基于EPICS的上海光源注入引出遠(yuǎn)控系統(tǒng)

朱海君 劉亞娟 袁啟兵

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

國(guó)家重大科學(xué)工程上海光源(SSRF)的注入引出系統(tǒng)包括增強(qiáng)器注入系統(tǒng)、增強(qiáng)器引出系統(tǒng)和儲(chǔ)存環(huán)注入系統(tǒng)[1]。上海光源注入引出遠(yuǎn)控系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)各脈沖磁鐵電源系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，完成脈沖磁鐵電源內(nèi)、外部的聯(lián)鎖控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和人生安全的保護(hù)，同時(shí)將注入引出系統(tǒng)脈沖磁鐵電源的工作狀態(tài)通過(guò)Ethernet實(shí)時(shí)傳送到SSRF中央控制室[2]。系統(tǒng)將根據(jù)中央控制室發(fā)送的命令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，例如開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、復(fù)位、緊急停機(jī)等，從而為物理調(diào)束人員提供安全的工作環(huán)境，并協(xié)調(diào)整個(gè)上海光源的正常運(yùn)行。

1 基于EPICS的系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

選用實(shí)驗(yàn)物理及工業(yè)控制系統(tǒng)(Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS)[3]作為控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)。該系統(tǒng)是由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)等聯(lián)合開(kāi)發(fā)的大型控制系統(tǒng)軟件，是大型實(shí)驗(yàn)物理裝置控制系統(tǒng)中廣泛使用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

EPICS采用標(biāo)準(zhǔn)的三層結(jié)構(gòu)：操作員接口計(jì)算機(jī) OPI (Operator Interface)、輸入輸出控制器 IOC(Input/Output Controller)、設(shè)備控制器 DC (Device Controller)。

操作員接口計(jì)算機(jī)OPI是整個(gè)控制系統(tǒng)的最頂層，負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互界面，完成參數(shù)的設(shè)置/回讀、報(bào)警處理、操作記錄、數(shù)據(jù)存檔、訪問(wèn)控制等功能。其硬件通常為SUN或HP工作站，為降低造價(jià)，也可采用PC機(jī)，操作系統(tǒng)通常為UNIX或Linux。

輸入輸出控制器IOC是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)完成對(duì)設(shè)備控制層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集/存儲(chǔ)、處理及響應(yīng)OPI的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。IOC的硬件有VME、VXI、PCI或 ISA總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，稱為前端計(jì)算機(jī)(Front-End Computer)，其操作系統(tǒng)一般為vxWorks、Linux等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

設(shè)備控制器DC是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，與被控設(shè)備直接相連，負(fù)責(zé)完成信號(hào)的輸入/輸出、信號(hào)調(diào)理等功能。

操作員接口計(jì)算機(jī)OPI與輸入輸出控制器IOC之間的通訊由以太網(wǎng)Ethernet完成。

增強(qiáng)器注入系統(tǒng)包括1臺(tái)沖擊磁鐵和1臺(tái)切割磁鐵，增強(qiáng)器引出系統(tǒng)包括1臺(tái)沖擊磁鐵、3塊切割磁鐵和3臺(tái)凸軌磁鐵，儲(chǔ)存環(huán)注入系統(tǒng)包括4臺(tái)Kicker電源和2臺(tái)Septum電源。

注入引出系統(tǒng)本地控制采用以可編程控制器PLC為核心的設(shè)計(jì)，監(jiān)控程序包括人身安全保護(hù)、設(shè)備保護(hù)和設(shè)備操作控制。設(shè)備控制器具備本地完整的監(jiān)控保護(hù)功能。人身和設(shè)備保護(hù)采取軟件和硬件二重冗余保護(hù)設(shè)計(jì)。PLC通過(guò)以太網(wǎng)與EPICS 通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

由于增強(qiáng)器注入系統(tǒng)、增強(qiáng)器引出系統(tǒng)和儲(chǔ)存環(huán)注入系統(tǒng)中的磁鐵電源的數(shù)量和功率不同，所以它們的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖也不完全一樣。圖1為增強(qiáng)器注入控制系統(tǒng)、增強(qiáng)器引出控制系統(tǒng)和儲(chǔ)存環(huán)注入控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 SSRF的增強(qiáng)器注入(a)、增強(qiáng)器引出(b)和儲(chǔ)存環(huán)注入(c)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematics of (a) injection control system of booster, (b) extraction control system of booster and(c) injection control system of storage ring at SSRF.

2 EPICS的軟件組成

EPICS軟件包由IOC軟件和OPI客戶端軟件組成。IOC軟件中主要運(yùn)行EPICS Base內(nèi)核，包括文件系統(tǒng)和工具，公共操作系統(tǒng)接口庫(kù)，通道訪問(wèn)客戶和服務(wù)器共享庫(kù)，靜態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)機(jī)制，數(shù)據(jù)庫(kù)處理代碼，標(biāo)準(zhǔn)的記錄、設(shè)備驅(qū)動(dòng)支持程序。IOC同時(shí)運(yùn)行EPICS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備的過(guò)程控制。它位于EPICS軟件結(jié)構(gòu)的IOC層。OPI客戶端軟件由一系列軟件工具組成，提供物理學(xué)家或操作員訪問(wèn)控制加速器設(shè)備，用戶可以選擇所需軟件工具安裝。

例如，通道訪問(wèn)客戶端工具 Channel Archiver(數(shù)據(jù)文檔存儲(chǔ))、Operator Interface(用戶界面編輯/運(yùn)行工具)、Alarm Manager (報(bào)警管理工具)等，它位于EPICS軟件結(jié)構(gòu)的OPI層，是用戶應(yīng)用程序，提供人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

2.1 IOC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)

控制系統(tǒng)的I/O量是頻繁變動(dòng)的數(shù)據(jù)，為了響應(yīng)來(lái)自O(shè)PI的命令和設(shè)備控制器的各種數(shù)據(jù)及狀態(tài)變化，EPICS采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)記錄I/O數(shù)據(jù)。

IOC數(shù)據(jù)庫(kù)以記錄的形式存放在內(nèi)存中。每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O通道，數(shù)據(jù)庫(kù)記錄也被稱為過(guò)程控制模塊，EPICS系統(tǒng)中所有過(guò)程控制功能基本上是通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)庫(kù)有50余種記錄類(lèi)型，如模擬量的輸入輸出、數(shù)字量的輸入輸出、建立歷史曲線、儲(chǔ)存波形、步進(jìn)電機(jī)和操作記錄實(shí)現(xiàn)PID循環(huán)、驅(qū)動(dòng)定時(shí)硬件等。

系統(tǒng)采用瑞士光源開(kāi)發(fā)的Siemens PLC EPICS設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口程序 drvS7plc[4]，驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)內(nèi)存映像(Memory Map)的塊傳輸方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在IOC與PLC端的內(nèi)存中都設(shè)置了發(fā)送緩存區(qū)SendBuffer和接收緩存區(qū)RecvBuffer。發(fā)送緩存區(qū)的任何狀態(tài)改變都同步映射到對(duì)方接收緩存區(qū)中，從而產(chǎn)生中斷，激活對(duì)數(shù)據(jù)的響應(yīng)處理。

2.2 運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)保存

當(dāng)注入引出系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，為防止意外情況的發(fā)生，必須及時(shí)保存運(yùn)行設(shè)置參數(shù)，以備在停機(jī)或斷電后再次開(kāi)機(jī)時(shí)，恢復(fù)注入引出系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)。auto_save模塊完成了電壓、電流及控制量等參數(shù)的保存。整個(gè)模塊功能為：

(1) 參數(shù)配置文件auto_setting.req。需要保存的參數(shù)全部在auto_setting.req中定義。

(2) 保存文件auto_setting.sav。IOC第一次啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建auto_setting.sav文件，來(lái)存放保存的參數(shù)值。當(dāng)IOC正常工作時(shí)，auto_save模塊按設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)更新 auto_positions.sav和auto_settings.sav中的參數(shù)值。

(3) 啟動(dòng)恢復(fù)配置。在IOC啟動(dòng)腳本中，指定auto_settings.req的恢復(fù)方式為 PASS1，并設(shè)定在IOC 正常工作時(shí) auto_save模塊自動(dòng)更新auto_setting.sav的間隔時(shí)間。當(dāng) IOC啟動(dòng)執(zhí)行，auto_save模塊自動(dòng)恢復(fù)auto_setting.sav中保存的參數(shù)值。

3 注入引出系統(tǒng)遠(yuǎn)控系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

注入引出遠(yuǎn)控系統(tǒng)中，OPI置于SSRF中央控制室，作為操作員人機(jī)界面。使用基于Linux操作系統(tǒng)的PC機(jī)(PC/Linux)作為OPI的操作計(jì)算機(jī)。

3.1 增強(qiáng)器注入遠(yuǎn)控系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

在增強(qiáng)器注入遠(yuǎn)控 OPI界面中(圖2)，共設(shè)置了28個(gè)數(shù)字監(jiān)控量、5個(gè)控制量(緊急停機(jī)、復(fù)位、啟動(dòng)運(yùn)行、允許輸出、允許充電)、2個(gè)模擬顯示反饋值(電壓、電流)、2個(gè)模擬設(shè)置值(電壓、電流)。增強(qiáng)器注入系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行和關(guān)機(jī)，由OPI全程監(jiān)控。首先 Kicker的“On/Off”開(kāi)關(guān)置“On”狀態(tài)，閘流管開(kāi)始預(yù)熱，15 min后，輸入需要的Kicker脈沖電流值，進(jìn)行確認(rèn)后再將Septum的“On/Off”開(kāi)關(guān)置“On”狀態(tài)。輸入需要的Septum脈沖電流值。此時(shí)，充電電壓已經(jīng)加在電容上。將 Output置于“On”狀態(tài)，觸發(fā)使能，脈沖電源開(kāi)始工作，即可得到需要的脈沖電流。

圖2 增強(qiáng)器注入遠(yuǎn)控系統(tǒng)的頁(yè)面Fig.2 Interface of injection remote control system of the booster.

3.2 增強(qiáng)器引出遠(yuǎn)控系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

增強(qiáng)器引出遠(yuǎn)控 OPI界面中(圖3)，共設(shè)置了66個(gè)數(shù)字監(jiān)控量、18個(gè)控制量(緊急停機(jī)、復(fù)位、啟動(dòng)運(yùn)行、允許輸出、允許充電)、2個(gè)模擬顯示反饋值(電壓、電流)、2個(gè)模擬設(shè)置值(電壓、電流)。OPI全程監(jiān)控增強(qiáng)器引出系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行和關(guān)機(jī)。首先 Kicker的“On/Off”開(kāi)關(guān)置“On”狀態(tài)，閘流管開(kāi)始預(yù)熱，預(yù)熱15 min后，輸入需要的Kicker脈沖電流值，回車(chē)確認(rèn)。將 Kicker對(duì)應(yīng)的 Output置于“On”狀態(tài)，觸發(fā)使能，脈沖電源開(kāi)始工作，得到需要的脈沖電流。再將Septum的“On/Off”開(kāi)關(guān)置“On”狀態(tài)。輸入需要的Septum脈沖電流值，回車(chē)確認(rèn)。此時(shí)，充電電壓已經(jīng)加在電容上。再將 Septum對(duì)應(yīng)的Output置于“On”狀態(tài)，觸發(fā)使能，脈沖電源開(kāi)始工作，得到需要的脈沖電流。最后將Bump開(kāi)關(guān)置“On”狀態(tài)，設(shè)置脈沖電流，然后將Bump所對(duì)應(yīng)的 Output按鈕置“On”狀態(tài)。

3.3 儲(chǔ)存環(huán)注入遠(yuǎn)控系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

儲(chǔ)存環(huán)注入遠(yuǎn)控 OPI界面中(圖4)，共設(shè)置了60個(gè)數(shù)字監(jiān)控量、34個(gè)控制量(緊急停機(jī)、復(fù)位、啟動(dòng)運(yùn)行、允許輸出、允許充電、高壓開(kāi)/關(guān))、2個(gè)模擬顯示反饋值(電壓、電流)、2個(gè)模擬設(shè)置值(電壓、電流)。儲(chǔ)存環(huán)注入系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，首先檢查安全聯(lián)鎖，如門(mén)聯(lián)鎖，接地棒聯(lián)鎖，安全放電聯(lián)鎖以及外部聯(lián)鎖中的低壓聯(lián)鎖信號(hào)，一切就緒后啟動(dòng)閘流管預(yù)熱，預(yù)熱完畢后，可以設(shè)置Kicker電源高壓，準(zhǔn)備充電，然后可以允許輸出。對(duì)于 Septum磁鐵電源在注入系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，可直接設(shè)置高壓，準(zhǔn)備充電，最后可以允許輸出。

圖3 增強(qiáng)器引出遠(yuǎn)控系統(tǒng)的頁(yè)面Fig.3 Interface of extraction remote control system of the booster.

圖4 儲(chǔ)存環(huán)注入遠(yuǎn)控系統(tǒng)的頁(yè)面Fig.4 Interface of injection remote control system of the storage ring.

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)注入引出系統(tǒng)本身性能特點(diǎn)細(xì)致的分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在確保性能的前提下，利用西門(mén)子S3-700 PLC，通過(guò)梯形圖語(yǔ)言，完成了注入引出系統(tǒng)的本地控制。利用EPICS，實(shí)現(xiàn)了注入引出系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。目前，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)上海光源注入引出系統(tǒng)的監(jiān)控運(yùn)行，工作狀況穩(wěn)定，該系統(tǒng)具有很高的可靠性和抗干擾性。

1 上海光源SSRF國(guó)家重大科學(xué)工程初步設(shè)計(jì). 上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 2004 Preliminary design of Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Shanghai Institute of Architectural Design &Research Co. Ltd, 2004

2 袁啟兵. SSRF注入引出控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告[R].SSRF-SB05-07-03-04, 2009 YUAN Qibing. The design report of control system of injection and extration in SSRF[R]. SSRF-SB05-07-03-04,2009

3 Epics home page: http://www.aps.anl.gov/epics, 2008

4 http://www.slac.stanford.edu/grp/ssrl/spear/epics/site/s7pl c/s7plc.html, 2010