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(中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所，合肥 230031)

0 引言

極向場(chǎng)電源系統(tǒng)(PF)作為托卡馬克裝置的核心子系統(tǒng)之一，由12組獨(dú)立可調(diào)的PF電源分別向14組相互耦合的極向場(chǎng)超導(dǎo)線圈供電，每一套PF電源主要包括AC-DC整流器(converter unit，CU)、晶閘管開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)(switch network unit，SNU)、失超保護(hù)系統(tǒng)(quench protection，QP)和隔離開(kāi)關(guān)(disconnect switch，DS)[1-3]。任何設(shè)備的狀態(tài)都需要實(shí)時(shí)監(jiān)視，同時(shí)開(kāi)關(guān)設(shè)備分布在不同的地方，所以需要能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

隨著PF控制系統(tǒng)硬件升級(jí)，所有的軟件也進(jìn)行了升級(jí)或重新設(shè)計(jì)。以前的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)，通過(guò)力控軟件設(shè)計(jì)，力控軟件需要付費(fèi)，維護(hù)和升級(jí)不方便[4]。升級(jí)后的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行于LINUX系統(tǒng)，基于EPICS(experimental physics and industrial control system)進(jìn)行設(shè)計(jì)。EPICS是開(kāi)源控制軟件工具包，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，比如光源、功能物理、天文望遠(yuǎn)鏡等，通過(guò)世界性的用戶(hù)群體來(lái)維護(hù)與發(fā)展。EPICS提供很多標(biāo)準(zhǔn)工具供用戶(hù)使用，這樣就減少了接口代碼的編寫(xiě)工作，確保統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口。EPCIS是分布式系統(tǒng)，如圖1所示，每一個(gè)客戶(hù)端(operation interface，OPI)都可以看到所有的服務(wù)端(input/output controller ，IOC)?？梢院芊奖愕厥褂肊PICS創(chuàng)建一個(gè)控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，所有服務(wù)端IOC中定義的PVs(process variables)都可以通過(guò)CA(channel access)宏被客戶(hù)端OPI隨意地訪問(wèn)[5]。服務(wù)端IOC實(shí)現(xiàn)輸入輸出操作，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、狀態(tài)機(jī)、設(shè)備支持、硬件驅(qū)動(dòng)等，數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)所有的記錄進(jìn)行定義并設(shè)置，設(shè)備支持中對(duì)所有的PV狀態(tài)進(jìn)行更新或者獲取PV數(shù)值，與硬件相關(guān)的程序可以做成硬件驅(qū)動(dòng)，以供直接調(diào)用。本文使用CSS(control system studio)作為OPI人機(jī)界面，CSS是基于eclipse的插件系統(tǒng)工具包，使用CSS實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視以及開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)用戶(hù)可以安裝自己所需插件，本文使用報(bào)警插件alarm與數(shù)據(jù)歸檔插件archive。服務(wù)端與客戶(hù)端之間通過(guò)CA協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，CA協(xié)議是EPICS特有的一種透明的通信方式。

圖1 EPCIS基本框架

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

升級(jí)后的監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。包括數(shù)據(jù)傳輸層、服務(wù)器層與人機(jī)接口層。數(shù)據(jù)傳輸層是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與IOC程序的接口，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括整流器、晶閘管、失超保護(hù)、隔離開(kāi)關(guān)，以及輔助設(shè)備水路、傳感器、急停、煙霧報(bào)警檢測(cè)等，一套電源傳輸?shù)闹饕盘?hào)如圖中所示。服務(wù)器層包括IOC服務(wù)器、archive數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)器和alarm報(bào)警服務(wù)器，IOC服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)用到的所有PV進(jìn)行定義并設(shè)置，設(shè)備支持通過(guò)Modbus UDP協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)總線控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將設(shè)備狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流、電壓、水壓信號(hào)等上傳至人機(jī)界面進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視，并獲取開(kāi)關(guān)控制PV數(shù)值，處理后發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)總線控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制。Archive歸檔系統(tǒng)搭建完成后，將需要?dú)w檔的PV導(dǎo)入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，并啟動(dòng)歸檔服務(wù)器，即可以將每個(gè)PV的所有數(shù)據(jù)存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。Alarm報(bào)警系統(tǒng)搭建完成后，將攜帶PV名字的配置信息導(dǎo)入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，并啟動(dòng)報(bào)警服務(wù)器，當(dāng)PV狀態(tài)與報(bào)警嚴(yán)重度發(fā)生變化時(shí)，服務(wù)器檢測(cè)此變化，并通知CSS界面進(jìn)行更新。人機(jī)界面包括所有設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、開(kāi)關(guān)控制、報(bào)警檢測(cè)以及歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，為了能夠在CSS中能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警檢測(cè)和歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，首先將alarm和archive插件插入CSS之中，然后打開(kāi)報(bào)警視圖查看報(bào)警，打開(kāi)數(shù)據(jù)瀏覽視圖從歸檔系統(tǒng)中調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2 數(shù)據(jù)傳輸

本文使用現(xiàn)場(chǎng)總線作為設(shè)備和EPICS IOC的數(shù)據(jù)傳輸媒介，使用的現(xiàn)場(chǎng)總線控制器型號(hào)為 WAGO750-881[6], 現(xiàn)場(chǎng)總線模塊包括WAGO750-479 (AI, Analog Input), WAGO750-400 (DI, Digital Input) 和 WAGO750-513 (DO, Digital Output)。IOC與現(xiàn)場(chǎng)總線控制器的通信協(xié)議為Modbus UDP， 其信息幀格式如圖3所示，包括頭部與數(shù)據(jù)區(qū)域。頭部的功能代碼(Function code)非常重要，其決定著將會(huì)執(zhí)行何種功能，讀模擬信號(hào)、讀數(shù)字信號(hào)還是寫(xiě)入數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)區(qū)域包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與實(shí)際數(shù)據(jù)等。定時(shí)器線程以100 ms周期向現(xiàn)場(chǎng)總線控制器發(fā)送讀取模擬/數(shù)字信號(hào)請(qǐng)求，控制器搜集所需數(shù)據(jù)并返回?cái)?shù)據(jù)給IOC的接收線程，接收線程阻塞式等待接收數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)包后對(duì)其進(jìn)行分析處理。發(fā)送線程檢測(cè)到開(kāi)關(guān)控制信號(hào)與當(dāng)前狀態(tài)不一致時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器，控制器按位將信號(hào)分配給輸出模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)的控制。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

以讀數(shù)字信號(hào)(DI)為例，其讀請(qǐng)求信息幀如圖4(a)所示。功能代碼為0x01，所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位。返回?cái)?shù)據(jù)包的功能代碼也應(yīng)為0x01，返回一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)0x75。接收線程接收到返回?cái)?shù)據(jù)包后，取出數(shù)據(jù)包攜帶的IP信息，從而判斷數(shù)據(jù)來(lái)自哪個(gè)設(shè)備，再根據(jù)返回包的功能代碼判斷是模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，若為數(shù)字信號(hào)，則逐位取出信號(hào)，并在設(shè)備支持中賦值給對(duì)應(yīng)PV，若為模擬信號(hào)，則一個(gè)模擬信號(hào)占用2個(gè)字節(jié)。

圖4 讀DI數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息幀與返回包格式

3 IOC程序設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

EPICS數(shù)據(jù)庫(kù)就是各種類(lèi)型記錄(Record)的集合。一個(gè)記錄擁有唯一的名字和類(lèi)型，有很多的域，一個(gè)或者多個(gè)設(shè)備支持，可以有多個(gè)鏈接。當(dāng)記錄被處理時(shí)，它可以從硬件或者其它記錄獲取數(shù)據(jù)，可以將數(shù)據(jù)放到硬件或者其它記錄，可以將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程數(shù)據(jù)，檢測(cè)數(shù)值是否超出范圍并引起報(bào)警等。監(jiān)控系統(tǒng)EPICS數(shù)據(jù)庫(kù)定義約1200條記錄，圖5是本文定義的一個(gè)記錄，包括記錄名稱(chēng)、類(lèi)型、屬性、鏈接、數(shù)值等。PV是用于EPICS客戶(hù)端與服務(wù)端數(shù)據(jù)交換的變量。PV名字是由記錄名字(Record name)和域(Field)組成的，比如圖中定義的記錄，其PV名字可以描述為EAST-monitor-PF01: CU1_Pressure_L.DESC、EAST-monitor-PF01: CU1_Pressure_L.DTYP、EAST-monitor-PF01: CU1_Pressure_L.SCAN等, 記錄名字作為PV名字時(shí)默認(rèn)為VAL，即EAST-monitor-PF01: CU1_Pressure_L等同于T-monitor-PF01: CU1_Pressure_L.VAL。

圖5 記錄定義

本文使用的記錄類(lèi)型包括ai(模擬輸入)、bi(數(shù)字輸入)和bo(數(shù)字輸出)。通過(guò)域來(lái)設(shè)置記錄的行為或者屬性，比如記錄如何被執(zhí)行，數(shù)據(jù)從哪里獲取或者送到哪里去，何時(shí)進(jìn)行報(bào)警等。域分為用于設(shè)計(jì)的域和用于運(yùn)行的域，設(shè)計(jì)域供設(shè)計(jì)者定義數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)設(shè)置記錄行為。當(dāng)IOC運(yùn)行后，可以通過(guò)運(yùn)行域查詢(xún)記錄執(zhí)行情況，比如PACT域表示記錄是否正在被處理，SEVR是報(bào)警嚴(yán)重度數(shù)值，STAT是報(bào)警狀態(tài)，TPRO域設(shè)置為1時(shí)可以跟蹤記錄執(zhí)行情況。如表1所示為本文用到的設(shè)計(jì)域。SCAN為記錄掃描機(jī)制，決定設(shè)備支持如何被執(zhí)行，包括周期性、中斷觸發(fā)或者事件觸發(fā)，本文都使用周期掃描機(jī)制，即記錄對(duì)應(yīng)的設(shè)備支持周期性執(zhí)行，PV數(shù)值周期性更新或被獲取。OSV和ZSV用于alarm報(bào)警，若OSV設(shè)置為Minor或者M(jìn)ajor，ZSV設(shè)置為OK，則當(dāng)PV數(shù)值為1時(shí)觸發(fā)報(bào)警，相反PV數(shù)值為0時(shí)觸發(fā)報(bào)警。隔離開(kāi)關(guān)DS與快速開(kāi)關(guān)DCCB(Direct Current Circuit Breaker)的分合控制需要脈沖信號(hào)，本文使用HIGH域?qū)崿F(xiàn)，HIGH是bo記錄的特有域。比如EAST-monitor-PF01:DISDS1_close_comm用于控制電源PF01的隔離開(kāi)關(guān)DS1的合動(dòng)作，其掃描周期SCAN設(shè)置為0.3 s，HIGH設(shè)置為0.2 s，HIGH的數(shù)值必須不大于掃描周期，當(dāng)界面向該P(yáng)V寫(xiě)入數(shù)值1時(shí)，數(shù)值1保持0.2 s，之后恢復(fù)到數(shù)值0，以此模擬200 ms脈寬的脈沖信號(hào)。

表1 本文使用的設(shè)計(jì)域

3.2 EPICS IOC設(shè)計(jì)

IOC程序包括定時(shí)器線程、接收數(shù)據(jù)線程、發(fā)送數(shù)據(jù)線程、bi設(shè)備支持、ai設(shè)備支持與bo設(shè)備支持。對(duì)于輸入信號(hào)，接收線程接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析取出操作，設(shè)備支持將數(shù)值賦值給對(duì)應(yīng)PV，人機(jī)界面相應(yīng)更新。對(duì)于輸出信號(hào)，操作人員在界面上對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作，設(shè)備支持不斷獲取當(dāng)前PV數(shù)值，并判斷其數(shù)值是否變化，若變化則通知發(fā)送線程發(fā)送控制信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)總線控制器。設(shè)備支持是一組記錄支持調(diào)用的例程，可以與硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，是IOC與硬件的接口。記錄的設(shè)備類(lèi)型是由域DTYP進(jìn)行設(shè)置的，而該域由用戶(hù)自己設(shè)定。本文自定義3種類(lèi)型的設(shè)備類(lèi)型DTYP，MONITOR_BI，MONITOR_AI與MONITOR_BO。MONITOR_BI處理所有的bi記錄，MONITOR_AI處理所有的ai記錄，都使用周期性?huà)呙铏C(jī)制，掃描周期為100 ms。MONITOR_BO處理所有的bo記錄，掃描周期為300 ms。圖6為本文一個(gè)記錄的設(shè)備支持實(shí)現(xiàn)過(guò)程。首先在EPICS數(shù)據(jù)庫(kù)中定義記錄，對(duì)記錄行為INP與DTYP進(jìn)行設(shè)置，然后在設(shè)備支持的申明文件(DBD)中找到對(duì)應(yīng)的DTYP，從而獲得其入口表的地址MonitorTestai，根據(jù)地址在設(shè)備支持程序中找到對(duì)應(yīng)的設(shè)備支持函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)記錄的處理。設(shè)備支持中的初始化函數(shù)init_record只在EPICS IOC程序啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一次，記錄處理函數(shù)read_ai的執(zhí)行根據(jù)SCAN域的設(shè)置周期性執(zhí)行。read_ai函數(shù)中根據(jù)INP判斷當(dāng)前被觸發(fā)的是哪個(gè)PV,然后將接收線程分析處理后的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)賦值給當(dāng)前PV。

圖6 AI設(shè)備支持實(shí)現(xiàn)過(guò)程

4 界面設(shè)計(jì)

4.1 狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視與開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制

EPICS IOC設(shè)備支持程序中對(duì)所有PV進(jìn)行狀態(tài)更新，PV狀態(tài)在OPI界面上進(jìn)行顯示，包括電源主回路、所有開(kāi)關(guān)與水路狀態(tài)等，用于顯示狀態(tài)的主要控件包括編輯框、圖片等，通過(guò)編輯框顯示模擬信號(hào)數(shù)值，通過(guò)圖片顏色或者亮度的變化顯示當(dāng)前信號(hào)狀態(tài)或者運(yùn)行狀態(tài)的變化。OPI界面上對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行閉合或者打開(kāi)的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)DS與快速開(kāi)關(guān)DCCB的遠(yuǎn)程控制。每一套電源有3個(gè)隔離開(kāi)關(guān)DS1、DS2、DS3，3個(gè)開(kāi)關(guān)硬件互鎖，DS1與DS2同時(shí)進(jìn)行控制，當(dāng)DS1與DS2閉合時(shí)，DS3不能閉合，否則會(huì)造成電源短路，為了保證設(shè)備安全，防止硬件互鎖失敗，軟件也進(jìn)行互鎖設(shè)計(jì)。根據(jù)調(diào)試需求，12套電源的隔離開(kāi)關(guān)可以一起控制，也可以獨(dú)立控制。當(dāng)界面對(duì)某個(gè)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分合操作時(shí)，對(duì)應(yīng)PV被強(qiáng)制賦值1，IOC程序檢測(cè)到控制信號(hào)與當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)值不同，則向隔離開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器發(fā)送控制信號(hào)。

4.2 Alarm報(bào)警

如圖7所示為alarm報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，包括alarm服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)RDB(Relational Database)、客戶(hù)端以及消息服務(wù)接口JMS(Java Message Service)。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中為報(bào)警系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)及訪問(wèn)該數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)與密碼、創(chuàng)建用于存儲(chǔ)alarm配置及數(shù)據(jù)的各種表格。同時(shí)編寫(xiě)alarm配置文件，該文件設(shè)置了報(bào)警行為以及報(bào)警時(shí)作何處理等，手動(dòng)將該文件加載到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。alarm服務(wù)器從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取配置并監(jiān)視變量變化。啟動(dòng)alarm系統(tǒng)前，需要在EPICS數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)需要報(bào)警記錄的域進(jìn)行設(shè)置，該設(shè)置在IOC運(yùn)行時(shí)加載到系統(tǒng)。當(dāng)一個(gè)alarm觸發(fā)時(shí)，alarm服務(wù)器通過(guò)JMS發(fā)送狀態(tài)更新、通知用戶(hù)接口CSS，并更新RDB中的PV狀態(tài)。通過(guò)CSS報(bào)警視圖查看報(bào)警顯示結(jié)果，當(dāng)報(bào)警被觸發(fā)時(shí)，可以查看該報(bào)警的相關(guān)信息以及執(zhí)行某些動(dòng)作，比如自動(dòng)發(fā)送郵件或者彈出窗口提示操作者。Alarm客戶(hù)端可以修改關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的alarm系統(tǒng)配置文件，它們使用JMS通知服務(wù)器和其他客戶(hù)端這種修改，然后服務(wù)器和其他客戶(hù)端可以從RDB中讀取更新后的配置[7]。

圖7 報(bào)警系統(tǒng)

4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查看

如圖8所示為archive數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括服務(wù)端、客戶(hù)端與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)RDB。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中為歸檔系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)、使用的表格以及用戶(hù)名和密碼。編寫(xiě)配置文件，該文件設(shè)置加載通道名字(PV)以及數(shù)據(jù)庫(kù)更新該通道的周期等參數(shù)，在啟動(dòng)歸檔引擎之前將該文件導(dǎo)入到RDB中。系統(tǒng)周期性地將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RDB中，用戶(hù)可以通過(guò)引擎網(wǎng)頁(yè)服務(wù)端查看當(dāng)前加載的組以及該組中所有通道的詳細(xì)信息，包括通道連接狀態(tài)、當(dāng)前數(shù)值、最大值、最小值、平均值等信息。同時(shí)可以通過(guò)CSS中的數(shù)據(jù)瀏覽視圖查看某個(gè)記錄的歷史數(shù)據(jù)，可對(duì)曲線進(jìn)行處理并保存[8]。

圖8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查看

5 測(cè)試結(jié)果

部分測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)行于Linux操作系統(tǒng)，基于EPCIS進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)極向場(chǎng)電源現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)和快速開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制，通過(guò)alarm插件實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的檢測(cè)與顯示，通過(guò)archive插件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字輸入信號(hào)的存儲(chǔ)并實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。本設(shè)計(jì)已通過(guò)EAST實(shí)驗(yàn)測(cè)試，功能較為齊全，性能比較穩(wěn)定。

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