陳 曦 王季剛 宣 科 李 川 文鵬權(quán)蔣思遠(yuǎn) 劉功發(fā)

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)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(chǔ)存環(huán)直線節(jié)，2009年底啟動(dòng)了合肥光源重大維修改造項(xiàng)目，冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是此次重大維修改造項(xiàng)目的一部分。

冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)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(hào)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(cè)量準(zhǔn)確度要求為±0.5 °C，壓力和流量的測(cè)量精度要求為±2%。

因此，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮其抗電磁干擾能力和擴(kuò)展性能。而在軟件設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)行環(huán)境和開(kāi)發(fā)平臺(tái)）的兼容性，以保持與合肥光源控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的一致性，因?yàn)楹戏使庠纯刂葡到y(tǒng)是基于EPICS開(kāi)發(fā)的。

可重配置嵌入式工業(yè)控制器(cRIO)是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)專為惡劣環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)采用cRIO作為硬件平臺(tái)，并采用LabVIEW作為編程語(yǔ)言。

2 硬件結(jié)構(gòu)

冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)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(hào)。這些信號(hào)分布在合肥光源的整個(gè)范圍內(nèi)，總計(jì)596個(gè)。冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與18臺(tái)NI cRIO-9073控制器相連。在NI cRIO 9073的機(jī)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(cè)量電阻信號(hào)和電流信號(hào)。

冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)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(hào)。這些信號(hào)分布在合肥光源的整個(gè)范圍內(nèi)，總計(jì)596個(gè)。溫度傳感器為Pt100，精度為A級(jí)；壓力傳感器是上海自動(dòng)化儀表股份有限公司生產(chǎn)的電阻式遠(yuǎn)傳壓力表YTZ-150，精度為1.5級(jí)；流量傳感器為合肥福斯達(dá)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 FMCLUGB系列渦街流量計(jì)，精度為±1%。冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示，上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與 18臺(tái) NI cRIO-9073控制器相連。在NI cRIO 9073的機(jī)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(cè)量電阻信號(hào)和電流信號(hào)。

NI 9217模塊支持4個(gè)通道的3線制/4線制RTD信號(hào)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(cè)量溫度信號(hào)和壓力信號(hào)。NI 9208模塊支持16個(gè)通道電流信號(hào)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(cè)量流量信號(hào)。

圖1 合肥光源冷卻水監(jiān)測(cè)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(jì)

冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件有兩個(gè)方面的任務(wù)，一方面是讀取并處理來(lái)自測(cè)點(diǎn)信號(hào)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(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)為L(zhǎng)abVIEW開(kāi)發(fā)了通道訪問(wèn)協(xié)議服務(wù)端(Channel Access Server, CAS)的接口程序[1]；美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)開(kāi)發(fā)了在cRIO實(shí)時(shí)控制器上直接運(yùn)行EPICS IOC的技術(shù)[2]。NI也開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(shí)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(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)EPICS節(jié)點(diǎn)[3?4]?？紤]到技術(shù)支持方面的原因，我們采用了NI公司開(kāi)發(fā)的接口程序“EPICS Server IO Server”將冷卻水監(jiān)測(cè)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(jì)以EPICS ServerI/O Server為核心，針對(duì)所采用的硬件開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(yùn)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(shí)時(shí)可執(zhí)行文件 startup.rtexe。將startup.rtexe下載到cRIO 9073中，并設(shè)置為開(kāi)機(jī)自啟動(dòng)。startup.rtexe啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)搜尋cRIO-9073中的配置文件，查找到配置文件后會(huì)根據(jù)配置文件中機(jī)箱及安裝在機(jī)箱中的模塊信息來(lái)匹配當(dāng)前的機(jī)箱及模塊。如果匹配失敗，通過(guò)指示燈 USER1 LED的閃爍來(lái)提示用戶。匹配成功后，startup.rtexe根據(jù)配置文件中各個(gè)模塊的參數(shù)處理接收到的信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為測(cè)量值，然后調(diào)用EPICS Server I/O Server把測(cè)量值以過(guò)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(gè)與時(shí)間相關(guān)的量，分別記錄cRIO-9073的當(dāng)前時(shí)間、開(kāi)始時(shí)間以及持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，cRIO-9073的系統(tǒng)時(shí)間是通過(guò)NTP協(xié)議與時(shí)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(cè)量信號(hào)以及時(shí)間信號(hào)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(lái)生成配置文件。在Generate Configure File(Main).vi中可配置機(jī)箱序列號(hào)、模塊序列號(hào)、信號(hào)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(gè)cRIO-9073中。生成的配置文件可以使用任意編輯器進(jìn)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(gè)cRIO-9073中。通過(guò)測(cè)試確定某一臺(tái) cRIO-9073可以穩(wěn)定運(yùn)行后，采用cRIOImage.vi對(duì)這臺(tái)cRIO-9073中的所有軟件（軟件環(huán)境、startup.rtexe和配置文件）進(jìn)行克隆，生成一個(gè)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(cè)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(gè)軟件部署過(guò)程十分方便快捷。由于采用配置文件的方式，在增加測(cè)量點(diǎn)或改變測(cè)量點(diǎn)的信息時(shí)，只需修改對(duì)應(yīng)cRIO-9073的配置文件PVConfiguration.txt，對(duì)其它c(diǎn)RIO-9073沒(méi)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(gè)PV的值，以逐點(diǎn)檢查信號(hào)連接與數(shù)據(jù)處理情況。在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)NI的EPICS Server IO Server接口在cRIO平臺(tái)上只支持VAL字段，不提供報(bào)警處理，也不提供時(shí)間戳。以上的功能缺失對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的EPICS CA客戶端工具會(huì)有一些影響，但在合肥光源冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是可以接受的。

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

cRIO-9073上的 PV也可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)的冷卻水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面，其左側(cè)為冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總界面，點(diǎn)擊其中的任意一個(gè)按鈕可以打開(kāi)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)界面，如圖4右側(cè)的直線加速器四極磁鐵溫度監(jiān)測(cè)界面?？梢?jiàn)，監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)精度滿足設(shè)計(jì)要求。

目前系統(tǒng)處于試運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行狀況良好，監(jiān)測(cè)界面操作簡(jiǎn)單，基于Channel Archiver的數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

合肥光源冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用 NI公司的cRIO作為硬件平臺(tái)，以 LabVIEW 為編程語(yǔ)言，并采用NI公司開(kāi)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(dòng)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(kāi)發(fā)的EPICS接口程序EPICS Server I/O Server在cRIO平臺(tái)上的功能不夠完善，但對(duì)合肥光源冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響不大。系統(tǒng)的試運(yùn)行表明其性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性好，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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