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(shù)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(zhì)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(shè)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(shè)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(shè)備。為實現(xiàn)對這些設(shè)備及其參數(shù)的遠程監(jiān)控，協(xié)調(diào)同步加速器注入、加速及引出等各階段不同設(shè)備按照特定時序工作，保障各類設(shè)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(shè)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(shè)計

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

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(lǐng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備。各層級之間通過控制與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接。此外，設(shè)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(shè)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(gòu)如圖1所示。

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

2 硬件設(shè)計

XiPAF的被控設(shè)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(shè)備的開關(guān)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(qū)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(shè)備，采用MOXA的NPORT6650-16系列串口服務器實現(xiàn)控制協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP接入控制網(wǎng)絡。對有高壓隔離需求的被控設(shè)備，采用具備電光轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，所有設(shè)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(shè)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(diào)試和運行維護工作更加便捷靈活。XiPAF控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 XiPAF控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control system hardware structure of XiPAF

3 軟件設(shè)計

3.1 IOC設(shè)計

記錄IOC軟件中，從底層設(shè)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(qū)動實現(xiàn)設(shè)備I/O功能，分別是記錄支持模塊、設(shè)備支持模塊和驅(qū)動模塊。記錄支持模塊與設(shè)備無關(guān)，只與數(shù)據(jù)庫記錄類型有關(guān)；設(shè)備支持模塊用于實現(xiàn)硬件I/O的具體功能；驅(qū)動模塊則用于初始化設(shè)備，建立設(shè)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(shè)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(qū)動接口，通過以太網(wǎng)設(shè)備IP或串口設(shè)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(shè)備和不同參數(shù)設(shè)計記錄支持和設(shè)備驅(qū)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(shè)備狀態(tài)參數(shù)，包括電流和電壓等；ao用于給設(shè)備設(shè)置參數(shù)或狀態(tài)；waveform和stringout主要用于給設(shè)備下發(fā)波形；calc用于PV的轉(zhuǎn)換計算，calcout則把計算結(jié)果發(fā)送給設(shè)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(shè)備驅(qū)動層，控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同設(shè)備具體功能指令的不同，開發(fā)特異性驅(qū)動。以一臺直流電源的控制程序為例，其設(shè)備驅(qū)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(diào)試，根據(jù)各子系統(tǒng)劃分和被控設(shè)備統(tǒng)計結(jié)果，XiPAF控制系統(tǒng)共設(shè)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(shè)備數(shù)量和PV數(shù)量如圖4所示。

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

3.2 OPI設(shè)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(lǐng)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(guān)性。

根據(jù)各分系統(tǒng)顯示需求和設(shè)備統(tǒng)計結(jié)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(chǔ)上，設(shè)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(shè)備控制界面34個。共顯示直流電源設(shè)備67臺、脈沖電源設(shè)備22臺、高壓電源2臺等300余臺/套設(shè)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(shè)計

XiPAF同步觸發(fā)信號觸發(fā)的設(shè)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(shè)計為樹形拓撲結(jié)構(gòu)，由EVG將定時事件和信號轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖8所示：

圖8 XiPAF同步定時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)備按照設(shè)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(shè)備的時序圖。

圖9 XiPAF部分設(shè)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(nèi)，采用以PCI電氣規(guī)范為基礎(chǔ)的cPCI總線，具有高開放性、高可靠性、可熱插拔(hot swap)性質(zhì)，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(shè)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(shè)備安全。該系統(tǒng)主要在設(shè)備工作異?；蚬ぷ鲄?shù)超限時自動處理，通過關(guān)閉觸發(fā)信號切斷束流和關(guān)斷電源等手段保護設(shè)備安全。

根據(jù)響應時間要求和現(xiàn)有設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備連鎖信號，運行連鎖保護程序。軟連鎖則是將設(shè)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(shè)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?qū)缶盘栠M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(guān)閉相關(guān)設(shè)備。同時為了方便調(diào)試，對部分水壓表和渦輪流量計增加了bypass功能，在調(diào)試階段，可以屏蔽故障信號，使調(diào)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(shè)備的安全，XiPAF控制系統(tǒng)還對觸發(fā)控制進行了冗余設(shè)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(guān)設(shè)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(shè)計

XiPAF控制系統(tǒng)設(shè)計采用關(guān)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(shè)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(jié)果圖。

圖14 Data Browser查詢真空PV結(jié)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(shè)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(diào)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備的實際數(shù)值一致。設(shè)備控制功能測試方面：測試電源和真空泵等設(shè)備控制情況。看所有設(shè)備能否響應開關(guān)機指令，正確輸出設(shè)定的電源參數(shù)。測試結(jié)果表明，通信功能和設(shè)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(nèi)容：1)測試同步觸發(fā)事件、觸發(fā)參數(shù)設(shè)置和輸出波形。結(jié)果顯示設(shè)置參數(shù)正常，輸出的觸發(fā)波形完全符合設(shè)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(diào)節(jié)步長。在脈沖寬度設(shè)置為40 ns時，同步觸發(fā)信號指標參數(shù)測試結(jié)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(jié)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(nèi)容。測試結(jié)果表明，所有設(shè)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(nèi)、LINAC和RING分系統(tǒng)間的連鎖響應時間，圖15為LINAC分系統(tǒng)內(nèi)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(jié)果如表2所列。由圖15、圖16及表2可見，測試結(jié)果滿足分系統(tǒng)內(nèi)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(jié)果Tab.2 Test results of chain response time

4.4 可靠性測試

利用調(diào)束過程中設(shè)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(jié)果表明，XiPAF控制系統(tǒng)在最長連續(xù)運行的5個月時間內(nèi)均能正常工作，具備穩(wěn)定和可靠性高的特點。

5 結(jié)論

結(jié)合裝置實際需求，基于EPICS的3層結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)了分布式的XiPAF控制系統(tǒng)。在規(guī)劃設(shè)計的控制系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了不同設(shè)備的IOC設(shè)備驅(qū)動、控制程序和一系列系統(tǒng)級設(shè)備級OPI界面；分別設(shè)計開發(fā)完成了同步觸發(fā)網(wǎng)絡和設(shè)備安全連鎖保護系統(tǒng)；基于MariaDB設(shè)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(shè)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(diào)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(diào)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(shù)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。