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

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

國家重大科學(xué)工程上海光源(SSRF)的注入引出系統(tǒng)包括增強器注入系統(tǒng)、增強器引出系統(tǒng)和儲存環(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)是對各脈沖磁鐵電源系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制，完成脈沖磁鐵電源內(nèi)、外部的聯(lián)鎖控制，來實現(xiàn)對設(shè)備和人生安全的保護，同時將注入引出系統(tǒng)脈沖磁鐵電源的工作狀態(tài)通過Ethernet實時傳送到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)的動作，例如開機、關(guān)機、復(fù)位、緊急停機等，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)整個上海光源的正常運行。

1 基于EPICS的系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

選用實驗物理及工業(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。該系統(tǒng)是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)和阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)等聯(lián)合開發(fā)的大型控制系統(tǒng)軟件，是大型實驗物理裝置控制系統(tǒng)中廣泛使用的軟件開發(fā)環(huán)境。

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

操作員接口計算機OPI是整個控制系統(tǒng)的最頂層，負(fù)責(zé)提供人機交互界面，完成參數(shù)的設(shè)置/回讀、報警處理、操作記錄、數(shù)據(jù)存檔、訪問控制等功能。其硬件通常為SUN或HP工作站，為降低造價，也可采用PC機，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)完成對設(shè)備控制層數(shù)據(jù)的實時采集/存儲、處理及響應(yīng)OPI的數(shù)據(jù)請求。IOC的硬件有VME、VXI、PCI或 ISA總線的工業(yè)控制計算機，稱為前端計算機(Front-End Computer)，其操作系統(tǒng)一般為vxWorks、Linux等實時操作系統(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)完成信號的輸入/輸出、信號調(diào)理等功能。

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

增強器注入系統(tǒng)包括1臺沖擊磁鐵和1臺切割磁鐵，增強器引出系統(tǒng)包括1臺沖擊磁鐵、3塊切割磁鐵和3臺凸軌磁鐵，儲存環(huán)注入系統(tǒng)包括4臺Kicker電源和2臺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，監(jiān)控程序包括人身安全保護、設(shè)備保護和設(shè)備操作控制。設(shè)備控制器具備本地完整的監(jiān)控保護功能。人身和設(shè)備保護采取軟件和硬件二重冗余保護設(shè)計。PLC通過以太網(wǎng)與EPICS 通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

由于增強器注入系統(tǒng)、增強器引出系統(tǒng)和儲存環(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為增強器注入控制系統(tǒng)、增強器引出控制系統(tǒng)和儲存環(huán)注入控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 SSRF的增強器注入(a)、增強器引出(b)和儲存環(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，通道訪問客戶和服務(wù)器共享庫，靜態(tài)和實時數(shù)據(jù)庫訪問機制，數(shù)據(jù)庫處理代碼，標(biāo)準(zhǔn)的記錄、設(shè)備驅(qū)動支持程序。IOC同時運行EPICS實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對底層設(shè)備的過程控制。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，通道訪問客戶端工具 Channel Archiver(數(shù)據(jù)文檔存儲)、Operator Interface(用戶界面編輯/運行工具)、Alarm Manager (報警管理工具)等，它位于EPICS軟件結(jié)構(gòu)的OPI層，是用戶應(yīng)用程序，提供人機界面對系統(tǒng)進行監(jiān)控。

2.1 IOC動態(tài)數(shù)據(jù)庫

控制系統(tǒng)的I/O量是頻繁變動的數(shù)據(jù)，為了響應(yīng)來自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采用動態(tài)數(shù)據(jù)庫來記錄I/O數(shù)據(jù)。

IOC數(shù)據(jù)庫以記錄的形式存放在內(nèi)存中。每個數(shù)據(jù)庫記錄對應(yīng)一個I/O通道，數(shù)據(jù)庫記錄也被稱為過程控制模塊，EPICS系統(tǒng)中所有過程控制功能基本上是通過動態(tài)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)庫有50余種記錄類型，如模擬量的輸入輸出、數(shù)字量的輸入輸出、建立歷史曲線、儲存波形、步進電機和操作記錄實現(xiàn)PID循環(huán)、驅(qū)動定時硬件等。

系統(tǒng)采用瑞士光源開發(fā)的Siemens PLC EPICS設(shè)備驅(qū)動程序接口程序 drvS7plc[4]，驅(qū)動程序通過內(nèi)存映像(Memory Map)的塊傳輸方式，進行數(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方接收緩存區(qū)中，從而產(chǎn)生中斷，激活對數(shù)據(jù)的響應(yīng)處理。

2.2 運行參數(shù)自動保存

當(dāng)注入引出系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，為防止意外情況的發(fā)生，必須及時保存運行設(shè)置參數(shù)，以備在停機或斷電后再次開機時，恢復(fù)注入引出系統(tǒng)的所有運行參數(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第一次啟動時會自動創(chuàng)建auto_setting.sav文件，來存放保存的參數(shù)值。當(dāng)IOC正常工作時，auto_save模塊按設(shè)定的時間間隔自動更新 auto_positions.sav和auto_settings.sav中的參數(shù)值。

(3) 啟動恢復(fù)配置。在IOC啟動腳本中，指定auto_settings.req的恢復(fù)方式為 PASS1，并設(shè)定在IOC 正常工作時 auto_save模塊自動更新auto_setting.sav的間隔時間。當(dāng) IOC啟動執(zhí)行，auto_save模塊自動恢復(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

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

3.1 增強器注入遠(yuǎn)控系統(tǒng)的界面設(shè)計

在增強器注入遠(yuǎn)控 OPI界面中(圖2)，共設(shè)置了28個數(shù)字監(jiān)控量、5個控制量(緊急停機、復(fù)位、啟動運行、允許輸出、允許充電)、2個模擬顯示反饋值(電壓、電流)、2個模擬設(shè)置值(電壓、電流)。增強器注入系統(tǒng)的啟動、運行和關(guān)機，由OPI全程監(jiān)控。首先 Kicker的“On/Off”開關(guān)置“On”狀態(tài)，閘流管開始預(yù)熱，15 min后，輸入需要的Kicker脈沖電流值，進行確認(rèn)后再將Septum的“On/Off”開關(guān)置“On”狀態(tài)。輸入需要的Septum脈沖電流值。此時，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，脈沖電源開始工作，即可得到需要的脈沖電流。

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

3.2 增強器引出遠(yuǎn)控系統(tǒng)的界面設(shè)計

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

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

儲存環(huán)注入遠(yuǎn)控 OPI界面中(圖4)，共設(shè)置了60個數(shù)字監(jiān)控量、34個控制量(緊急停機、復(fù)位、啟動運行、允許輸出、允許充電、高壓開/關(guān))、2個模擬顯示反饋值(電壓、電流)、2個模擬設(shè)置值(電壓、電流)。儲存環(huán)注入系統(tǒng)開機后，首先檢查安全聯(lián)鎖，如門聯(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，一切就緒后啟動閘流管預(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。對于 Septum磁鐵電源在注入系統(tǒng)開機后，可直接設(shè)置高壓，準(zhǔn)備充電，最后可以允許輸出。

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

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

4 結(jié)語

通過對注入引出系統(tǒng)本身性能特點細(xì)致的分析與系統(tǒng)設(shè)計，在確保性能的前提下，利用西門子S3-700 PLC，通過梯形圖語言，完成了注入引出系統(tǒng)的本地控制。利用EPICS，實現(xiàn)了注入引出系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。目前，成功實現(xiàn)了對上海光源注入引出系統(tǒng)的監(jiān)控運行，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國家重大科學(xué)工程初步設(shè)計. 上海建筑設(shè)計研究院有限公司, 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)計報告[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