CSNS真空控制設(shè)備監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)的研制

呂慧慧，王春紅，何泳成

(中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049)

中國散裂中子源(CSNS)真空控制系統(tǒng)對分布在直線加速器、RCS環(huán)和束流輸運線上的136臺離子泵電源、30臺真空計和27個閘板閥進(jìn)行監(jiān)測和控制，實施真空壓力與閘板閥的聯(lián)鎖控制[1]。CSNS真空控制系統(tǒng)需在中央控制室和本地控制站監(jiān)控真空系統(tǒng)離子泵電源和閥門的工作狀態(tài)，并監(jiān)測真空計控制器測得的真空系統(tǒng)壓強[1]。本文使用CSS開發(fā)了真空控制設(shè)備及真空狀態(tài)監(jiān)測的實時顯示界面，根據(jù)設(shè)備的實際地理位置，采用圖文并茂的方式實時顯示設(shè)備的運行參數(shù)及系統(tǒng)的運行狀態(tài)，出現(xiàn)故障時，通過顏色的變化進(jìn)行報警提示。此外，在加速器運行中，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時，除提供報警信息外，還需盡快確定故障設(shè)備的位置，找到錯誤根源。針對此需求，本文開發(fā)CSS插件，用于連接線纜數(shù)據(jù)庫，建立被控信號與被控設(shè)備及線纜的在線關(guān)聯(lián)查詢功能，通過被控信號即可確定相關(guān)的設(shè)備及連接線纜的信息。針對CSNS工程異地建設(shè)的情況，使用Eclipse RAP開發(fā)平臺建立基于Web的CSNS真空控制設(shè)備信息管理系統(tǒng)，方便工程人員掌握真空系統(tǒng)的運行狀況。

1 CSS介紹

CSS是由DESY、SNS、KEK等多個加速器實驗室聯(lián)合開發(fā)的基于EPICS的控制系統(tǒng)軟件包,它不僅為應(yīng)用程序提供了統(tǒng)一的外觀，而且為開發(fā)者提供了統(tǒng)一的開發(fā)平臺。它使用Eclipse RCP(富客戶端平臺)開發(fā)，Eclipse RCP是基于OSGi構(gòu)建的插件化系統(tǒng)，且采用純Java編寫。因此，CSS不僅可跨平臺運行，而且在功能上具有可伸縮性。Eclipse RCP通過擴展點機制來增加插件，可在不改變原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加新的功能[2]。

CSS除了能形象直觀地顯示EPICS PV外，還提供了報警、歸檔、歷史曲線等功能。其中，CSS BOY是它的圖形操作界面和運行界面。使用BOY，通過拖拽、配置及腳本語言編程，即可將EPICS的PV值以圖形或圖表等方式顯示在用戶界面上，操作簡單方便，顯示形象直觀。另外，基于Eclipse RAP平臺，可將CSS開發(fā)的應(yīng)用程序部署到Web上，通過瀏覽器即可查看，這給用戶提供了極大的便利[2]。

2 CSNS真空控制設(shè)備及真空狀態(tài)實時監(jiān)測操作員界面(OPI)的開發(fā)

CSNS真空控制系統(tǒng)在EPICS軟件框架下實現(xiàn)，分3個層次：OPI層、輸入輸出控制層(IOC)和設(shè)備控制層，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。MOXA公司的嵌入式工控機(IOC)通過串口與真空計控制器和離子泵電源控制器通訊，真空閥門則由真空聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)控制。真空聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)用橫河FA-M3 PLC實現(xiàn)，在橫河PLC的F3RP61模塊上安裝Linux，并建立EPICS系統(tǒng)可使其成為嵌入式EPICS IOC[1]。

圖1 CSNS真空控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

CSS已集成EPICS與Java的接口，在此僅需配置真空控制EPICS IOC的網(wǎng)絡(luò)地址及需監(jiān)測在EPICS record中的PV名稱，即可自動獲取EPICS IOC中的PV值。

使用CSS BOY開發(fā)的RCS真空監(jiān)測界面如圖2所示，根據(jù)RCS真空設(shè)備的實際地理位置，以數(shù)字方式顯示真空值，以圖形的不同顏色顯示真空計的狀態(tài)(正常/故障)、閥門的狀態(tài)(開/關(guān)/故障00/故障11)，顯示形象直觀，給操作人員帶來了極大的便利。

圖2 CSNS RCS真空控制設(shè)備及真空狀態(tài)實時監(jiān)測界面

3 在線查詢插件的開發(fā)

在加速器運行中，各系統(tǒng)除了需顯示運行狀態(tài)外，出現(xiàn)故障時還需迅速定位錯誤根源，找到出現(xiàn)故障的設(shè)備，以盡快進(jìn)行維修工作，減少損失。CSS的優(yōu)點之一就是它的插件化體系結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)自己的需要擴展它的功能。本文利用此特性開發(fā)了具有在線查詢功能的插件，將其合并到CSS中，此插件通過連接控制線纜數(shù)據(jù)庫(圖3)，在線查詢被控信號與被控設(shè)備及線纜，通過被控信號即可確定設(shè)備位置和連接的線纜，方便設(shè)備的維護(hù)運行。此插件的工作流程如圖4所示。

圖3 CSNS控制線纜關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型

圖4 在線查詢插件流程圖

1) 在CSS運行界面上獲取PV名稱。在CSS BOY中，每個PV均作為一個PV Widget進(jìn)行配置，PV Widget包含很多屬性，如PV Name、Widget Type、Actions、Position等，每個屬性值都可通過函數(shù)getPropertyValue(java.lang.String prop_id)來獲取。

2) 使用JDBC連接線纜數(shù)據(jù)庫。需要配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的IP地址，并開通相應(yīng)的訪問權(quán)限，遠(yuǎn)程連接到線纜數(shù)據(jù)庫。

3) 根據(jù)PV名稱到數(shù)據(jù)庫中查詢相關(guān)的線纜及兩端的設(shè)備信息，包括設(shè)備名稱、設(shè)備位置、連接線纜的端子標(biāo)識、所在的模塊號、線纜編號等信息。

4) 返回數(shù)據(jù)庫中的查詢結(jié)果，并進(jìn)行格式加工，以彈出窗口的形式顯示在用戶界面上。

將該插件集成到CSS中，即可在BOY中使用。本文將其應(yīng)用于CSNS真空控制設(shè)備及真空狀態(tài)實時監(jiān)測的OPI中，作為PV的事件響應(yīng)函數(shù)。單擊PV，會彈出一個表格窗口(圖5)，其中，表頭是與該PV相對應(yīng)的線纜編號，表格的內(nèi)容是線纜兩端的設(shè)備信息。因此，出現(xiàn)故障時，可準(zhǔn)確而快速地確定故障位置。

圖5 插件的彈出窗口

4 基于Web的CSNS真空控制設(shè)備及真空狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

4.1 技術(shù)路線

針對CSNS工程異地建設(shè)的情況，開發(fā)了基于Web的真空控制設(shè)備及真空狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。CSS官方網(wǎng)站提供了將CSS應(yīng)用程序部署為Web應(yīng)用程序所需的war包，但它僅為CSS已有模塊開發(fā)，所以將自行開發(fā)的CSS插件加入到已有的CSS框架中，此war包不能使用，因此需自行開發(fā)Web部署功能，本文使用Eclipse RAP來實現(xiàn)。RAP在RCP基礎(chǔ)上實現(xiàn)了一套機制，它使用擴展點和Eclipse插件的開發(fā)模式構(gòu)建基于Ajax的Web應(yīng)用程序。RAP的工作原理是采用交叉編譯的方式將Java代碼生成Html、JavaScript文件，底層基于Qooxdoo Ajax框架。因此開發(fā)者可使用OO的開發(fā)模式來開發(fā)Web應(yīng)用程序，RCP和RAP程序可做到最大程度的代碼重用。

RAP支持Eclipse的大部分?jǐn)U展點，RAP與RCP在架構(gòu)上也非常相似。RCP基于SWT，而RAP基于RWT，RWT是實現(xiàn)SWT功能的一個子集，因此RAP并不能提供RCP的全部功能，如拖拽操作等。但在CSNS真空控制設(shè)備及真空狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)中，所需要的功能RWT均已實現(xiàn)，因此可使用RAP來開發(fā)。采用的技術(shù)路線為：1) 在Eclipse中部署RAP開發(fā)環(huán)境，擴展與Rap、Equinox相關(guān)的擴展點；2) CSS是基于插件的體系結(jié)構(gòu)，在此導(dǎo)入PV獲取、數(shù)據(jù)庫連接、圖形顯示等十幾個功能插件；3) 開發(fā)訪問線纜數(shù)據(jù)庫的插件，建立數(shù)據(jù)庫連接、根據(jù)PV查詢相關(guān)的信息并返回查詢結(jié)果；4) 配置各插件之間的相互依賴關(guān)系，導(dǎo)入所需插件及依賴插件，刪除不需要的插件，在此一定要保證已導(dǎo)入的所有插件的依賴插件也被導(dǎo)入到CSS中，最后按照RAP程序的要求將所有插件連同所需的jar包打包成war格式的文件，并配置路徑、初始化參數(shù)等相關(guān)信息，部署到Glassfish或Tomcat等Web服務(wù)器上。

通過客戶端瀏覽器訪問的界面如圖6所示。該界面對客戶端無任何要求，用戶通過瀏覽器隨時隨地即可監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，尤其適應(yīng)CSNS異地建設(shè)的工程需求。

圖6 基于Web的CSNS RCS真空控制設(shè)備及真空狀態(tài)實時監(jiān)測界面

4.2 安全機制

基于Web的遠(yuǎn)程訪問方式為工程提供了極大的便利，但同時也伴隨著網(wǎng)絡(luò)安全的問題。本系統(tǒng)是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并不涉及對設(shè)備的操作，因此對中國科學(xué)院高能物理研究所內(nèi)部IP全面開放。現(xiàn)以Tomcat為例，介紹基于Web的安全機制，其他服務(wù)器類似。

在Tomcat中配置遠(yuǎn)程地址過濾器，通過className:org.apache.catalina.valves.Remote-AddrValve屬性來實現(xiàn)，將所里的IP網(wǎng)段加入到allow屬性中，即僅允許該網(wǎng)段內(nèi)的用戶訪問。

4.3 速度測試

1) 測試條件

測試條件列于表1。

表1 測試條件

2) 測試結(jié)果

采用Apache的壓測工具ab模擬100個用戶同時發(fā)送10個請求，得到的測試結(jié)果列于表2。

表2 測試結(jié)果

從表2可看出，由于本系統(tǒng)顯示的圖形復(fù)雜，因此傳輸?shù)奈募艽蟆PICS IOC的掃描周期設(shè)置為1 s，系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于1 s，實際的IOC掃描周期會遠(yuǎn)大于1 s，因此完全可滿足工作要求。

5 結(jié)語

本文實現(xiàn)了CSNS真空控制設(shè)備監(jiān)測及信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能形象直觀地顯示真空控制設(shè)備的運行參數(shù)及真空狀態(tài)，并能連接線纜數(shù)據(jù)庫，將動態(tài)的PV信息與靜態(tài)的設(shè)備信息聯(lián)系起來，實現(xiàn)了被控信號與被控設(shè)備及線纜的在線關(guān)聯(lián)查詢功能，通過被控信號即可確定設(shè)備位置和連接的線纜，方便日后的設(shè)備維護(hù)運行。

本系統(tǒng)采用CSS開發(fā)的OPI不僅可跨平臺運行，而且顯示界面使用的是OS本地用戶界面代碼，因此對操作系統(tǒng)無任何限制。這種基于CSS的桌面應(yīng)用程序需要在電腦中安裝CSS，它是運行在本地的一個應(yīng)用程序；而基于CSS的Web應(yīng)用程序需將Java代碼交叉編譯成Html、JavaScript，因此桌面應(yīng)用程序的顯示速度快，且不受外界網(wǎng)絡(luò)影響，性能穩(wěn)定，尤其適合在中央控制室和本地控制站中部署使用。

國內(nèi)用戶對CSS的使用僅限于已有的功能，而本系統(tǒng)基于CSS開發(fā)的插件，打通了開發(fā)CSS插件并導(dǎo)出到CSS應(yīng)用程序及Web程序的技術(shù)路線，具有通用性，為將來構(gòu)建更豐富的基于EPICS控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序打下基礎(chǔ)。根據(jù)此插件開發(fā)的基于Web的真空控制設(shè)備及真空狀態(tài)實時監(jiān)測的OPI對客戶端無任何要求，特別適合CSNS異地建設(shè)的廣大工程人員隨時隨地監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何泳成，王春紅，王金燦，等. 基于嵌入式IOC的CSNS真空控制系統(tǒng)樣機研制[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù)，2013，33(3)：280-283.

HE Yongcheng, WANG Chunhong, WANG Jincan, et al. Development of a prototype vacuum control system based on embedded IOC for CSNS[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2013, 33(3): 280-283(in Chinese).

[2] KASEMIR K, CARCASSI G. Control system studio guide[M]. Oak Ridge, Tennessee, USA: Oak Ridge National Laboratory, 2001.