基于物聯網的重離子加速器狀態診斷系統研究與設計

李運杰，張建川，周德泰，王彥瑜,*，李麗莉，尹 佳，宿建軍，田瑞霞，倪發福

(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)

中國科學院近代物理研究所的重離子加速器(HIRFL)是我國重要的大科學裝置，它承擔著大量的國家重大科研任務，保障HIRFL的安全運行具有極其重要的意義，但傳統的設備單一控制和人員巡視相結合的維護模式已不能滿足未來HIRFL的發展。物聯網是指通過信息傳感設備，按約定的協議，將任何物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能[1]。物聯網的信息互聯互通共享的特點使其近年來得到快速發展。

本文擬將物聯網技術應用于加速器狀態診斷系統，并從以下幾方面進行研究：1) 融合控制網絡，實現集中控制與數據共享功能；2) 針對現場的老舊控制模塊與傳感器開發一批智能控制器，添加一些服務器、工控機，實現設備互聯互通；3) 對于加速器的大數據處理，利用數據庫技術進行數據整理與分析，實現故障信息、報警類型和監測數據的歸納處理；4) 進行數據分類算法研究，建立分類模型對未知類別進行分類處理，最終完成分類目的。

1 架構設計

1.1 基本結構

按照物聯網的劃分概念結合HIRFL實際情況，將要規劃的物聯網架構如圖1所示，各部分的主要功能[2]如下。

1) 核心設備：在本狀態診斷系統中主要是指核心服務器與核心控制器，這些在架構中起著大腦的作用。

2) 控制設備：主要是指終端計算機、手機、嵌入式設備，各類控制器等，在架構中相當于人的四肢，負責接受指令，采集與傳輸數據。

3) 網絡設備：包括交換機、路由器、有線網與無線網等，這是設備數據傳輸的通道，相當于人的血管。

4) 傳感設備：包括溫濕度感應器、壓力感應器、漏水感應器、有害氣體感應器等信號采集設備，用于采集各類設備信息，并通過通信網絡反饋給控制端，這是架構中的眼睛和耳朵。

圖1 物聯網控制系統架構Fig.1 Architecture of IoT control system

5) 軟設備：主要是指控制軟件、數據庫等。這些是系統的靈魂，將以上4類設備整合起來實現具體的功能。

1.2 設計理念

由于HIRFL系統承擔著大量的科研任務，為不影響其正常運行，以及遵循循序漸進的科學研究原則，先在本課題組所負責的控制系統中進行局部實驗與改造，搭建一個示范系統，以驗證物聯網技術在重離子加速器現場數據獲取和設備故障診斷中的可行性。整體思路是運用物聯網的理念，將漏水、真空、水壓、溫度、有害氣體的檢測和電源故障診斷等部分的控制網絡和探測設備整合在一起，實現聯網監控和綜合診斷[3]。各類探測器將探測到的信息先傳回各自控制的主機，然后由交換機傳回中央處理集群，這是整個物聯網診斷系統的核心。中控室運行的自主設計的控制平臺以及短信報警平臺和視頻監控平臺，對整個網絡內的機器、設備和基礎設施進行實時管理和控制。該物聯網診斷系統的整體網絡架構示于圖2。

圖2 網絡架構Fig.2 Network architecture

2 硬件設計

2.1 硬件控制模塊研發

目前在現場所使用的控制模塊和傳感器有些比較老舊，有些通訊端口不統一，不能被并入到物聯網系統中，因此研發了一批控制模塊，用于底層傳感器的數據采集，如圖3所示。

圖3 控制測量模塊Fig.3 Control and measurement module

2.2 模塊介紹

漏水檢測模塊由1個數據傳輸模塊級聯若干個數據采集模塊，每個數據采集模塊連接8個漏水探測點。數據采集模塊在提供漏水狀態信息的同時也會提供位置信息、故障狀態信息等，并且會進行一定的預處理，如發現漏水點或出現故障時給出報警信息，數據傳輸模塊經網絡傳至中央服務器的控制軟件進行數據分析[4]。漏水檢測系統的架構如圖4所示。

真空系統主要包括真空計、快閥、氣閥等，同樣采用自主研發的真空設備控制模塊，將規管數據以及信息通過交換機傳至中央服務器；水壓、水位監測報警系統將水壓、水位、流量等測量集成到一個控制采集模塊中；溫/濕度測量系統的每個溫/濕度采集模塊連接8個溫度傳感器和1個濕度傳感器[5]。以上狀態采集系統將從底層相關傳感器傳回的數據發回中央服務器進行集中處理，再將分析結果顯示在控制界面上。這3個狀態采集系統的架構示于圖5。

有害氣體及過溫檢測系統可有效檢測CO等有害氣體，當其濃度達到一定值時，會將報警信號通過網絡傳輸到控制界面上，實現聲光報警[6]。還可對電力線纜的過溫現象進行保護報警，當電力線纜的溫度≥85 ℃時，現場控制器會聲光報警，同時將報警信息實時發送出去，在中央控制室的界面上亦提供聲光報警，如圖6所示。

圖4 漏水檢測系統架構Fig.4 Architecture of water leakage detection system

圖5 真空(a)、溫濕度(b)、水壓/水位/流量(c)監控系統架構Fig.5 Architecture of vacuum (a), temperature and humidity (b), water pressure/water level/flow (c) monitoring system

3 軟件設計

3.1 設計架構

本故障診斷系統采用網絡B/S架構建立中央控制系統，采用組態軟件與asp.net技術編寫整體控制界面，將各分散的故障診斷網絡整合在一起。在對整體控制系統進行設計時，采用圖像化的控制界面，按照現場真實的環境和一定的比例，盡量還原現場。這樣當有故障報警時，中控室的值班人員可一目了然地發現故障的確切地點[7]。整體狀態診斷系統的軟件架構示于圖7。

圖6 過溫及有害氣體檢測系統架構Fig.6 Architecture of over temperature and harmful gas detection system

圖7 狀態診斷系統軟件架構Fig.7 Software architecture of status diagnostic system

3.2 數據處理與分析

建立1個基于關鍵績效指標(KPI)思想的數據驅動多元分析法的分析與處理庫，這是對故障數據分析與故障處理的核心[8]。建立智能模型進行分析推導，才能發現故障，進而預測故障。同時建立風險庫，風險庫的建立可使計算機有可比對的對象，為智能化預測提供事實依據。KPI故障處理模型示于圖8。

具體的算法采用多元分析方法，利用故障記錄本身是一個前后關聯的邏輯序列，首先對經過檢測引擎預處理的數據提取特征和構造詞向量，然后搭建網絡模型、配置模型參數和進行網絡訓練，達到要求后保存網絡參數并輸出訓練后的模型，當有新的待診斷樣本數據到達時，將數據輸入訓練好的網絡故障診斷模型中，輸出診斷后的結果[9]。重離子加速器集中處理智能分析流程示于圖9。

圖8 KPI故障處理模型Fig.8 Trouble shooting model of KPI

3.3 軟件界面

軟件開發主要采用以下兩種方式：實驗物理及工業控制系統(EPICS)是一套開源的軟件架構，可自主開發，難點是設備未知的驅動太多，要編寫大量的驅動程序，目前漏水檢測系統已采用EPICS進行了初步編寫嘗試[10]；本系統采用SCADA和ASP.net技術，其優點是圖形架構較成熟，也有大量的開發經驗。目前在加速器的狀態監測中所設計運行的部分界面如圖10所示。

結合目前所運行的控制系統，設計出HIRFL狀態診斷系統的控制界面，如圖11所示。

在該控制界面中，將主要狀態監測參數顯示在主界面上，點擊相應的按鈕也可進入分界面。如目前系統監測到主環正在漏水，水壓的狀態也處于低位，則主控制程序對所收集到的數據經過綜合分析后，可認為不影響加速器正常運行，給出漏水的警告，自動發出報警短信，讓值班人員處理即可，系統可根據分析出的報警的嚴重程度，做出相應的處理動作。

圖9 數據分析流程Fig.9 Process of data analysis

圖10 狀態監測系統分類界面Fig.10 HMI of status monitoring system of classification

圖11 HIRFL狀態診斷系統的主界面Fig.11 Main HMI of status diagnosis system about HIRFL

3.4 軟件測試

加速器監測軟件設計完成后，按照設計指標進行詳細測試。

1) 響應時間

主要測試在中央控制室的控制界面上進行相關的觸發操作，然后觀察數據的返回與變化情況。例如，對于漏水監測系統，設計指標要求1 s內報警回讀值能正常顯示。實際測試結果顯示該軟件可在500 ms內返回數據并正常顯示。這對于真空系統的真空值顯示、閥門控制系統的開關都同樣能滿足其響應時間的要求。

2) 并發數

采取在不同的計算機上同時打開控制界面的做法，觀察界面是否運行正常，有無鏈接錯誤顯示。因為加速器狀態監測必須有專業人員才能進行操作調束，所以設計指標中對并發數的要求不是很高，一般只運行1個控制界面，但在實際測試中同時打開10個控制界面仍能正常運行，滿足其并發數的設計要求。

3) 斷網重連

在該控制軟件的設計中，具有網絡中斷后再自動重新連接的功能。在實際測試中，通過人為拔掉網線觀察界面。發現界面開始通訊中斷報警，重新插入網線后，軟件自動恢復通訊，控制界面重新運行正常。這種功能可避免因人為失誤造成通訊短暫中斷的情況，也為維護人員提供了通訊檢測的依據，保障其能及時判斷發生通訊故障的設備，并及時進行處理。

4 總結

本文主要研究了重離子加速器的狀態監測與故障診斷系統，詳細論述了目前加速器所面臨的主要問題，并給出了對應的解決方案。在此基礎上，提出了具體的設計架構，展示了目前所研發的部分控制模塊。在軟件設計部分，給出了具體的數據分析設計與處理和控制界面的具體設計方法，并列出了目前所運行的部分控制界面，最后設計了狀態監測與故障診斷系統的主控界面。

希望未來HIRFL綜合故障診斷平臺進一步升級為一鍵智能化調束，使加速器控制向智能化方向邁進。