duì)全環(huán)MPS進(jìn)行升級(jí)改造。

圖3 改造后MPS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Network structure of MPS after upgrade

FL-net是一可用于連接多種可編程控制器、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器和自動(dòng)化控制器產(chǎn)品的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)[9]。各單元PLC使用FL-net網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)FL-net模塊實(shí)現(xiàn)單元間數(shù)據(jù)共享。FL-net對(duì)網(wǎng)絡(luò)有特殊要求，因此在上海光源建立了獨(dú)立于控制網(wǎng)的FL-net專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。此外，對(duì)儲(chǔ)存環(huán)所有MPS單元CPU進(jìn)行升級(jí)，新CPU型號(hào)為CPU SP71-4S，替代原本CPU SP53-4S和網(wǎng)絡(luò)模塊LE11-0T的功能。為提高網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性，減少網(wǎng)絡(luò)占用率，采用設(shè)備網(wǎng)與控制網(wǎng)隔離的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，IOC使用兩個(gè)網(wǎng)段分別連接IOC和OPI，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

FL-net符合通用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)特性，采用以太網(wǎng)作為通信媒體(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)FA(factory automation)控制器的通信需求。FL-net協(xié)議共有6層，如圖4所示。與TCP相比，UDP具有反應(yīng)時(shí)間快、網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)小的優(yōu)勢(shì)，因此FL-net采用UDP/IP協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)快速通信。Yokogawa FL-net模塊支持循環(huán)傳輸和報(bào)文傳輸兩種傳輸模式，通過(guò)令牌控制完成數(shù)據(jù)通信。循環(huán)傳輸是通過(guò)共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)共享，而報(bào)文傳輸用于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的按需傳輸。FL-net的連接方式不存在主控節(jié)點(diǎn)，任意1個(gè)節(jié)點(diǎn)均可隨時(shí)安全地加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此FL-net相對(duì)于FA-Link的安全性和可靠性更高。

圖4 FL-net協(xié)議Fig.4 FL-net protocol

FL-net支持8K位+8K字的大容量共享內(nèi)存，對(duì)應(yīng)L寄存器和W寄存器兩種共享寄存器類(lèi)型。每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)分配兩種類(lèi)型的發(fā)送區(qū)，依據(jù)上海光源目前單元間數(shù)據(jù)共享的需求，目前每單元共分配了128個(gè)L寄存器和128個(gè)W寄存器，使用WideField 3軟件完成了各節(jié)點(diǎn)的寄存器分配，配置示于圖5。FL-net支持在線(xiàn)配置和讀取參數(shù)和狀態(tài)信息，包括節(jié)點(diǎn)號(hào)、共享內(nèi)存地址和大小、節(jié)點(diǎn)連接狀態(tài)、看門(mén)狗時(shí)間等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息。

圖5 FL-net節(jié)點(diǎn)設(shè)置Fig.5 Setup of FL-net nodes

3 擴(kuò)展部分框架設(shè)計(jì)

上海光源現(xiàn)有控制系統(tǒng)中，儲(chǔ)存環(huán)機(jī)器保護(hù)系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)單元的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建綜合布線(xiàn)系統(tǒng)，將儲(chǔ)存環(huán)20個(gè)單元的MPS軟硬件系統(tǒng)在1套統(tǒng)一的架構(gòu)模板下設(shè)計(jì)與實(shí)施。原標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)容多、布線(xiàn)復(fù)雜，為避免對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)單元的影響，改造方案將單元聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)為由標(biāo)準(zhǔn)部分和擴(kuò)充部分組成，如圖6所示。原有系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)作為標(biāo)準(zhǔn)部分，基本保持不變；每單元增加的軟硬件作為擴(kuò)充部分，擴(kuò)充部分獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和布線(xiàn)，并與標(biāo)準(zhǔn)部分實(shí)現(xiàn)接口與集成，形成一套新的完整的單元聯(lián)鎖系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法既能保持單元聯(lián)鎖主體系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和穩(wěn)定性，又可靈活實(shí)現(xiàn)各單元因新型插入件項(xiàng)目等產(chǎn)生的不同的新聯(lián)鎖需求。

圖6 改造后單元聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)Fig.6 Cell interlock structure after upgrade

每個(gè)單元的PLC擴(kuò)充部分使用13槽基板，本次改造預(yù)裝8個(gè)I/O模塊，目前I/O容量為64個(gè)數(shù)字量輸入和24個(gè)數(shù)字量輸出，其余部分可按以后各單元的不同需求靈活配置。擴(kuò)展部分通過(guò)光纖與原標(biāo)準(zhǔn)單元PLC連接，使用FA-bus模塊實(shí)現(xiàn)通信功能。

原PLC聯(lián)鎖程序邏輯復(fù)雜且各單元統(tǒng)一，為避免破壞原PLC程序結(jié)構(gòu)，新增的聯(lián)鎖功能和FL-net單元間數(shù)據(jù)通信功能等作為新的BLOCK進(jìn)行設(shè)計(jì)編寫(xiě)。同樣，EPICS的軟件設(shè)計(jì)包括IOC和OPI界面的開(kāi)發(fā)[10]，擴(kuò)展部分將獨(dú)立于原標(biāo)準(zhǔn)部分進(jìn)行單獨(dú)開(kāi)發(fā)。這樣，擴(kuò)充部分的I/O軟硬件設(shè)計(jì)不再受標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)約束，但從整個(gè)儲(chǔ)存環(huán)MPS的框架結(jié)構(gòu)看，儲(chǔ)存環(huán)仍由20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元組成，各單元的軟硬件接口形式一致，擴(kuò)充部分的技術(shù)路線(xiàn)和技術(shù)性能也一致，以形成新的標(biāo)準(zhǔn)單元。

4 系統(tǒng)測(cè)試

上海光源MPS升級(jí)改造工作于2018年7月完成對(duì)儲(chǔ)存環(huán)分總體級(jí)MPS和20個(gè)系統(tǒng)級(jí)MPS的擴(kuò)展單元安裝、布線(xiàn)，新加入了前端區(qū)、canted電源及真空聯(lián)鎖信號(hào)，并在擴(kuò)展部分實(shí)現(xiàn)了新增的聯(lián)鎖邏輯功能。經(jīng)在線(xiàn)運(yùn)行半年以上，改造后的MPS運(yùn)行穩(wěn)定，原聯(lián)鎖功能運(yùn)行正常，并未受到此次升級(jí)改造的影響。

2019年1月將單元間的閥門(mén)信號(hào)通過(guò)FL-net方式加入到低溫波蕩器的真空聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)了FL-net在上海光源MPS的正式上線(xiàn)應(yīng)用。系統(tǒng)在線(xiàn)運(yùn)行超過(guò)3個(gè)月時(shí)間，期間未出現(xiàn)因FL-net數(shù)據(jù)傳輸異常而引起的掉束或誤聯(lián)鎖現(xiàn)象，可靠性得到了檢驗(yàn)。

響應(yīng)時(shí)間是MPS的關(guān)鍵指標(biāo)，因此對(duì)應(yīng)用FL-net后系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。使用儲(chǔ)存環(huán)的2個(gè)PLC單元搭建測(cè)試平臺(tái)，在單元1同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)脈沖輸出信號(hào)，1個(gè)通過(guò)FL-net方式傳遞到單元2的PLC輸出，1個(gè)直接通過(guò)電纜連接到單元2，在單元2用示波器測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)脈沖的上升沿時(shí)間差作為系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間(梯形圖執(zhí)行時(shí)間可忽略不計(jì))。采樣3 000次以上，結(jié)果表明應(yīng)用FL-net后系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間約14 ms，最大響應(yīng)時(shí)間小于21 ms(圖7)，滿(mǎn)足上海光源MPS單元間響應(yīng)時(shí)間50 ms以?xún)?nèi)的物理需求。

圖7 FL-net響應(yīng)時(shí)間測(cè)試Fig.7 Test of FL-net response time

5 小結(jié)

上海光源機(jī)器保護(hù)系統(tǒng)使用FL-net技術(shù)完成了儲(chǔ)存環(huán)分總體級(jí)MPS和20個(gè)系統(tǒng)級(jí)PLC單元間的數(shù)據(jù)共享，且擴(kuò)充部分通過(guò)統(tǒng)一的接口和模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立開(kāi)發(fā)和有效整合。此次升級(jí)改造工作保持了聯(lián)鎖系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，且FL-net的應(yīng)用和層次化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靈活滿(mǎn)足今后不同的聯(lián)鎖需求。經(jīng)在線(xiàn)測(cè)試，MPS升級(jí)改造工程運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，各方面性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，有效滿(mǎn)足了目前二期線(xiàn)站項(xiàng)目的聯(lián)鎖需求，且為后續(xù)工程的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。