上海光源儲存環機器保護系統升級

于春蕾，陳建鋒，張 瑩，閻映炳,*

(1.中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800；2.中國科學院 上海高等研究院，上海 200120)

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)是我國設計建設的第3代同步輻射光源，已于2009年4月面向用戶開放，其核心裝備儲存環是1臺環形加速器，周長432 m，電子束能量3.5 GeV[1-2]。上海光源線站工程(二期)是國家“十二五”重大科學基礎設施建設項目，于2016年11月正式開工建設。二期工程通過改造和提升加速器各系統來拓展光源性能，涉及磁聚焦結構改造，新增超導與低溫插入件和三次諧波超導腔設計、機器保護系統升級等。機器保護系統(machine protection system, MPS)又稱聯鎖保護系統，能在加速器不同的運行模式下有效保證設備的安全運行，及時發現設備信息的異常和故障，輸出聯鎖保護信號并提示報警狀態[3-4]。

隨著上海光源線站工程(二期)的實施和推進，加速器增加了超高磁場二極鐵、超導扭擺器、低溫波蕩器等一系列設備，對機器保護系統提出了更多的聯鎖需求。首先，新增的設備聯鎖接口數量和種類超出了現有MPS預留的擴展容量；其次，新型設備的控制邏輯和接口出現了多樣化和跨單元的要求，這是現有系統無法涵蓋的功能需求。同時結合上海光源的物理需求，MPS響應時間要求為本單元內的響應時間應小于20 ms，單元間的響應時間應小于50 ms。如何能有效滿足二期工程新增設備的聯鎖需求，并實現在現有系統框架下新系統的有效集成，是本次改造工程需解決的問題。針對目前的系統現狀和新增的功能需求，本文采用基于FL-net的配置方式實現MPS跨單元的數據交互，并增加軟硬件擴充部分，以滿足二期線站及后續項目發展的要求。

1 系統結構

1.1 SSRF MPS結構

考慮到可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)成熟可靠的技術和在工控、加速器領域的廣泛應用，上海光源機器保護系統是基于PLC的硬件聯鎖系統[5-6]。MPS采用日本Yokogawa FA-M3系列PLC進行搭建，其系統結構如圖1所示，是以PLC為核心，基于網絡、實驗物理和工業控制系統(experimental physics and industrial control system, EPICS)設計的分布式控制系統。聯鎖輸入、輸出信號全部為通過電纜直接連接的硬件信號，運行參數全部保存在PLC控制器內。因此，聯鎖保護邏輯功能不依賴于后臺軟件，在MPS設備正常運行的前提下，后臺軟件和網絡故障以及界面關閉和IOC重啟等均不影響系統的聯鎖保護功能[7]。

整個上海光源的MPS體系使用了分級管理和設計的方案，按總體級、分總體級、系統級、設備級4層進行部署和設計[8]。總體級MPS即中控MPS，處于MPS體系的最上層，主要負責裝置運行模式與運行狀態的聯鎖控制、對各分總體級MPS的監控、總體級聯鎖功能實現、中控的聲光報警以及MPS的操作接口等功能。分總體級MPS根據加速器的直線(LA)、增強器(BS)和儲存環(SR) 3個組成部分設置了LA-MPS、BS-MPS、SR-MPS 3個分總體級。分總體級分別連接各系統級MPS，并獨立完成各分總體級內部的聯鎖邏輯功能，3個分總體級間通過直接的硬件信號連接實現分總體級之間的聯鎖信號交互和邏輯功能。

1.2 儲存環MPS結構

系統級MPS也稱本地PLC子站，上海光源儲存環按結構和工藝劃分成20個單元進行設計、安裝，因此儲存環共設20個系統級MPS單元，結構示于圖2。每個單元MPS站點控制本單元的聯鎖邏輯和設備輸出，監控本單元的真空報警/預警信號、閥門、真空室溫度、冷卻水流量和溫度以及其他子系統的狀態信息。因為儲存環的真空聯鎖邏輯需參照相鄰單元的真空狀態，故每個單元用電纜進行硬接線連接，將上游單元的真空狀態傳遞給下游PLC單元。

圖2 上海光源儲存環聯鎖保護系統結構Fig.2 System architecture of MPS for SSRF storage ring

20個系統級MPS將每個單元的聯鎖狀態傳遞給儲存環分總體級MPS，同時，系統級MPS通過傳遞周期性心跳信號，分總體級MPS可監視各單元PLC是否出現故障或網絡通信問題，進一步保證系統的可靠性和安全性。儲存環分總體級MPS對各單元聯鎖輸入信號進行綜合判斷，控制儲存環的功率允許、注入允許信號輸出，并在相應聯鎖發生時實現儲存環閥門的聯鎖控制。此外，儲存環分總體級還會輸出增強器引出允許和電子槍觸發允許信號來控制直線加速器和增強器的停束操作。

2 單元間通信

上海光源現有的MPS結構各級和各單元PLC均存在信號通信需求，目前使用電纜直接連接的方法實現，且未預留更多的單元間信號接口。但二期線站工程新增的低溫波蕩器需獲取相鄰兩單元的閥門信號進行聯鎖運算，另外因未來的需求具備不確定性，無法確定不同單元之間信號接口的數量規模。因此從總體方案上來說，通過主機間通信接口模塊將各單元PLC連接起來，新增加的單元間接口信號只需在PLC內部修改配置，而不再需重新鋪設信號電纜，這是本次改造采取的解決方案。

FA-M3系列PLC支持FA-Link和FL-net兩種單元間通信接口。FA-Link通過光纖通信，各單元間可按菊花鏈的方式進行連接。在實驗室搭建FA-Link測試平臺對其性能進行測試，結果表明，隨著節點數、光纖距離和共享寄存器數量的增多，FA-Link方式的節點間響應時間一般控制在200 ms內，已遠超出了上海光源對聯鎖保護系統響應時間的要求。另外，使用菊花鏈的連接方式，一旦運行過程中某節點出現故障，會影響整個系統的正常運行，可靠性降低。而FL-net的響應時間一般可控制在50 ms以內，因此選擇FL-net方案對全環MPS進行升級改造。

圖3 改造后MPS網絡結構Fig.3 Network structure of MPS after upgrade

FL-net是一可用于連接多種可編程控制器、計算機數字控制器和自動化控制器產品的開放網絡[9]。各單元PLC使用FL-net網絡連接，通過FL-net模塊實現單元間數據共享。FL-net對網絡有特殊要求，因此在上海光源建立了獨立于控制網的FL-net專用網絡。此外，對儲存環所有MPS單元CPU進行升級，新CPU型號為CPU SP71-4S，替代原本CPU SP53-4S和網絡模塊LE11-0T的功能。為提高網絡通信的實時性和可靠性，減少網絡占用率，采用設備網與控制網隔離的方式進行網絡設計，IOC使用兩個網段分別連接IOC和OPI，其結構如圖3所示。

FL-net符合通用網絡標準的相關特性，采用以太網作為通信媒體(物理層和數據鏈路層)，在此基礎上實現FA(factory automation)控制器的通信需求。FL-net協議共有6層，如圖4所示。與TCP相比，UDP具有反應時間快、網絡負擔小的優勢，因此FL-net采用UDP/IP協議，以實現快速通信。Yokogawa FL-net模塊支持循環傳輸和報文傳輸兩種傳輸模式，通過令牌控制完成數據通信。循環傳輸是通過共享內存的方式實現所有網絡節點間的數據共享，而報文傳輸用于兩個節點間的按需傳輸。FL-net的連接方式不存在主控節點，任意1個節點均可隨時安全地加入或離開網絡，不會影響整個系統的正常運行，因此FL-net相對于FA-Link的安全性和可靠性更高。

圖4 FL-net協議Fig.4 FL-net protocol

FL-net支持8K位+8K字的大容量共享內存，對應L寄存器和W寄存器兩種共享寄存器類型。每個節點應分配兩種類型的發送區，依據上海光源目前單元間數據共享的需求，目前每單元共分配了128個L寄存器和128個W寄存器，使用WideField 3軟件完成了各節點的寄存器分配，配置示于圖5。FL-net支持在線配置和讀取參數和狀態信息，包括節點號、共享內存地址和大小、節點連接狀態、看門狗時間等網絡參數信息。

圖5 FL-net節點設置Fig.5 Setup of FL-net nodes

3 擴展部分框架設計

上海光源現有控制系統中，儲存環機器保護系統采用了標準單元的設計結構，并構建綜合布線系統，將儲存環20個單元的MPS軟硬件系統在1套統一的架構模板下設計與實施。原標準單元內容多、布線復雜，為避免對原標準單元的影響，改造方案將單元聯鎖系統架構設計為由標準部分和擴充部分組成，如圖6所示。原有系統的軟硬件架構作為標準部分，基本保持不變；每單元增加的軟硬件作為擴充部分，擴充部分獨立進行設計、開發和布線，并與標準部分實現接口與集成，形成一套新的完整的單元聯鎖系統。這種設計方法既能保持單元聯鎖主體系統的標準化和穩定性，又可靈活實現各單元因新型插入件項目等產生的不同的新聯鎖需求。

圖6 改造后單元聯鎖結構Fig.6 Cell interlock structure after upgrade

每個單元的PLC擴充部分使用13槽基板，本次改造預裝8個I/O模塊，目前I/O容量為64個數字量輸入和24個數字量輸出，其余部分可按以后各單元的不同需求靈活配置。擴展部分通過光纖與原標準單元PLC連接，使用FA-bus模塊實現通信功能。

原PLC聯鎖程序邏輯復雜且各單元統一，為避免破壞原PLC程序結構，新增的聯鎖功能和FL-net單元間數據通信功能等作為新的BLOCK進行設計編寫。同樣，EPICS的軟件設計包括IOC和OPI界面的開發[10]，擴展部分將獨立于原標準部分進行單獨開發。這樣，擴充部分的I/O軟硬件設計不再受標準設計約束，但從整個儲存環MPS的框架結構看，儲存環仍由20個標準單元組成，各單元的軟硬件接口形式一致，擴充部分的技術路線和技術性能也一致，以形成新的標準單元。

4 系統測試

上海光源MPS升級改造工作于2018年7月完成對儲存環分總體級MPS和20個系統級MPS的擴展單元安裝、布線，新加入了前端區、canted電源及真空聯鎖信號，并在擴展部分實現了新增的聯鎖邏輯功能。經在線運行半年以上，改造后的MPS運行穩定，原聯鎖功能運行正常，并未受到此次升級改造的影響。

2019年1月將單元間的閥門信號通過FL-net方式加入到低溫波蕩器的真空聯鎖，實現了FL-net在上海光源MPS的正式上線應用。系統在線運行超過3個月時間，期間未出現因FL-net數據傳輸異常而引起的掉束或誤聯鎖現象，可靠性得到了檢驗。

響應時間是MPS的關鍵指標，因此對應用FL-net后系統的響應時間進行測試。使用儲存環的2個PLC單元搭建測試平臺，在單元1同時驅動兩個脈沖輸出信號，1個通過FL-net方式傳遞到單元2的PLC輸出，1個直接通過電纜連接到單元2，在單元2用示波器測量兩個信號脈沖的上升沿時間差作為系統的響應時間(梯形圖執行時間可忽略不計)。采樣3 000次以上，結果表明應用FL-net后系統平均響應時間約14 ms，最大響應時間小于21 ms(圖7)，滿足上海光源MPS單元間響應時間50 ms以內的物理需求。

圖7 FL-net響應時間測試Fig.7 Test of FL-net response time

5 小結

上海光源機器保護系統使用FL-net技術完成了儲存環分總體級MPS和20個系統級PLC單元間的數據共享，且擴充部分通過統一的接口和模塊化設計方法實現了獨立開發和有效整合。此次升級改造工作保持了聯鎖系統的標準化設計，且FL-net的應用和層次化的結構設計可靈活滿足今后不同的聯鎖需求。經在線測試，MPS升級改造工程運行穩定、可靠，各方面性能滿足設計指標，有效滿足了目前二期線站項目的聯鎖需求，且為后續工程的發展奠定了基礎。