西安200 MeV質子應用裝置控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王茂成， 程 誠， 鄒 運， 胡 闖， 王 強， 魏崇陽， 趙 晨， 朱益江， 楊 揚， 付振秋， 胡衛(wèi)杰， 王敏文， 劉臥龍， 趙銘彤， 王忠明， 王學武

(1. 西北核技術研究所， 西安 710024； 2. 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室， 西安 710024； 3. 清華大學 工程物理系， 北京 100084)

西安200 MeV質子應用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)是為宇航用核心電子器件的空間輻射效應研究與考核評估而建設的輻射模擬裝置。XiPAF由1臺7 MeV的直線加速器、中能輸運線、1臺最高輸出能量為200 MeV的同步加速器和高能輸運線組成[1]，包含直流電源、脈沖電源、高壓電源、剝離膜設備、插板閥、真空計、機械泵、分子泵、離子泵、溫度計和流量計等300多臺/套各類型設備。為實現(xiàn)對這些設備及其參數(shù)的遠程監(jiān)控，協(xié)調同步加速器注入、加速及引出等各階段不同設備按照特定時序工作，保障各類設備安全運行，本文基于實驗物理與工業(yè)控制系統(tǒng)(experimental physics and industrial control system, EPICS[2])，設計開發(fā)了XiPAF控制系統(tǒng)，為XiPAF安全穩(wěn)定運行和順利出束提供了有力保障。

1 總體設計

XiPAF被控設備多、分布廣，為方便設備調試、系統(tǒng)管理和后期運行維護，控制系統(tǒng)設計采用基于EPICS的分布式控制系統(tǒng)架構。

EPICS是由美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室(LANL)和阿貢國家實驗室(ANL)聯(lián)合開發(fā)的一套軟件工具集，是目前粒子加速器和天文望遠鏡等大科學裝置領域主流的控制系統(tǒng)開發(fā)軟件[3-6]。EPICS可以分為操作員界面(operator interface, OPI)、輸入輸出控制器(input/output controller, IOC)和通道訪問(channel access, CA)3部分，其中OPI是客戶端，基于TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，通過CA對服務端IOC進行訪問[2,7]。

XiPAF控制系統(tǒng)根據(jù)不同設備和分系統(tǒng)的控制需求，把控制系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)應用級、前端控制級和設備控制級3級。系統(tǒng)應用級主要包括所有OPI終端、系統(tǒng)服務器及數(shù)據(jù)庫等，前端控制級主要是運行各分系統(tǒng)IOC的工控機、事件發(fā)生器(event generator, EVG)和事件接收器(event receiver, EVR)等，設備控制級主要包括數(shù)臺連鎖可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)控制箱和所有被控設備。各層級之間通過控制與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接。此外，設備控制級的PLC控制箱和前端控制級的EVG/EVR等同步觸發(fā)設備也分別組成了連鎖保護網(wǎng)絡和同步與事件觸發(fā)網(wǎng)絡。整個控制系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 XiPAF控制系統(tǒng)總體架構示意圖Fig.1 Overall architecture schematic of control system for XiPAF

2 硬件設計

XiPAF的被控設備接口種類不一，主要包括DI/DO連鎖接口、觸發(fā)接口、RS485串口和以太網(wǎng)接口。對于現(xiàn)場流量計和水壓表等設備的開關觸點信號，采用美國Rockwell AB公司CompactLogix AB PLC1769系列模塊實現(xiàn)連鎖保護控制。該系列模塊性能好，運行穩(wěn)定，同時有配套的IOC驅動，便于控制程序開發(fā)。對觸發(fā)類接口，選用芬蘭MRF公司的cPCI-EVG-300事件觸發(fā)器和cPCI-EVR-300事件接收器為控制核心板卡，支持事件時鐘率50～125 MHz，全系統(tǒng)最大支持8種事件，144路硬件輸出。對真空計和離子泵電源等有RS485通信接口的設備，采用MOXA的NPORT6650-16系列串口服務器實現(xiàn)控制協(xié)議轉換成TCP/IP接入控制網(wǎng)絡。對有高壓隔離需求的被控設備，采用具備電光轉換功能的ADAM模塊實現(xiàn)高壓和控制網(wǎng)絡的隔離功能。

控制網(wǎng)絡采用樹形拓撲結構，所有設備均接入分系統(tǒng)交換機，再通過光纖連接到華為S7706中央核心交換機。IOC服務器是控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)、OPI終端及數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)服務數(shù)據(jù)交互的功能。運行IOC的平臺選用研華公司的IPC系列工控機，具備雙網(wǎng)卡，通過分別連接PLC控制箱和控制網(wǎng)，實現(xiàn)2個網(wǎng)絡的有效隔離。另外，通過采用多個工控機獨立控制各個分系統(tǒng)，使XiPAF分系統(tǒng)分階段調試和運行維護工作更加便捷靈活。XiPAF控制系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示。

圖2 XiPAF控制系統(tǒng)硬件結構圖Fig.2 Control system hardware structure of XiPAF

3 軟件設計

3.1 IOC設計

記錄IOC軟件中，從底層設備上讀取的控制變量是以過程變量(process value, PV)的形式存在于實時數(shù)據(jù)庫中[2, 8]；IOC通過分為3層的IOC驅動實現(xiàn)設備I/O功能，分別是記錄支持模塊、設備支持模塊和驅動模塊。記錄支持模塊與設備無關，只與數(shù)據(jù)庫記錄類型有關；設備支持模塊用于實現(xiàn)硬件I/O的具體功能；驅動模塊則用于初始化設備，建立設備與IOC的連接。在XiPAF控制系統(tǒng)中，所有待開發(fā)IOC的被控設備通信方式可分為串口和以太網(wǎng)2大類，采用EPICS自帶插件Asyn的drvAsynIPPortConfigure作為通用驅動接口，通過以太網(wǎng)設備IP或串口設備IP加端口號實現(xiàn)連接。因此IOC軟件開發(fā)的核心是針對不同類型設備和不同參數(shù)設計記錄支持和設備驅動2部分。

XiPAF控制系統(tǒng)在記錄支持層采用了多種記錄類型，其中，ai，ao，waveform，calc，calcout和stringout[9]使用次數(shù)最多。ai用于讀取設備狀態(tài)參數(shù)，包括電流和電壓等；ao用于給設備設置參數(shù)或狀態(tài)；waveform和stringout主要用于給設備下發(fā)波形；calc用于PV的轉換計算，calcout則把計算結果發(fā)送給設備。統(tǒng)計控制系統(tǒng)中主要IOC各類型記錄的數(shù)量如圖3所示。

圖3 IOC各類型記錄數(shù)量Fig.3 Number of all kinds of IOC records

在設備驅動層，控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同設備具體功能指令的不同，開發(fā)特異性驅動。以一臺直流電源的控制程序為例，其設備驅動主要指記錄中OUT域或INP域中的Set和Read函數(shù)，如下所示：

field(OUT, "@test.proto Set")

field(INP, "@test.proto Read")

Set{

out "x01x10x00x1b%2r%#";

in "x01x10x00x1b";

}

Read {

out "x01x03x00x1c%2r%#";

in "x01x03x00x1c";

}

在進行總體規(guī)劃時，為了方便分系統(tǒng)調試，根據(jù)各子系統(tǒng)劃分和被控設備統(tǒng)計結果，XiPAF控制系統(tǒng)共設計開發(fā)了6個IOC，其中，同步加速器IOC為了降低負載拆分為2個。每個IOC控制的設備數(shù)量和PV數(shù)量如圖4所示。

圖4 各IOC控制的設備數(shù)量和PV數(shù)量統(tǒng)計Fig.4 Device and PV number of IOCs

3.2 OPI設計

操作員接口(OPI)采用CSS(control system studio)開發(fā)[6,10,11]。CSS是基于Java開發(fā)的，目前加速器領域主流的OPI開發(fā)工具[7]，控件豐富，界面美觀，具備平臺無關性。

根據(jù)各分系統(tǒng)顯示需求和設備統(tǒng)計結果，在確定了統(tǒng)一的界面風格、字體、顏色及插件大小等外觀規(guī)范的基礎上，設計開發(fā)了系統(tǒng)級界面2個，真空、水冷、連鎖及束測等分系統(tǒng)界面23個，設備控制界面34個。共顯示直流電源設備67臺、脈沖電源設備22臺、高壓電源2臺等300余臺/套設備的控制界面。圖5-圖7分別是真空分系統(tǒng)、RF分系統(tǒng)和同步環(huán)分系統(tǒng)的OPI顯示界面。

圖5 真空分系統(tǒng)的OPIFig.5 OPI of vacuum sub-system

圖6 RF分系統(tǒng)的OPIFig.6 OPI of RF sub-system

圖7 同步環(huán)磁鐵電源的OPIFig.7 OPI of synchrotron power supply

3.3 同步觸發(fā)網(wǎng)絡設計

XiPAF同步觸發(fā)信號觸發(fā)的設備主要集中在直線加速器的射頻部分、束測系統(tǒng)電子學和同步加速器的脈沖電源部分。根據(jù)布局和接口數(shù)量要求，同步觸發(fā)網(wǎng)絡設計為樹形拓撲結構，由EVG將定時事件和信號轉換為光信號，通過扇出器(Fanout)分布到事件接收器陣列(EVRs)。EVRs對光學信號進行解碼，并根據(jù)時序事件產(chǎn)生硬件和軟件輸出信號。XiPAF同步定時系統(tǒng)結構如圖8所示：

圖8 XiPAF同步定時系統(tǒng)結構圖Fig.8 Structure diagram for synchronizationevent-triggered network of XiPAF

在該同步觸發(fā)網(wǎng)絡中，144路同步觸發(fā)信號均來源于同一信號源(EVG)，具有相同的起點，且互不干擾，可分別給觸發(fā)波形設置獨立且不同的頻率、脈寬和延時參數(shù)，有效保證了XiPAF各類觸發(fā)設備按照設定參數(shù)有序運行，穩(wěn)定出束。圖9給出了XiPAF在100 MeV出束條件下部分設備的時序圖。

圖9 XiPAF部分設備時序圖(100 MeV出束條件)Fig.9 Sequence diagram for some equipment of XiPAF(on state of 100 MeV beam)

XiPAF同步觸發(fā)網(wǎng)絡采用的EVG/EVR300系列板卡安裝在凌華公司的cPCI機箱內，采用以PCI電氣規(guī)范為基礎的cPCI總線，具有高開放性、高可靠性、可熱插拔(hot swap)性質，同時接口做了重大改進，使工控電腦具有高可靠性和高密度的優(yōu)點，適合工業(yè)現(xiàn)場使用。

3.4 連鎖保護系統(tǒng)設計

XiPAF控制系統(tǒng)采用連鎖保護系統(tǒng)(machine protection system，MPS)保護所屬設備安全。該系統(tǒng)主要在設備工作異?；蚬ぷ鲄?shù)超限時自動處理，通過關閉觸發(fā)信號切斷束流和關斷電源等手段保護設備安全。

根據(jù)響應時間要求和現(xiàn)有設備條件，連鎖保護系統(tǒng)由響應時間小于0.2 s的慢連鎖和響應時間小于2 s的軟連鎖組成。其中，慢連鎖由3個PLC機箱和1個PLC控制機柜組成，直接讀取設備狀態(tài)信號，并在分系統(tǒng)連鎖保護程序控制下，輸出對不同設備的狀態(tài)控制信號。3個PLC機箱負責控制直線加速器分系統(tǒng)的所有連鎖信號，并運行連鎖保護程序；PLC控制機柜則控制輸運線和同步環(huán)的所有設備連鎖信號，運行連鎖保護程序。軟連鎖則是將設備運行數(shù)據(jù)在IOC中處理成報警狀態(tài)信號再接入連鎖機箱。軟連鎖通過IOC與慢連鎖機箱實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，作為補充使連鎖保護功能更加完善。軟連鎖的工作流程如圖10所示。

圖10 軟連鎖的工作流程Fig.10 Workflow of soft interlock

連鎖保護系統(tǒng)運行各分系統(tǒng)連鎖保護程序，其中，最主要的連鎖保護邏輯可以分成真空連鎖保護和水冷連鎖保護2部分。真空連鎖可保護XiPAF的真空環(huán)境，防止誤開插板閥操作造成暴露大氣，同時避免操作不當損傷真空泵。分系統(tǒng)級的真空連鎖保護流程如圖11所示。

圖11 真空連鎖保護流程Fig.11 Workflow of vacuum interlocking protection

水冷連鎖是防止電源和磁鐵在冷卻水壓和水流量異常時繼續(xù)工作，避免設備損壞，水冷連鎖保護流程如圖12所示。為避免水壓表的瞬時報警信號影響XiPAF的工作狀態(tài)，連鎖程序對報警信號進行了延時確認處理。只有報警信號在延時3 s后仍然保持，連鎖程序才會動作關閉相關設備。同時為了方便調試，對部分水壓表和渦輪流量計增加了bypass功能，在調試階段，可以屏蔽故障信號，使調試正常進行。

圖12 水冷連鎖保護流程Fig.12 Workflow of water-cooled interlocking protection

此外，為更加有效的保護重要設備的安全，XiPAF控制系統(tǒng)還對觸發(fā)控制進行了冗余設計。將離子源和高頻功率源的觸發(fā)信號串聯(lián)接入連鎖保護系統(tǒng)，在信號異?；蛳嚓P設備故障時可同步切斷觸發(fā)輸出，實現(xiàn)切斷束流的功能。

3.5 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設計

XiPAF控制系統(tǒng)設計采用關系型數(shù)據(jù)庫MariaDB存儲歷史數(shù)據(jù)。使用存儲引擎(archive engine)讀取實時數(shù)據(jù)庫IOC中的PV數(shù)據(jù)，再通過Java數(shù)據(jù)庫連接的應用程序接口(java database connectivity, JDBC)批量存儲在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫的配置采用Archive Engine默認支持的數(shù)據(jù)庫模型。該數(shù)據(jù)庫模型使用sample表存儲所有PV的動態(tài)數(shù)據(jù)，用channel、chan_grp等其他表存儲PV的配置信息、PV組信息等靜態(tài)數(shù)據(jù)。Archive Engine默認數(shù)據(jù)庫模型如圖13所示。

圖13 Archive Engine默認數(shù)據(jù)庫模型Fig.13 Default database model of Archive Engine

數(shù)據(jù)庫中PV存儲的方式設定為固定周期存儲掃描和數(shù)據(jù)超限存儲2種。采用配置工具ArchiveConfigTool導入xml格式的配置文件的方式配置存儲方式、存儲周期和超限閾值[11]。存儲系統(tǒng)提供管理員賬戶和只讀賬戶。用戶在需要時，可以使用只讀賬戶通過CSS中的Data Browser或其他數(shù)據(jù)庫訪問軟件查詢歷史數(shù)據(jù)。圖14為Data Browser查詢真空PV結果圖。

圖14 Data Browser查詢真空PV結果圖Fig.14 Results of query vacuum PV using Data Browser

為提高數(shù)據(jù)準確性，降低服務器負載，進行了幾點設計優(yōu)化：1)配置局域時間同步系統(tǒng)網(wǎng)絡時間協(xié)議(network time protocol, NTP)，保證存儲數(shù)據(jù)的時間標簽一致性，使得同一時刻歷史數(shù)據(jù)可以互相對照。2)由于待存儲PV的數(shù)量達到1 000多個，將待存儲PV劃分到2個存儲引擎中分別存儲，有效降低了服務器的負載。3)對數(shù)值很少變化或變化非常緩慢的PV數(shù)據(jù)，根據(jù)實際情況對其存儲周期或存儲方式進行了優(yōu)化調整，有效降低了每天的實際數(shù)據(jù)存儲量。目前每天的歷史數(shù)據(jù)量約為100 Mbit(實驗時間約16 h)。

4 功能測試

4.1 控制系統(tǒng)功能測試

XiPAF控制系統(tǒng)建設開發(fā)完成后，對基本控制功能進行了測試，主要包括通信功能測試和設備控制功能測試。通信功能測試方面：1)遍歷測試所有在線設備的網(wǎng)絡連接情況，是否能夠正常訪問；2)測試所有OPI對IOC的訪問情況，看所有PV是否能正常讀取，且讀取的數(shù)值是否與對應設備的實際數(shù)值一致。設備控制功能測試方面：測試電源和真空泵等設備控制情況?？此性O備能否響應開關機指令，正確輸出設定的電源參數(shù)。測試結果表明，通信功能和設備控制功能均正常工作。

4.2 同步觸發(fā)網(wǎng)絡測試

主要測試了2部分的內容：1)測試同步觸發(fā)事件、觸發(fā)參數(shù)設置和輸出波形。結果顯示設置參數(shù)正常，輸出的觸發(fā)波形完全符合設置參數(shù)。2)測試同步觸發(fā)信號的指標參數(shù)，主要包括同步定時準確度、抖動和最小可調節(jié)步長。在脈沖寬度設置為40 ns時，同步觸發(fā)信號指標參數(shù)測試結果列于表1。

表1 脈沖寬度為40 ns時，同步觸發(fā)信號指標參數(shù)測試結果Tab.1 Test results of synchronization event-triggerednetwork when pulse width of 40 ns

4.3 連鎖保護系統(tǒng)測試

主要測試連鎖輸入點狀態(tài)、連鎖程序連鎖功能和連鎖響應時間3部分內容。測試結果表明，所有設備狀態(tài)輸入均能在連鎖機箱中正常顯示；連鎖程序能對真空和流量計等各類報警信號正確響應。采用PLC反應時間測試盒和示波器對LINAC和RING分系統(tǒng)進行了連鎖響應時間測試。分別測試了LINAC分系統(tǒng)內、LINAC和RING分系統(tǒng)間的連鎖響應時間，圖15為LINAC分系統(tǒng)內連鎖響應時間tL的測量波形。

(a) tL=24.2 ms

圖16為LINAC和RING分系統(tǒng)間的連鎖響應時間tB的測量波形，連鎖響應時間測試結果如表2所列。由圖15、圖16及表2可見，測試結果滿足分系統(tǒng)內低于100 ms、分系統(tǒng)間低于300 ms的指標要求。

(a) tB=83.0 ms

表2 連鎖響應時間測試結果Tab.2 Test results of chain response time

4.4 可靠性測試

利用調束過程中設備長期工作的契機，在長時間連續(xù)運行的條件下，對XiPAF控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性進行了測試。結果表明，XiPAF控制系統(tǒng)在最長連續(xù)運行的5個月時間內均能正常工作，具備穩(wěn)定和可靠性高的特點。

5 結論

結合裝置實際需求，基于EPICS的3層結構設計開發(fā)了分布式的XiPAF控制系統(tǒng)。在規(guī)劃設計的控制系統(tǒng)架構的基礎上，開發(fā)了不同設備的IOC設備驅動、控制程序和一系列系統(tǒng)級設備級OPI界面；分別設計開發(fā)完成了同步觸發(fā)網(wǎng)絡和設備安全連鎖保護系統(tǒng)；基于MariaDB設計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。XiPAF控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對所有設備的遠程檢測、控制、觸發(fā)和連鎖保護功能和數(shù)據(jù)庫存儲功能。自2019年底同步加速器開始調束以來，XiPAF控制系統(tǒng)已穩(wěn)定可靠工作一年以上，能夠滿足裝置調束和運行的需要。

致謝

感謝項目組閆逸花、呂偉、張輝、王百川、王迪、楊業(yè)、符育盟等給予的幫助和支持；感謝西北核技術研究所孫彬給予的指導和幫助；感謝清華大學賈燕慶和北京合志超越公司的同仁給予的指導和幫助；感謝中國科學院高能物理研究所劉佳、張玉亮、吳煊、郭鳳琴等同仁給予的指導和幫助。