上海同步輻射裝置電源控制系統

丁建國 趙 歡 朱海君 劉亞娟 沈立人

（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

上海同步輻射裝置(SSRF, Shanghai Synchrotron Radiation Facility)是能量為3.5 GeV的第三代同步輻射光源，由電子直線加速器(Linac)、增強器(Booster)、儲存環(Storage Ring)和高低能輸運線組成。為精確調節電流，SSRF磁鐵電源采用DSP技術的全數字化電源控制器。針對電源數目多且分布廣的特點，SSRF電源控制系統基于分布式控制技術設計，采用大型實驗物理及工業控制系統(Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS)[1]工具集進行系統開發與運行。2009年4月SSRF向用戶開放，該電源控制系統一直處于穩定的高性能狀態。本文介紹基于Ethernet的層次式的DCS結構，并介紹瑞士光源(SLS)和上海光源的SINAP控制器的基于EPICS系統的控制方案，包括系統硬件集成、軟件開發及通訊實現。

1 系統結構與工作原理

SSRF共有600多臺各種類型磁鐵電源和若干公共直流源，分布于直線加速器技術走廊、增強器主副電源廳和儲存環技術走廊的 20個技術單元與環電源廳中。它們數量多且地域分布廣，分布式控制是實現SSRF電源控制系統的最佳選擇。根據國內外大型加速器裝置控制系統的技術主流，我們選擇在EPICS系統架構下開發電源控制系統。

電源控制系統是3層結構的層次式結構[2]，包括操作員計算機(Operator Interface, OPI)、輸入輸出控制器(Input/Output Controller, IOC)和連接OPI和IOC的計算機網絡。OPI位于SSRF中央控制室與各電源站，采用Linux/PC工作站，在SSRF中央運行環境下，運行GUI圖形界面，實現對電源運行參數的監控顯示，或者運行上層基于物理模型的調束軟件操作電源。OPI通過基于TCP/IP的通道訪問協議(Channel Access, CA)訪問IOC中的I/O通道。IOC控制器運行EPICS基礎內核和實時運行數據庫實現對本地電源的訪問操作。通過與電源控制器的實時數據交換，IOC及時刷新控制變量，并對OPI請求作出響應。

SSRF的每臺磁鐵電源包含一個內置的電源控制器。基于物理對電源控制精度、穩定與可靠的高要求，所有電源控制器均采用數字化控制技術，通過基于數字化信號處理器(DSP)的控制器實現建立電流調節的高速反饋回路。電源控制器采用光纖連接實現與上層IOC的通訊，以及電源與電源控制系統的隔離(避免相互干擾)。SSRF電源系統有兩種數字化電源控制器：瑞士PSI電源控制器[3,4]和SINAP電源控制器[5]。采用數字化控制器的電源，長期穩定可優于 20×10?6。

基于EPICS的控制系統，其核心是IOC。電源控制的IOC控制器是VME 64x總線的嵌入式系統，每個IOC由運行vxWorks實時操作系統的單板計算機和若干控制模塊組成。在Linac和增強器電源廳與儲存環技術走廊各電源站共分布著 27臺VME/IOC控制器。VME系統有很高的 MTBF、EMI/EMC指標，為電源控制系統的高性能奠定了基礎。

IOC的操作系統及其EPICS軟件、實時數據庫等是在系統啟動從控制系統的FTP服務器下載后運行。IOC通過SSRF控制系統中的NTP網絡時間服務器保持時間的同步。運行時，IOC中的實時運行數據庫記錄被觸發處理，通過對EPICS設備支持與驅動程序的調用，從電源控制器獲取電源參數與狀態、或將控制參數寫入電源控制器。通過通道訪問協議，IOC中所有I/O通道對OPI進程對其他IOC均透明，授權用戶可通過通道命名直接訪問數據庫記錄值，而不必知道通道的具體位置及如何工作。

2 電源控制方案實現

2.1 基于PSI控制器的控制方案

PSI控制器用于儲存環和增強器升能動態電源的控制。對于使用 PSI控制器的電源，基于 VME總線的IOC通過Industry Pack (IP)工業總線模塊與電源控制器的光纖接口實現通訊連接。IP安裝于VME 64x總線的 IP載板上，載板用于實現IP到VME的地址映射，從而實現IOC對IP模塊空間的訪問。

圖1是基于PSI控制器的電源控制方案。每個電源控制器包含DSP卡和ADC卡兩個模塊，由一個專門背板連接。DSP卡用高速DSP芯片實現電流調節反饋回路，ADC卡用于數字采集。DSP卡使用一塊FPGA芯片產生PWM開關脈沖，且通過2路連接與外部通訊：Service PC接口和快速光纖接口。Service PC接口用于對電源控制卡進行參數設定以實現控制器符合特定的磁鐵特性，也可在電源調試維護時實現本地操作。點對點的快速光纖連接用于遠程控制，由一對塑料光纖連接實現控制器端與IOC中IP模塊間的同步數據交換。遠程通訊由雙方的FPGA芯片實現。電源控制器包含256個寄存器，可被DSP和FPGA雙向讀寫。IOC通過對寄存器地址的讀寫請求實現電源操作。

IOC是VME 64x總線的GE7050單板計算機，具有1 GHz CPU、512 M RAM和兩個Gbit Ethernet接口。IP載板選用4-slot的GE Vipc 664-ET。IP模塊是為PSI控制器專門設計的，每個IP模塊可用于兩個電源控制，每塊載板最多可用于8個電源的控制。傳輸板(Transition Module, TM)用于IP載板輸入輸出信號的光電轉換。光纖信號為 5 MHz的Manchester編碼的同步通訊，定長數據幀，傳輸速率可達10 K幀/s。

PSI控制器通過一個附設的光纖輸入口接收外部觸發信號。當觸發運行時，電源有按照設定的電流波形運行的特性，這一功能用于SSRF增強器中對升能電源的控制。具體地，電流表格文件通過OPI程序下載到電源控制器的存儲中，操作員按照物理要求，設定好直流電流、控制步長和放大因子，然后使能外部觸發。當接收到SSRF定時系統提供的觸發信號時，電源按照設定運行表格波形，將束流能量從150 MeV升至3.50 GeV，滿足儲存環束流注入的要求。

圖1 基于PSI控制器的電源控制方案原理圖Fig.1 Diagram of the control solution for the power supplies with the PSI-designed digital controllers.

2.2 基于SINAP控制器的控制方案

SINAP電源控制器是數字化電源控制器，用于Linac、高低能輸運線電源和增強器校正電源的控制。SINAP控制器的控制方案為：采用通訊服務器，將電源控制器光纖連接的串行通訊轉換為基于Ethernet的網絡通訊。IOC通過基于TCP/IP的網絡通訊訪問電源控制器。通訊服務器安裝于電源機柜，在光纖信號進入通訊服務器之前，通過光電轉換模塊進行信號轉換。

圖2是基于SINAP控制器的電源控制方案。為實現與PSI控制器物理連接與安裝的兼容，SINAP控制器也由DSP卡與ADC卡組成，通過背板連接。當前版本尚無外部定時觸發運行表格波形的接口與功能。

DSP卡有兩路外部通訊連接端口：光纖連接的異步串行通訊端口和RS232通訊接口。RS232接口用于電源控制參數的設置與修改，調試與維護時的本地控制操作。光纖連接則用于上層控制。兩個通訊端口執行相同的通訊協議。

圖2 基于SINAP控制器的電源控制方案原理圖Fig.2 Diagram of the control solution for the power supplies with the SINAP-designed digital controllers.

DSP卡中定義了一組寄存器，用于存放針對不同磁鐵負載的電流調節參數，電源電流設定參數與電源運行狀態等。同時，定義了專門的通訊協議規程用于控制器與IOC上位機的通訊。

IOC采用GE7050 CPU板，由于不涉及硬件數據采集，IOC只是實現soft IOC的功能。采用VME系統的優點在于能獲得系統更高的穩定性，且運行vxWorks操作系統得到更好的實時控制性能。

3 控制軟件

電源控制軟件是基于EPICS工具集開發的。軟件的實現采用層次式結構，包括電源控制器軟件、IOC軟件及控制臺OPI軟件。

3.1 電源控制器軟件

電源電流調節的反饋控制回路和電流波形表的運行是由控制器中的軟件實現的，由控制器制造商在發貨前固化在控制器的 Flash存儲器中。針對不同的磁鐵負載特性，SSRF電源專業組負責控制器電源控制參數的設定與調試。

3.2 IOC軟件

IOC軟件由EPICS內核、實時運行數據庫和設備支持/驅動模塊組成。系統采用 EPICS base 3.14.8.2 作為基礎運行內核版本。

電源控制系統通過分布于各個IOC中的實時運行數據庫實現對電源的控制訪問，通過數據庫記錄的掃描域定義觸發記錄的處理，實現數據的實時刷新。掃描機制包括周期性掃描、I/O中斷與事件觸發掃描和被動處理掃描等。數據庫在IOC啟動時在載入操作系統、EPICS基礎內核后裝入運行。SSRF電源控制系統定義了三種不同的標準數據庫模板用于不同電源的控制。對于靜態電源，為兩種電源控制器定義了獨立的控制數據庫模板。對增強器的升能動態電源，開發了專門的數據庫模板，增加了電流表格下載與上傳，定時觸發運行的設置等特殊功能。IOC啟動時，只要選擇模板文件，在載入時給出電源名稱和一些基本參數宏替換就可生成滿足實際需求的運行數據庫。采用模板的方法，開發與維護都容易實現。

電源控制的基本邏輯須在數據庫中實現。除電源開關、電流設定與定時回讀電流值、設備參數與工作狀態外，數據庫要實現開機時對磁鐵消除剩磁的Cycle功能選擇，在從最小電流到最大電流運行3個周期后，電源回到原電流設定值。IOC復位后的透明化處理，即在IOC如遇故障重啟后，無需操作員干預，電源所有設定回到故障前的運行狀態，整個過程不對束流產生任何附加影響。

由于系統中電源很多，數據庫中還包括了按照實際操作要求的一些功能，如電源的全局開關機功能：對每個電源站的全局開關操作，對儲存環同一類電源的開關操作，及對所有電源的開關操作等；環Q鐵電源的按磁鐵族執行Cycle功能、按磁鐵的族設定電流等。為防止同時大功率電源操作對供電系統的干擾，這些操作都必須按照定義的間隔順序有序進行。所有全局操作都集中在一個soft IOC中實現。

數據庫設計還包括了對系統故障的快速定位功能。對每個電源站的電源狀態參數按類型統計，包括開機與否、聯鎖情況、控制誤差、通訊故障燈都集中到幾個通道中，在中控室一個簡單控制界面就可觀察到全局運行情況，一旦有故障，通過鏈接就可直接定位到故障電源位置。

設備支持/驅動程序提供特定控制對象的EPICS接口，記錄處理時，調用相應的設備支持/驅動程序，完成記錄的處理。對于PSI 控制器，設備支持/驅動程序由PSI提供，所做的開發工作是修改部分內容，實現從僅對EPICS base 3.13版本的支持移植到3.14版本下運行。對SINAP控制器，選擇了日本KEK開發的netDev程序包[6]。netDev是針對網絡接口設備開發的通用設備支持/驅動程序，針對SINAP控制器應用，開發了對應的設備相關模塊，實現了對SINAP控制器的支持。

3.3 控制臺軟件

控制臺界面基于圖形化的界面設計，在電源控制系統中主要基于 EPICS系統提供的“Enhanced Display Manager (EDM)”開發。EDM有圖形化控件的界面編輯功能，直接將控件與控制變量關聯，同時內置了通道訪問功能以訪問 IOC中的過程變量，可直接啟動進入運行模式。部分控制臺操作功能必須通過OPI應用程序實現，如波形表格的下載與上傳等，這些應用程序通過內嵌于EDM界面的嵌入式命令實現。圖3是增強器動態升能電源運行正弦波波形的控制頁面。

圖3 增強器動態升能電源控制界面Fig.3 Control panel for the booster ramp power supplies.

由于電源數量多、分布廣，顯然不可能同時顯示所有電源的運行操作界面，因此在電源控制界面設計時采用了層次化的結構設計方案。在頂層只顯示電源站分類電源運行總體狀態，用不同顏色指示。當異常情況發生時，會發生狀態改變或報警，點擊電源站名稱，相應的界面即會彈出，進一步點擊界面上的電源名稱，就得到更詳盡的電源運行信息。

4 結論

SSRF電源控制系統是基于EPICS體系結構開發運行的較大規模的分布式控制系統，是SSRF控制系統的關鍵子系統之一。系統包含了 27臺VME/IOC，共～65K的控制通道。針對PSI電源控制器和SINAP研發的數字化電源控制器，分別設計了不同的控制方案并在EPICS下實現系統集成。

電源控制系統按照物理應用與電源系統調試的要求，對實時運行數據庫，控制臺操作界面進行了詳細的設計。系統結構合理，功能完整，操作直接方便，便于系統維護。自SSRF向用戶開放以來，經過近3年的運行，電源控制系統的高性能得到了充分檢驗與證明。除一次因通訊服務器電源故障造成半小時的儲存環注入延遲外，未發生一例因電源控制系統故障引起的丟束事件，達到了SSRF作為用戶裝置對控制系統長期可靠穩定運行的要求，也為SSRF順利調束，創造多項同類光源調束記錄發揮了重要作用。

1 Kraimer M R, Anderson J, Johnson A,et al. EPICS Input/Output Controller Application Developer’s Guide[Z]. ANL, Argonne, IL 60439, USA, 2004

2 丁建國, 劉松強. EPICS系統中的網絡技術[J]. 核技術,2006, 29(5): 380?383 DING Jianguo, LIU Songqiang. Network technologies applied in EPICS system[J]. Nuclear Techniques, 2006,29(5): 380?383

3 Ding J G, Zhu H J, Shen L R. A Prototype of the SSRF Power Supply Control System[C]. Proceedings of APAC’07, Indore, India, 2007

4 Jenni F, Tanner L. Digital Control for Highest Precision Accelerator Power Supplies[C]. Proceedings of PAC’01,Chicago, USA, 2001

5 Shen T J, Li D M, Li R,et al. Construction of SSRF Magnet Power Supply[C]. Proceedings of APAC’07, India,2007

6 Odagiri J, Chiba J, Furukawa K,et al. EPICS Device/driver Support Modules for Network-based Intelligent Controllers[C]. Proceedings of Icalepcs ’03,Gyeongju, Korea, 2003