胡純棟 陳光亞,2 謝亞紅 蔣才超 崔慶龍 駱翠萍,2 趙遠哲

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）

2（中國科學技術大學 合肥 230026）

基于CSS的NBI射頻離子源控制程序設計

胡純棟1陳光亞1,2謝亞紅1蔣才超1崔慶龍1駱翠萍1,2趙遠哲1

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）

2（中國科學技術大學 合肥 230026）

離子源是中性束注入器(Neutral Beam Injector, NBI)的關鍵子系統(tǒng)之一，根據(jù)射頻離子源的實驗和運行需求，本文設計了一套基于物理實驗與工業(yè)控制系統(tǒng)(Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS)架構的控制程序，實現(xiàn)對射頻離子源實驗和調試過程的遠程監(jiān)控功能。NBI射頻離子源控制程序通過集成開發(fā)平臺(Control System Studio, CSS)的交互界面開發(fā)模塊(Best OPI Yet, BOY)實現(xiàn)友好的人機交互界面，使用Jython實現(xiàn)界面邏輯，支持服務器/客戶端和EPICS兩種通信架構。程序已經上線近半年，實驗表明，射頻離子源控制程序具備了放電模式設置、時序幅值設置、設備狀態(tài)實時監(jiān)控、采集數(shù)據(jù)實時波形顯示等功能，滿足了射頻離子源實驗的遠程控制和數(shù)據(jù)可視化的需求。

射頻離子源，控制程序，物理實驗與工業(yè)控制系統(tǒng)，集成開發(fā)平臺

中性束注入加熱是托卡馬克上對等離子體進行外部加熱和維持的主要手段之一，強流離子源是中性束注入器(Neutral Beam Injector, NBI)[1]系統(tǒng)的核心部件之一。射頻離子源因沒有燈絲結構，具有無電極污染、使用壽命長、穩(wěn)定性好、可重復性高等優(yōu)點，成為未來聚變實驗中性束注入系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、強流離子源首選。

物理實驗與工業(yè)控制系統(tǒng)(Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS)[2]是20世紀 90年代初，由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory, LANL)和阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory, ANL)等聯(lián)合開發(fā)的大型控制軟件系統(tǒng)。EPICS提供多種免費開發(fā)工具，程序穩(wěn)定性好、易維護，獨特的通信協(xié)議便于增刪硬件和擴展控制功能，現(xiàn)已廣泛應用于粒子加速器領域[3]。

本文設計和實施的射頻離子源控制程序(RF(Radio Frequency) Center Control, RCC)，便于操作人員簡單有效地設置射頻離子源每個硬件模塊的時序和幅值，并實時反饋各硬件系統(tǒng)狀態(tài)。

1 射頻離子源硬件結構

射頻離子源[4]的結構如圖1所示。RCC控制對象包括離子源中的進氣裝置、啟動燈絲、弧壓、射頻功率源、水冷系統(tǒng)、多種診斷系統(tǒng)和引出加速系統(tǒng)等?？刂瞥绦蛐枰峁┓岛蜁r序的設置窗口，計算增益并發(fā)送給定時系統(tǒng)。定時系統(tǒng)通過多個PXI板卡連接離子源各組成硬件，統(tǒng)一輸出為數(shù)字信號或幅值為0?10 V模擬信號給各硬件模塊。硬件驅動程序在 LabVIEW 中開發(fā)完成。各子系統(tǒng)反饋的實驗數(shù)據(jù)通過PXI-6289采集卡進行數(shù)據(jù)采集，并實時顯示在控制界面。

圖1 射頻源結構圖Fig.1 Structure diagram of the RF source.

2 控制系統(tǒng)結構

射頻離子源控制系統(tǒng)由運行于控制室的主控制程序RCC、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務器，運行于實驗現(xiàn)場的定時系統(tǒng)、采集系統(tǒng)[5?6]和更底層的電源系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)組成。目前診斷主要通過多普勒頻移光譜(Doppler Shift Spectra, DSS)和朗繆爾探針實現(xiàn)。如圖2所示，定時系統(tǒng)向各子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時序和幅值輸出；采集系統(tǒng)對各系統(tǒng)提供的電壓和電流信號進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務器進行數(shù)據(jù)存儲，同時發(fā)送給RCC進行實時波形顯示；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，并將處理結果自動存儲到Access數(shù)據(jù)庫中。

圖2 射頻源控制系統(tǒng)結構圖Fig.2 System structure diagram of the RF control.

RCC提供人機交互界面，供試驗人員監(jiān)視并控制整個實驗過程。用戶在控制界面中實現(xiàn)對各子系統(tǒng)時序和幅值的設置、實驗運行模式的設置以及與其他程序的通信。RCC通過網絡通信將設置信息發(fā)送給定時系統(tǒng)，定時系統(tǒng)將配置部署給底層硬件，并反饋實時故障信息。最新的實驗炮號從數(shù)據(jù)服務器獲取，并在RCC控制界面實時顯示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采到的波形。

根據(jù)RF源的實際運行需求，RCC需要滿足如下功能：

1) 良好的人機交互界面：為操作人員提供簡單、直觀的參數(shù)設置界面；可以對裝置整體運行進行調試，也可以對系統(tǒng)某個硬件設備進行單獨調試。實時檢測所有硬件設備狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障及時報警，且能夠遠程復位硬件狀態(tài)。

2) 與其他功能模塊通信：從數(shù)據(jù)服務器獲取實時炮號信息；將操作人員配置的時序和幅值信息發(fā)送到定時系統(tǒng)；顯示采集系統(tǒng)得到的波形；獲取數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析的結果；獲取定時系統(tǒng)反饋的故障信號。

3) 具有良好的擴展性：對未來控制系統(tǒng)結構和硬件設備的變動具有良好的支持。

3 控制程序設計

3.1 總體設計

方便配置：離子源處于測試階段，對靈活性的要求很高，需要能夠對某個硬件模塊單獨測試，也可以整體運行。而最終的設計目標是實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的長脈沖，所以對脈沖時長的修改是非常頻繁的，而脈沖長度涉及到的設備很多，手動修改非常容易出錯。離子源產生等離子體后，需要啟動高壓電源加速，加速時刻的調整往往是多個相關時序整體平移，如果進行手動修改同樣很繁瑣而且很容易出錯，嚴重情況下會損壞設備，需要針對性地優(yōu)化交互方式。

可視化：硬件時序之間的相對關系，從輸入框的值中不能很明顯地看出來，針對此問題，使用BOY (Best OPI Yet)控件繪制了動態(tài)的設置波形，可以直觀地顯示各硬件時序的先后關系、幅值大小等，并提示不合理的輸入。長脈沖放電時需要實時關注設備的運行狀態(tài)，需要將對采集系統(tǒng)獲取的關鍵設備狀態(tài)，實時顯示在控制界面上，這里需要將LabVIEW開發(fā)的采集系統(tǒng)接入EPICS網絡。

3.2 實現(xiàn)環(huán)境

人機交互界面在Windows環(huán)境下開發(fā)，CSS[7?9]集成了對EPICS通道訪問協(xié)議(Channel Access, CA)的支持，支持Jython腳本擴展控制功能。可通過在CSS中添加Pydev插件的方式方便Jython調試。

3.3 模式設置

從用戶使用的抽象層次上進行劃分，按照設置覆蓋范圍的從大到小，分為模式設置、批量修改、高壓時刻平移和單獨修改。

離子源調試階段沒有固定的放電模式，比如進氣測試模式只有兩個進氣口工作，燈絲測試模式沒有進氣只有啟動燈絲等。針對此問題，使用 BOY控件實現(xiàn)了二級樹形菜單來方便操作?？梢詫ο嚓P設備批量設置，也可以對任意一個硬件設備的啟動與否進行單獨控制。隨著實驗的運行，會將常用的模式記錄下來，進一步簡化操作。

界面組件間的通信通過本地數(shù)據(jù)源來完成，數(shù)據(jù)源由多個過程變量(Process Variables, PV)組成，PV是用戶在任何位置都可訪問的全局變量，也可以與某個變量綁定。通過“l(fā)oc://”前綴加上用戶自定義的PV名稱，來創(chuàng)建或者訪問數(shù)據(jù)源中變量，如果一個PV第一次被訪問則會創(chuàng)建這個變量。樹型菜單通過BOY的Check Box控件實現(xiàn)，同一根下的所有子樹，關聯(lián)同一個Int類型的PV，設置不同的Bit位。根節(jié)點關聯(lián)是另外一個PV。PV變量值的改變可以觸發(fā)Jython腳本，觸發(fā)的PV名會自動存入“triggerPV”變量中。在樹形菜單的處理腳本中，通過“triggerPV”變量判斷當前點擊的是根節(jié)點還是子節(jié)點。例如觸發(fā)的是根節(jié)點，會根據(jù)根節(jié)點當前狀態(tài)決定子樹是全部選中還是非選。沒有選中的控件將不顯示在界面中，也不參與后面的批量修改和配置信息發(fā)送。

3.4 批量修改和高壓時刻平移

等離子體激勵和引出過程對控制系統(tǒng)的實時性有很高的要求，錯誤的啟動次序或不合理的時長會損壞實驗裝置。

經常需要進行的操作是延長或者縮短某個裝置的時長，然后其他模塊的時間相應調整。圖3是一個批量修改的例子，如果想將RF的第一個平頂時長增加2 s，需要手動修改的輸入框有很多。為此設計了一個可以拖動的批量修改工具。把黑色的豎線拖動到想要延長或者縮短的位置，設置步長為2 s，點擊“Add”按鈕，就可以將豎線右邊的所有時序右移2 s，結果如圖4所示，左邊的“Sub”按鈕是反向操作。

圖3 批量修改前的時序Fig.3 Timing sequences before batch edit.

引出加速系統(tǒng)的啟動時刻一般作為零時刻，將輔助豎線拖動到合適的引出時刻，通過點擊“Set Zero”按鈕將高壓和相關的時序整體移動到相應的位置。結果見圖5，ACC作為0時刻移動到豎線位置，其他的硬件保留原本的相對時序關系。

圖4 批量修改后的時序Fig.4 Timing sequences after batch edit.

圖5 定位零時刻Fig.5 Positioning at zero time.

對于某些不想平移的量。可以通過在樹形菜單中取消勾選。

可拖動的豎線借助CSS的BOY官方樣例中的addAnnotations.py腳本實現(xiàn)，該腳本需要綁定一個XY Graph控件，當拖動豎線之后會改變綁定的PV值，PV值的改變會觸發(fā)移動輔助線的腳本，通過相對關系計算輔助線的位置。

3.5 單獨修改和交互驗證

批量設置都是多次的單獨修改，用戶在界面完成時序和幅值等物理參數(shù)的設置之后，后臺讀取通道和增益等配置信息并動態(tài)更新波形，以便于直觀地顯示設備的預期運行時序，同時驗證設置值的合理性和安全性，通過后將設置的時序內容格式化成通信字段，通過Socket通信發(fā)送給定時系統(tǒng)。

時序的設置信息是需要操作人員手動輸入數(shù)字，所以會有很多誤操作的可能，常見的誤操作包括多了或少了一個 0、結束時間早于開始時間、非數(shù)字內容等。如果輸錯的值在兩側，通過波形就可以直觀地觀察到，如果輸錯的值在中間，會產生錯誤的時序次序，程序提示錯誤位置。實踐證明通過動態(tài)繪制波形和數(shù)值驗證可以有效避免不合理的參數(shù)設置。

繪制波形使用的是BOY中的Polyline控件，計算出要繪制的點的坐標按照[x1, y1, x2, y2]的順序存入Jython的數(shù)組中，通過DataUtil的toJavaIntArray函數(shù)將數(shù)組轉化為Polyline控件可以接受的類型，并設置到控件的points屬性中。

3.6 實時波形顯示

RCC使用的是LabVIEW的數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊(Datalogging and Supervisory Control, DSC)來實現(xiàn)接入 EPICS[10]。安裝對應版本的 DSC之后，創(chuàng)建EPICS服務器，以全局變量為中介綁定采集值和PV。部署EPICS服務器之后，RCC端可以通過多種XY Graph控件讀取遠程PV值并動態(tài)顯示波形。圖6是實驗的截圖，本次實驗只有一路進氣，進行等離子體激發(fā)實驗，實驗過程中進行DSS診斷并進行實時采集。采集的入射功率、反射功率和氣體壓強等關鍵參數(shù)實時顯示在界面上。

圖6 實時波形顯示Fig.6 Display of real-time waveforms.

4 通信設計

4.1 TCP/IP通信

現(xiàn)階段RCC的目標是搭建一個EPICS下服務器/客戶端架構的控制程序，下個階段將基于TCP/IP實現(xiàn)的各離子源控制模塊的通信數(shù)據(jù)相繼接入EPICS，依舊使用RCC進行控制。所以RCC當前需要支持兩種通信。通過 BOY的PV插件，支持EPICS接入。使用 Jython的Socket庫函數(shù)，通過TCP/IP協(xié)議與定時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務器通信。

根據(jù)各控制對象屬性的不同，有三種時序幅值設置方式，設置值分別存放于三個數(shù)組中。數(shù)據(jù)接收端[11]使用LabVIEW開發(fā)，LabVIEW使用從平化字符串還原控件接收。平化字符串是一個大端存儲的一連串二進制位。通過使用Jython中的struct.pack函數(shù)，使用合適的配置參數(shù)，可以將三個數(shù)組中的數(shù)值，轉換成對應的大端二進制位，并拼接在一起形成通信字段。需要注意的是在每個通信字段開頭，LabVIEW需要一個32位無符號的整數(shù)，用于存儲通信字段的長度。EPICS控制內部使用通道訪問協(xié)議進行通信，使用過程變量PV替代Socket承載需要通信的信息[7]。EPICS架構下的客戶端和服務器可以通過PV名稱獲取遠程或本機的PV值，RCC界面上各組件間的通信也是通過PV完成。

如圖7所示，為了同時支持兩套通信架構，并減少原本基于 TCP/IP通信的子控制系統(tǒng)接入EPICS后對RCC的修改，設計了一套靈活、分層的通信方式。需要通信的字段先發(fā)到本地PV服務器，再取出PV值，放入Socket中，與遠程TCP Server通信。數(shù)據(jù)的返回也是先用Socket接收，再發(fā)送給本地PV服務器，再傳遞到客戶端。通過這樣的設計，當某個模塊接入EPICS后，與遠程的PV服務器通信，只需要刪除本地服務器和Socket互傳數(shù)據(jù)的部分即可，RCC的其他部分需要的修改很少。

圖7 通信時序Fig.7 Communication timing.

5 結語

本系統(tǒng)是EAST-NBI實驗室第一次使用EPICS技術，從射頻離子源的實驗需求出發(fā)，設計了離子源試實驗的主控制程序 RCC，搭建了相對完整的EPICS架構，并成功應用在射頻離子源實驗當中。創(chuàng)新點是設計了靈活的多層次的放電模式和時序設置方式，實現(xiàn)了對硬件時序圖的動態(tài)繪制等功能，實現(xiàn)了友好的人機交互界面，并結合控制系統(tǒng)現(xiàn)狀給出了同時兼容 TCP/IP服務器/客戶端架構和EPICS架構的通信實現(xiàn)方案。在搭建EPICS分布式控制環(huán)境后，使用CSS開發(fā)的客戶端程序相比于在服務器/客戶端通信架構下的一般控制程序，有了很大的改進。首先通過獨立的PV通信模塊大大降低了程序功能的耦合性，不管是添加新的采集端口還是底層控制裝置，RCC為了控制新增模塊需要進行的改動很小，便于軟件維護，并提高了穩(wěn)定性。其次是有助于界面的美觀和提高控制系統(tǒng)的整體性，可以將基于不同底層技術實現(xiàn)的子控制系統(tǒng)，在接入EPICS后統(tǒng)一使用美觀的BOY進行控制界面開發(fā)。RCC的缺點是占用的存儲空間和運行內存都相對較大，換來的是更好的擴展性和穩(wěn)定性。實驗證明該控制程序實現(xiàn)了射頻離子源實驗的放電模式設置、時序和幅值設置等功能，并可以實時顯示波形。相關功能將會在實際運行的過程中持續(xù)優(yōu)化，最終實現(xiàn)高可靠性和易用性。

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Design of NBI RF ion source control system based on CSS

HU Chundong1CHEN Guangya1,2XIE Yahong1JIANG Caichao1CUI Qinglong1LUO Cuiping1,2ZHAO Yuanzhe1
1(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)2(University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: The ion source is a key subsystem of the neutral beam injector (NBI). An experimental platform of radio frequency (RF) ion source was established via Experimental Advanced Superconducting Tokamak(EAST). Its complex structure and high demand for discharge-process to time-sequence requires of a long-distance control system. Purpose: This study aims to design a flexible control system for RF ion source platform (named as RF Center Control (RCC)), which is compatible with Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS)architecture and Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP/IP) communications. Methods: The RCC system was established under the client/server (C/S) framework and developed by using the best OPI yet (BOY)technology of control system studio (CSS). The communication contents were stored in the local rocess variables (PV)data source and sent to other programs through TCP/IP to support two kinds of communication protocols. Results:The RCC system has been operated for six months, and performed well in discharge mode settings, timing amplitude settings, real-time monitoring of equipment status and real-time waveform display, etc. Conclusion: The RCCsatisfies the requirements of data visualization and remote control of the experimental platform.

HU Chundong, male, born in 1963, graduated from Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences with a doctoral degree in 1999,focusing on neutron beam physics and engineering research

ZHAO Yuanzhe, E-mail: zyz@ipp.ac.cn

date: 2017-06-28, accepted date: 2017-08-27

RF ion source, Control system, EPICS, CSS

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110403

國家自然科學基金(No.11405207、No.11507215、No.11675215)、中國科學院合肥大科學中心重點研發(fā)項目(No.2016HSC-KPRD002)資助

胡純棟，男，1963年出生，1999年于中國科學院等離子體物理研究所獲博士學位，從事中性束物理與工程研究

趙遠哲，E-mail: zyz@ipp.ac.cn

2017-06-28，

2017-08-27

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11405207, No.11507215, No.11675215), Key Program of Research and Development

of Hefei Science Center, Chinese Academy of Sciences (No.2016HSC-KPRD002)