320 kV全離子綜合實驗平臺控制系統升級

常建軍，原有進，張 瑋，安 石，王鵬鵬

(1.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049)

重離子束流在開展諸如低能天體物理、離子-分子碰撞、離子表面物理、核能材料[1-4]等物理實驗中發揮著不可或缺的作用。中國科學院近代物理研究所于2005年建成了320 kV全離子綜合實驗平臺以滿足國內用戶的需求。該裝置每年可提供束流約7 000 h，各類重離子束流能量可從若干keV至MeV量級。經多年使用，實驗平臺控制系統的穩定性、可靠性均已嚴重下降，嚴重制約了實驗平臺的運行效率。為此，于2016—2017年間對320 kV全離子綜合實驗平臺的控制系統進行技術升級，本文對控制系統升級進行研究。

1 系統結構

320 kV全離子綜合實驗平臺包含1個懸浮于加速高壓端的高壓平臺，其上的設備有全永磁離子源LAPECR2源體[5]、各種磁鐵、狹縫、束流診斷設備、真空計和溫度監測儀表等，這些設備的控制器也位于高壓平臺上。LAPECR2源體注入組件在加速高壓的基礎上又懸浮于引出高壓端，引出高壓一般為15～20 kV。位于地電位的束流輸運線和實驗終端需要控制的設備主要有磁鐵電源、狹縫及束流診斷設備。320 kV全離子綜合實驗平臺如圖1所示。

在320 kV全離子綜合實驗平臺運行過程中，控制系統須滿足以下控制要求：1) LAPECR2束流強度可調；2) 可根據實驗要求選出特定的離子，這需要掃譜并分析譜圖；3) LAPECR2源體注入組件、高壓平臺、地位端之間必須進行電氣安全隔離，使所有設備統一整合入控制系統中；4) 實現LAPECR2源體注入組件、高壓平臺與地位端所有設備的遠程監控并為調束員提供透明訪問。

EPICS是1套基于以太網的分布式網絡控制系統框架，已被世界上多個大型實驗物理裝置所采用[6-9]，可保障加速器裝置控制系統的穩定性和可靠性，且能極大簡化控制系統的開發。升級后的控制系統也基于EPICS框架實現，針對以上控制要求，控制系統的結構如圖2所示。

2 高壓平臺上的控制

在高壓平臺上放置1臺控制機柜并將所有控制設備置于其中，其中包含1臺工控機作為EPICS IOC完成高壓平臺與LAPECR2源體注入組件的控制；1套倍福的PLC實現模擬量、開關量與LAPECR2源體氣閥電機的控制；兩臺光交換機實現高壓平臺、LAPECR2源體注入組件與地位端的光纖通信；1臺網絡交換機供高壓平臺所有設備接入控制網。

LAPECR2源體注入組件和高壓平臺上的設備有的采用串口通信方式進行控制，如溫度監測儀表和校正磁鐵電源采用RS485接口、真空計采用RS232接口。這些串口設備的命令格式、數據波特率及校驗碼不盡相同，使用研華公司的串口服務器EKI-1526實現串口轉以太網的協議轉換，然后接入光交換機，再使用光纖接入控制網。有的設備采用以太網接口。針對模擬量、開關量與電機，則采用倍福PLC整合后統一對外提供以太網接口，這些設備直接接入網絡交換機。由于高壓平臺是浮地工作，在裝置運行中不可避免地產生靜電的累積進而發生打火，為保護PLC，所有模擬量均使用了隔離器進行電氣隔離，所有開關量均使用繼電器進行電氣隔離。如此，高壓平臺上的設備與LAPECR2源體注入組件就統一接入了控制網，且硬件結構較簡單，為EPICS IOC的開發提供了便利。

圖1 320 kV全離子綜合實驗平臺Fig.1 320 kV heavy ion multidisciplinary research facility

圖2 升級后的控制系統結構Fig.2 Structure of upgraded control system

軟件開發工作主要是編寫PLC控制程序和基于TCP/IP的IOC控制程序。PLC控制程序采用TwinCAT開發環境編寫，運行循環周期為2 ms。PLC與IOC之間采用Send/Receive規范[10]實現數據交換和命令傳遞。該規范由SLS(Swiss Light Source)實驗室提出[10]，雖然最初是針對西門子S7系列PLC與EPICS IOC之間的通信[10]，但可很方便移植到任何品牌的PLC上。按照該規范，PLC和IOC分別在其內部建立數據交換區，用于數據包的發送和接收。通信時，一方面PLC將所有模擬量、開關量及電機狀態寫入數據包并發送給IOC(發送時間間隔為50 ms)，IOC根據數據包交換協議進行解包并掃描更新各記錄(record)；另一方面IOC則將相應記錄的值進行打包并發送給PLC，PLC進行解包后更新其輸出值。對于某些自帶通信接口的受控設備，如磁鐵電源、溫度監測儀表等，在原始的EPICS base中并沒有針對其的記錄類型，因此為這些設備開發了新的記錄類型及相應的記錄支持(record support)和設備支持(device support)，在其設備驅動支持中調用操作系統的TCP/IP socket函數進行命令碼的發送和狀態碼的接收。在具體程序編寫時采用了有限狀態機思想，即將受控設備的功能需求分解為若干狀態，設備支持在多個狀態中切換。以磁鐵數字電源的控制為例，其狀態和切換流程如圖3所示。

為獲得較高的運行效率，所有的記錄均采用中斷方式觸發掃描[11]，并運行于CentOS6.6操作系統上。調束員操作界面采用CSS[12]開發，運行于Windows 7操作系統上，如圖4所示。

圖3 磁鐵電源的狀態機Fig.3 State machine of magnet power supply

3 束流輸運線與實驗終端的控制

地位端放置1臺控制機柜，內含1臺工控機、1臺網絡交換機和1套倍福PLC。其中：工控機內運行EPICS IOC；網絡交換機為地位端所有設備提供網絡接入服務并使用光纖與高壓平臺上的交換機進行通信；倍福PLC實現地位端所有法拉第筒、熒光靶和狹縫伺服電機的控制。與高壓平臺上采用的方式一樣，對于以太網接口的設備，將其直接接入控制網交換機；對于串口設備，使用串口服務器EKI-1526實現串口轉以太網的協議轉換，然后接入光交換機，再使用光纖接入控制網。軟件的開發工作仍是編寫PLC控制程序和基于TCP/IP的IOC控制程序，與高壓平臺采用相同的方式。調束員操作界面如圖5所示。

4 結論

根據被控設備的特點，本文采用的PLC、串口服務器等硬件，EPICS軟件框架及CSS工具很好地實現了高壓平臺、LAPECR2源體注入組件及束流輸運線和實驗終端所有現場被控設備的遠程監測與控制。該控制系統已成功連續運行約10 000 h。自投入運行以來，升級后的控制系統有效支撐該裝置的運行，與舊控制系統相比故障率大幅降低，大幅節省了維護成本，可完全滿足320 kV全離子綜合實驗平臺的運行及物理實驗的需求。

圖4 高壓平臺的操作界面Fig.4 Operator interface for high voltage platform

圖5 束流輸運線與實驗終端操作界面Fig.5 Operator interface for beamline and experimental terminal