張華劍 白 真 上官靖斌 高大慶 史春逢 吳鳳軍

1（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

HIRFL-RIBLL1電源控制系統(tǒng)升級(jí)改造

張華劍1,2白 真1上官靖斌1高大慶1史春逢1吳鳳軍1

1（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

蘭州重離子加速器放射性次級(jí)束分離線一號(hào)線(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou - Radioactive Ion Beam Line 1, HIRFL-RIBLL1)已運(yùn)行多年，其電源控制系統(tǒng)因建設(shè)初期條件所限設(shè)計(jì)較為簡單，加之近年來系統(tǒng)部件老化，已不能很好滿足物理實(shí)驗(yàn)要求，迫切需要進(jìn)行升級(jí)改造。新的電源控制系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有問題，采用分布式架構(gòu)，每臺(tái)電源用一臺(tái)高精度控制器就近控制。同時(shí)集成了二極磁鐵磁場強(qiáng)度和所有電源輸出電流的監(jiān)控，并且利用滯環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)預(yù)設(shè)磁剛度自動(dòng)調(diào)試電源的功能。新電源控制系統(tǒng)經(jīng)過一年多來的幾次實(shí)驗(yàn)調(diào)束驗(yàn)證，在調(diào)試精度、抗干擾性、易用性等方面滿足了RIBLL1物理需求，大幅度提高了調(diào)束效率。

放射性次級(jí)束分離線，電源控制系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)，滯環(huán)控制，自動(dòng)調(diào)試

建設(shè)初期因條件所限，RIBLL1電源控制系統(tǒng)采用了較簡易的實(shí)現(xiàn)方式[4?5]（圖1）?？刂平K端通過PCI總線向PCI6208卡（美國國家儀器公司生產(chǎn)的16位8通道D/A卡）發(fā)送給定電壓值，每一通道接到一臺(tái)電源的遠(yuǎn)程給定接口；所有電源電流回讀信號(hào)則同時(shí)送到PCLD 788卡（16通道繼電器多路選通開關(guān)）上，該卡后接高精度數(shù)字電壓表 HP 34401A用于A/D轉(zhuǎn)換并去噪，再經(jīng)由PCI總線傳回控制終端。所有電源給定卡與回讀卡安裝于同一機(jī)柜，輸入輸出信號(hào)通過長距離的同軸線與不同電源連接。

圖1 原電源控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of former power supply control system.

在使用過程中，發(fā)現(xiàn)原電源控制系統(tǒng)有幾個(gè)缺陷：1) 在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下長距離傳輸模擬給定信號(hào)，干擾很大，使開關(guān)電源穩(wěn)定度降低；2) 長距離傳輸?shù)哪M回讀信號(hào)，容易耦合噪聲，必須用數(shù)字萬用表積分過濾，因此回讀速度特別慢；3) PCI6208卡的8個(gè)通道是共地的，通道之間極易產(chǎn)生串?dāng)_；4) 電源控制操作界面功能單一，使用不便。

近年來，由于系統(tǒng)部件的老化，所固有的問題日益嚴(yán)重，對(duì)束流品質(zhì)和RIBLL1運(yùn)行效率的不良影響越來越大，鑒于此，2014年底開始對(duì)RIBLL1電源控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)不僅要解決已有問題，還要從控制算法層面加入根據(jù)預(yù)設(shè)磁剛度自動(dòng)將電源輸出電流穩(wěn)定在需要范圍的功能。國際國內(nèi)很早就開始了自動(dòng)調(diào)束研究[6?8]，并且成熟應(yīng)用于加速器控制領(lǐng)域。而對(duì)HIRFL來講，雖然也有系列研究[9?10]，但本系統(tǒng)是真正投入實(shí)際運(yùn)行的電源控制系統(tǒng)。

1 RIBLL1新電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

RIBLL1電源控制系統(tǒng)控制精度指標(biāo)為二極鐵電源優(yōu)于0.01%，四極鐵電源優(yōu)于0.1%；硬件設(shè)計(jì)需要解決原控制系統(tǒng)信號(hào)干擾和串?dāng)_問題，提高穩(wěn)定性；軟件設(shè)計(jì)要求自動(dòng)化程度高，增加磁剛度與電流值自動(dòng)換算、磁剛度自動(dòng)穩(wěn)定、磁場強(qiáng)度監(jiān)控等功能。

1.2 系統(tǒng)工作原理

新電源控制系統(tǒng)原理見圖 2，系統(tǒng)采用了基于網(wǎng)絡(luò)的分布式架構(gòu)。選用20位數(shù)模轉(zhuǎn)換和24位模數(shù)轉(zhuǎn)換的高精度器件實(shí)現(xiàn)電源的給定和回讀，器件集成在電源控制器中。每臺(tái)控制器控制一臺(tái)電源，安裝在所控電源的電源柜體內(nèi)，所有20臺(tái)控制器接入控制局域網(wǎng)，控制器與控制終端之間傳輸數(shù)字信號(hào)。此架構(gòu)在保證控制精度的同時(shí)，解決了原控制系統(tǒng)長距離傳輸模擬信號(hào)的干擾問題以及給定串?dāng)_問題。4臺(tái)特斯拉計(jì)通過串口服務(wù)器接入控制局域網(wǎng)，提供磁場強(qiáng)度監(jiān)控接口。

圖2 新電源控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic of redesigned power supply control system.

控制界面除了最基本的電源給定和回讀電流監(jiān)控外，增加顯示磁場強(qiáng)度回讀值；自動(dòng)根據(jù)二極磁鐵的預(yù)設(shè)磁剛度Bρset計(jì)算每臺(tái)電源預(yù)設(shè)電流值，并能單臺(tái)或批量寫入電源；支持所有回讀量的計(jì)算、顯示、繪圖、存檔；提供自動(dòng)調(diào)試模式，保證每臺(tái)電源輸出電流與預(yù)設(shè)電流差值穩(wěn)定在0.5 A內(nèi)，從而穩(wěn)定磁剛度。

1.3 電源控制器工作原理

電源控制器是一臺(tái)工控機(jī)，內(nèi)置了高精度電壓發(fā)生采集卡PCI4524，其集成了分辨率為20位的專用高精度電壓發(fā)生模塊和 24位的高精度電壓采集通道，電壓輸出范圍和采集通道輸入范圍為±10 V DC。

控制器實(shí)現(xiàn)電源給定設(shè)計(jì)了縝密的電源保護(hù)邏輯，為防止給定基準(zhǔn)突變給電源造成沖擊，給定采取緩變方式，以一定緩變間隔和緩變步長逐步改變給定到設(shè)定值，其算法流程如下：

輸入：給定電壓值Vin，緩變步長Vstep，緩變時(shí)間步長Tstep。

1) 采集電源輸出電壓 Vout；計(jì)算循環(huán)次數(shù) N=abs(Vin?Vout)/Vstep；計(jì)算符號(hào) sign=(Vout＜Vin)? 1:0；

2) for t=1:N；

3) 間隔 Tstep時(shí)間，設(shè)置給定到電源，給定值Vin=Vout+sign×Vstep×t；

4) end for。

控制器使用滑動(dòng)平均值處理采集的電源回讀值，平均值在執(zhí)行初始化后啟動(dòng)計(jì)算，在每次讀取平均值數(shù)據(jù)后會(huì)重新開始計(jì)算?；瑒?dòng)平均值采集方法可解決回讀數(shù)據(jù)的突刺現(xiàn)象，使回讀更平滑穩(wěn)定，其算法流程如下：

1) 清空采集記錄，采集次數(shù)N=0，j=1；

2) 采集并記錄電源輸出值Vj，N ++，j ++；

3) 如果控制界面請(qǐng)求回讀值，轉(zhuǎn)到4)，否則轉(zhuǎn)到2)；

2 RIBLL1新電源控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電源控制系統(tǒng)軟件需要與20臺(tái)電源控制器和4臺(tái)特斯拉計(jì)進(jìn)行交互，進(jìn)行回讀量的獲取、計(jì)算、顯示、繪圖以及存檔；同時(shí)要響應(yīng)操作人員鼠標(biāo)鍵盤動(dòng)作，進(jìn)行電流給定，磁剛度到電流值計(jì)算，波形放大縮小，設(shè)置存檔及載入等，編程較為復(fù)雜。故采用基于微軟基礎(chǔ)類庫的 VC++多線程編程，封裝的Windows API降低了編程難度，多線程運(yùn)行效率高，易于組織邏輯。

2.1 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

程序分為主界面程序和一個(gè)子線程。主界面程序負(fù)責(zé)響應(yīng)各種鼠標(biāo)鍵盤動(dòng)作并執(zhí)行指令，子線程負(fù)責(zé)輸出電流和磁場強(qiáng)度的監(jiān)控，在自動(dòng)調(diào)試模式下執(zhí)行自動(dòng)調(diào)節(jié)算法，以及測量結(jié)果的顯示、繪圖等。主界面和子線程并行執(zhí)行、各司其職，避免因阻塞讀取磁場強(qiáng)度和輸出電流時(shí)主界面不響應(yīng)用戶事件的界面阻滯現(xiàn)象。

主界面程序算法流程如下：

1) 界面初始化，申請(qǐng)資源，連接數(shù)據(jù)庫，連接20臺(tái)電源控制器，連接 4臺(tái)特斯拉加計(jì)，創(chuàng)建子線程；

2) 等待用戶動(dòng)作，若用戶點(diǎn)擊界面按鈕，如“一鍵寫入給定電流”、“載入/保存設(shè)置”、“啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)試模式”等，則執(zhí)行相應(yīng)指令，然后轉(zhuǎn)到2)；若用戶關(guān)閉界面，則轉(zhuǎn)到3)；

3) 銷毀子線程，關(guān)閉電源控制器和特斯拉加計(jì)的連接，釋放資源，關(guān)閉界面。

子線程被創(chuàng)建后就循環(huán)執(zhí)行，直到被主程序銷毀。其算法流程如：

1) for i = 1:20；

2) 采集第i臺(tái)電源輸出電壓Vout，換算成輸出電流Iout并顯示；

3) 若處于自動(dòng)調(diào)試模式，則對(duì)第i臺(tái)電源啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)算法，否則轉(zhuǎn)到4)；

4) 若該電源是二極鐵電源，則采集對(duì)應(yīng)二極鐵磁場強(qiáng)度并換算成磁剛度Bρout并顯示，根據(jù)Iout換算出計(jì)算磁剛度Bρcal并顯示；

5) end for；

6) 繪制4臺(tái)二極鐵電源的輸出電流波形圖；繪制4臺(tái)二極鐵的回讀磁場強(qiáng)度波形圖；保存回讀數(shù)據(jù)日志文件；

7) 線程休眠2 s；轉(zhuǎn)到1)。

2.2 系統(tǒng)核心算法

2.2.1 磁剛度與電流值間的換算

磁場回讀過程：因?yàn)樘厮估?jì)的回讀磁場強(qiáng)度精確性不高，為了驗(yàn)證磁鐵的磁剛度，只能依據(jù)多年測磁數(shù)據(jù)，用六次函數(shù)從電源輸出電流 Iout擬合出計(jì)算磁剛度 Bρcal，比較 Bρset和 Bρcal的差異，再進(jìn)行調(diào)整。

在原電源控制系統(tǒng)中，上述過程均為手動(dòng)計(jì)算；新電源控制系統(tǒng)中，每臺(tái)電源的各擬合系數(shù)均保存在配置文件中，軟件實(shí)現(xiàn)了設(shè)置磁剛度Bρset到給定電流Iset和回讀電流Iout到計(jì)算磁剛度間Bρcal的自動(dòng)換算。

2.2.2 自動(dòng)調(diào)試的實(shí)現(xiàn)

由于RIBLL1電源老化，其線性度欠佳，加之外部電磁干擾，寫入值Iin與輸出值Iout之間有偏差，并且無法通過刻度電源消除偏差。實(shí)驗(yàn)人員需要不斷觀察每臺(tái)電源輸出電流值Iout，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)微調(diào)寫入電流值 Iin，直到輸出電流值 Iout與預(yù)設(shè)電流值 Iset接近。新電源控制系統(tǒng)在軟件上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)試，把電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，由程序?qū)崿F(xiàn)繁瑣手動(dòng)調(diào)試過程，其示意圖見圖3。

圖3 自動(dòng)調(diào)試示意圖Fig.3 Sketch of automatic commissioning.

采用滯環(huán)控制算法，將輸出電流維持在以預(yù)設(shè)電流為中心的±0.5 A滯環(huán)寬度內(nèi)。不斷檢測電源的輸出電流Iout，將之與預(yù)設(shè)電流Iset比較，如果差值大于0.5 A，則重新計(jì)算寫入電流Iin并給定到電源，新給定值為 Iin?(Iout?Iset)。

此算法有潛在危險(xiǎn)：電源故障若輸出為 0，系統(tǒng)會(huì)一直加大給定Iin，易對(duì)電源造成沖擊；電源故障若輸出波動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)反復(fù)調(diào)節(jié)Iin，加劇振蕩。在程序中加入保護(hù)機(jī)制，限定寫入Iin與輸出Iout差值閾值，限定輸出Iout與設(shè)置Iset差值閾值，超過閾值認(rèn)為電源故障，不啟用自動(dòng)調(diào)試算法。并且限定每臺(tái)電源寫入電流的上下限值，保證寫入電流在電源允許范圍內(nèi)。

3 新電源控制系統(tǒng)測試結(jié)果

對(duì)電源控制器輸出電壓穩(wěn)定度和采集電壓穩(wěn)定度進(jìn)行測試。輸出電壓穩(wěn)定度測試方法：用控制器自帶軟件往電壓發(fā)生器寫入5 V電壓值，用吉時(shí)利2002八位半數(shù)字多用表測量電壓發(fā)生器的模擬輸出值，編寫軟件每秒記錄一次測量值V1并保存到文件，連續(xù)測試 8 h，經(jīng)計(jì)算輸出電壓穩(wěn)定度為 6.6×10?5，測量曲線見圖 4。采集電壓穩(wěn)定度測試方法：在控制器采集電壓端接入10 V標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)源，編寫軟件每秒記錄一次經(jīng)數(shù)字化后的電壓值V2并保存到文件，連續(xù)測試12 h，經(jīng)計(jì)算采集電壓穩(wěn)定度為 4.9×10?5，測量曲線見圖 5。結(jié)果表明，給定和回讀穩(wěn)定度均能滿足RIBLL1電源控制要求。

對(duì)終端控制界面進(jìn)行測試，結(jié)果證明新系統(tǒng)靈敏度高、響應(yīng)迅速：完成一次磁場強(qiáng)度與輸出電流的全局監(jiān)控、顯示、繪圖、存檔，總時(shí)間不超過3 s；在電源工作正常情況下，系統(tǒng)能在20 s內(nèi)完成自動(dòng)調(diào)試，使每臺(tái)電源預(yù)設(shè)電流與輸出電流差值小于0.5A。表1是運(yùn)行在自動(dòng)調(diào)試模式下的二極磁鐵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見預(yù)設(shè)值與輸出值非常接近，調(diào)試精度非常高。

圖4 電源控制器輸出電壓精度測量曲線Fig.4 Voltage measurement chart of power controller output.

圖5 電源控制器采集電壓精度測量曲線Fig.5 Voltage measurement chart samplied by power controller.

表1 二極磁鐵及對(duì)應(yīng)電源調(diào)試數(shù)據(jù)Table 1 Steering data of dipole and its corresponding power supply.

4 結(jié)語

升級(jí)改造的RIBLL1電源控制系統(tǒng)于2015年投入運(yùn)行，在功能和性能上達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。最近兩次實(shí)驗(yàn)，控制系統(tǒng)不間斷穩(wěn)定運(yùn)行12 d，表現(xiàn)良好。升級(jí)改造后的控制系統(tǒng)提高了RIBLL1電源系統(tǒng)的整體性能，提升了束流品質(zhì)；響應(yīng)迅速、功能完備的控制界面提高了調(diào)束人員的工作效率。尤其是引入了自動(dòng)調(diào)試功能，從控制軟件層面入手實(shí)現(xiàn)電源閉環(huán)調(diào)節(jié)，根據(jù)預(yù)設(shè)磁剛度自動(dòng)將電源輸出電流穩(wěn)定在需要范圍，在HIRFL加速器控制系統(tǒng)中屬于首創(chuàng)。因?yàn)榛刈x磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)的精確性欠佳，磁剛度的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)束尚未實(shí)現(xiàn)，本工作為將來磁剛度閉環(huán)調(diào)束奠定了基礎(chǔ)。

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Upgrade of power supplies control system of HIRFL-RIBLL1

ZHANG Huajian1,2BAI Zhen1SHANGGUAN Jingbin1GAO Daqing1SHI Chunfeng1WU Fengjun1
1(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Radioactive Ion Beam Line 1 of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL-RIBLL1)could not fulfill physical experiment requirement ideally due to the simple initial design of its power control system and components degradation in recent years. Purpose: This study aims to reconstruct the power supplies system using new digital control techniques. Methods: Distributed architecture, i.e., one power supply under control of one precise controller closely, was adopted on the basis of Ethernet. Both magnetic field intensity of dipole magnets and output current of all power supplies were monitored. And automatic power supply steering according to presupposed magnetic rigidity was realized using the hysteresis control strategy. Results: The reconstructed system is verified in one-year beam steering to have fulfilled the requirements like steering precision, anti-interference performance and usability and it can improve the steering efficiency greatly. Conclusion: Network-based automatic power supply control system for HIRFL-RIBLL1 solves all problems existed in the previous system.

Radioactive ion beam line, Power supply control system, Distributed system, Hysteresis control,Automatic steering

蘭州重離子加速器放射性次級(jí)束分離線一號(hào)線(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou -Radioactive Ion Beam Line 1, HIRFL-RIBLL1)[1]已穩(wěn)定運(yùn)行近20 a，承擔(dān)了發(fā)現(xiàn)奇異核素等重要物理實(shí)驗(yàn)。磁場系統(tǒng)[2]是 RIBLL1最重要的組成部分，在放射性束的產(chǎn)生、分離、鑒別、聚焦、傳輸?shù)裙δ苤衅鹬鴽Q定性的作用[1]。其由4臺(tái)二極磁鐵D1?D4、16臺(tái)四極磁鐵Q1?Q16組成，每臺(tái)磁鐵由一臺(tái)同名字的電源為其供電勵(lì)磁，電源全部為高精度高穩(wěn)定低紋波直流穩(wěn)流電源[3]。RIBLL1電源控制系統(tǒng)是HIRFL加速器控制系統(tǒng)的一部分，用以完成放射性次級(jí)束的調(diào)制以達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)需求，其性能直接決定了磁鐵電源系統(tǒng)乃至RIBLL1的性能。

ZHANG Huajian, female, born in 1984, graduated from Lanzhou University in 2010, doctoral student, focusing on accelerator power supply technology

date: 2017-07-20, accepted date: 2017-08-31

TL5

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110103

國家自然科學(xué)基金(No.11405239)資助

張華劍，女，1984年出生，2010年畢業(yè)于蘭州大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)榧铀倨麟娫醇夹g(shù)

2017-07-20，

2017-08-31

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11405239)