320 kV全離子綜合實(shí)驗(yàn)平臺控制系統(tǒng)升級

常建軍，原有進(jìn)，張 瑋，安 石，王鵬鵬

(1.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

重離子束流在開展諸如低能天體物理、離子-分子碰撞、離子表面物理、核能材料[1-4]等物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著不可或缺的作用。中國科學(xué)院近代物理研究所于2005年建成了320 kV全離子綜合實(shí)驗(yàn)平臺以滿足國內(nèi)用戶的需求。該裝置每年可提供束流約7 000 h，各類重離子束流能量可從若干keV至MeV量級。經(jīng)多年使用，實(shí)驗(yàn)平臺控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性均已嚴(yán)重下降，嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)平臺的運(yùn)行效率。為此，于2016—2017年間對320 kV全離子綜合實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級，本文對控制系統(tǒng)升級進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

320 kV全離子綜合實(shí)驗(yàn)平臺包含1個(gè)懸浮于加速高壓端的高壓平臺，其上的設(shè)備有全永磁離子源LAPECR2源體[5]、各種磁鐵、狹縫、束流診斷設(shè)備、真空計(jì)和溫度監(jiān)測儀表等，這些設(shè)備的控制器也位于高壓平臺上。LAPECR2源體注入組件在加速高壓的基礎(chǔ)上又懸浮于引出高壓端，引出高壓一般為15～20 kV。位于地電位的束流輸運(yùn)線和實(shí)驗(yàn)終端需要控制的設(shè)備主要有磁鐵電源、狹縫及束流診斷設(shè)備。320 kV全離子綜合實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示。

在320 kV全離子綜合實(shí)驗(yàn)平臺運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)須滿足以下控制要求：1) LAPECR2束流強(qiáng)度可調(diào)；2) 可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選出特定的離子，這需要掃譜并分析譜圖；3) LAPECR2源體注入組件、高壓平臺、地位端之間必須進(jìn)行電氣安全隔離，使所有設(shè)備統(tǒng)一整合入控制系統(tǒng)中；4) 實(shí)現(xiàn)LAPECR2源體注入組件、高壓平臺與地位端所有設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控并為調(diào)束員提供透明訪問。

EPICS是1套基于以太網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)框架，已被世界上多個(gè)大型實(shí)驗(yàn)物理裝置所采用[6-9]，可保障加速器裝置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，且能極大簡化控制系統(tǒng)的開發(fā)。升級后的控制系統(tǒng)也基于EPICS框架實(shí)現(xiàn)，針對以上控制要求，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 高壓平臺上的控制

在高壓平臺上放置1臺控制機(jī)柜并將所有控制設(shè)備置于其中，其中包含1臺工控機(jī)作為EPICS IOC完成高壓平臺與LAPECR2源體注入組件的控制；1套倍福的PLC實(shí)現(xiàn)模擬量、開關(guān)量與LAPECR2源體氣閥電機(jī)的控制；兩臺光交換機(jī)實(shí)現(xiàn)高壓平臺、LAPECR2源體注入組件與地位端的光纖通信；1臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)供高壓平臺所有設(shè)備接入控制網(wǎng)。

LAPECR2源體注入組件和高壓平臺上的設(shè)備有的采用串口通信方式進(jìn)行控制，如溫度監(jiān)測儀表和校正磁鐵電源采用RS485接口、真空計(jì)采用RS232接口。這些串口設(shè)備的命令格式、數(shù)據(jù)波特率及校驗(yàn)碼不盡相同，使用研華公司的串口服務(wù)器EKI-1526實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后接入光交換機(jī)，再使用光纖接入控制網(wǎng)。有的設(shè)備采用以太網(wǎng)接口。針對模擬量、開關(guān)量與電機(jī)，則采用倍福PLC整合后統(tǒng)一對外提供以太網(wǎng)接口，這些設(shè)備直接接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。由于高壓平臺是浮地工作，在裝置運(yùn)行中不可避免地產(chǎn)生靜電的累積進(jìn)而發(fā)生打火，為保護(hù)PLC，所有模擬量均使用了隔離器進(jìn)行電氣隔離，所有開關(guān)量均使用繼電器進(jìn)行電氣隔離。如此，高壓平臺上的設(shè)備與LAPECR2源體注入組件就統(tǒng)一接入了控制網(wǎng)，且硬件結(jié)構(gòu)較簡單，為EPICS IOC的開發(fā)提供了便利。

圖1 320 kV全離子綜合實(shí)驗(yàn)平臺Fig.1 320 kV heavy ion multidisciplinary research facility

圖2 升級后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of upgraded control system

軟件開發(fā)工作主要是編寫PLC控制程序和基于TCP/IP的IOC控制程序。PLC控制程序采用TwinCAT開發(fā)環(huán)境編寫，運(yùn)行循環(huán)周期為2 ms。PLC與IOC之間采用Send/Receive規(guī)范[10]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和命令傳遞。該規(guī)范由SLS(Swiss Light Source)實(shí)驗(yàn)室提出[10]，雖然最初是針對西門子S7系列PLC與EPICS IOC之間的通信[10]，但可很方便移植到任何品牌的PLC上。按照該規(guī)范，PLC和IOC分別在其內(nèi)部建立數(shù)據(jù)交換區(qū)，用于數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。通信時(shí)，一方面PLC將所有模擬量、開關(guān)量及電機(jī)狀態(tài)寫入數(shù)據(jù)包并發(fā)送給IOC(發(fā)送時(shí)間間隔為50 ms)，IOC根據(jù)數(shù)據(jù)包交換協(xié)議進(jìn)行解包并掃描更新各記錄(record)；另一方面IOC則將相應(yīng)記錄的值進(jìn)行打包并發(fā)送給PLC，PLC進(jìn)行解包后更新其輸出值。對于某些自帶通信接口的受控設(shè)備，如磁鐵電源、溫度監(jiān)測儀表等，在原始的EPICS base中并沒有針對其的記錄類型，因此為這些設(shè)備開發(fā)了新的記錄類型及相應(yīng)的記錄支持(record support)和設(shè)備支持(device support)，在其設(shè)備驅(qū)動(dòng)支持中調(diào)用操作系統(tǒng)的TCP/IP socket函數(shù)進(jìn)行命令碼的發(fā)送和狀態(tài)碼的接收。在具體程序編寫時(shí)采用了有限狀態(tài)機(jī)思想，即將受控設(shè)備的功能需求分解為若干狀態(tài)，設(shè)備支持在多個(gè)狀態(tài)中切換。以磁鐵數(shù)字電源的控制為例，其狀態(tài)和切換流程如圖3所示。

為獲得較高的運(yùn)行效率，所有的記錄均采用中斷方式觸發(fā)掃描[11]，并運(yùn)行于CentOS6.6操作系統(tǒng)上。調(diào)束員操作界面采用CSS[12]開發(fā)，運(yùn)行于Windows 7操作系統(tǒng)上，如圖4所示。

圖3 磁鐵電源的狀態(tài)機(jī)Fig.3 State machine of magnet power supply

3 束流輸運(yùn)線與實(shí)驗(yàn)終端的控制

地位端放置1臺控制機(jī)柜，內(nèi)含1臺工控機(jī)、1臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和1套倍福PLC。其中：工控機(jī)內(nèi)運(yùn)行EPICS IOC；網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為地位端所有設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)并使用光纖與高壓平臺上的交換機(jī)進(jìn)行通信；倍福PLC實(shí)現(xiàn)地位端所有法拉第筒、熒光靶和狹縫伺服電機(jī)的控制。與高壓平臺上采用的方式一樣，對于以太網(wǎng)接口的設(shè)備，將其直接接入控制網(wǎng)交換機(jī)；對于串口設(shè)備，使用串口服務(wù)器EKI-1526實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后接入光交換機(jī)，再使用光纖接入控制網(wǎng)。軟件的開發(fā)工作仍是編寫PLC控制程序和基于TCP/IP的IOC控制程序，與高壓平臺采用相同的方式。調(diào)束員操作界面如圖5所示。

4 結(jié)論

根據(jù)被控設(shè)備的特點(diǎn)，本文采用的PLC、串口服務(wù)器等硬件，EPICS軟件框架及CSS工具很好地實(shí)現(xiàn)了高壓平臺、LAPECR2源體注入組件及束流輸運(yùn)線和實(shí)驗(yàn)終端所有現(xiàn)場被控設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。該控制系統(tǒng)已成功連續(xù)運(yùn)行約10 000 h。自投入運(yùn)行以來，升級后的控制系統(tǒng)有效支撐該裝置的運(yùn)行，與舊控制系統(tǒng)相比故障率大幅降低，大幅節(jié)省了維護(hù)成本，可完全滿足320 kV全離子綜合實(shí)驗(yàn)平臺的運(yùn)行及物理實(shí)驗(yàn)的需求。

圖4 高壓平臺的操作界面Fig.4 Operator interface for high voltage platform

圖5 束流輸運(yùn)線與實(shí)驗(yàn)終端操作界面Fig.5 Operator interface for beamline and experimental terminal