超導鍍膜測量裝置遠控系統研究

李愛玲,趙偉華2,鄭 健,彭朝華,周立鵬

(1.中國原子能科學研究院, 北京 102413; 2.原子高科股份有限公司,北京 102413)

0 引言

直線超導加速器用來加速質量為25～240的重離子，可使每核子平均能量提升4MeV。超導腔是加速器的核心組成部分，它是四分之一波長腔(QWR)，即一端短路，另一端為電容負載的同軸線；腔體為無氧銅基上電鍍一層約2微米厚的鉛膜，室溫下其品質因數約為7000，超導下約為5×107。加速器運行時，溫度低于7K(-266℃)，鉛膜的電阻值變得很小，此時把射頻功率饋入腔內,由于高頻的趨膚效應,超導腔工作時電損耗只發生在超導鉛膜中,極大降低了建立加速場的功率損耗[1]。

超導腔內部鍍膜的超導性能直接影響腔的加速梯度。為此建立的超導鍍膜測量裝置，其遠控系統基于EPICS分布式設計，提供一個真空、液氦低溫的環境，測量樣品腔鍍鉛后的超導性能，快速判定鍍鉛膜低溫超導性能，為鍍鉛工藝研究和鍍鉛工藝線建設提供技術支持，同時還可評估鍍鉛溶液配比能否滿足使用要求。

1 系統簡介

超導鍍膜測量裝置是一個圓柱形密閉容器,中間有立柱,上有法蘭與鍍鉛樣品腔用螺釘緊固；在外圍容器與中間部分設置一個冷屏；內部抽真空降低熱傳導；在樣品腔、冷屏和立柱上分布三個溫度探頭測量溫度分布；在4.2 K低溫環境下，用網絡分析儀測量樣品腔的Q值以評估鍍鉛溶液配比。

測量裝置設備包括氦氣制冷機系統、機械泵、分子泵、真空計、腔體及冷屏加熱電源、溫度儀表、網絡分析儀等，遠控系統通過對這些設備的監測和控制，實現對各類設備開/關機和參量調節，對測量的數據進行計算和處理，對設備的運行狀態進行定期巡檢等操作；提供一套快速可靠、用戶友好的圖形操作界面，運行人員可隨時掌握各種運行信息，調整和控制設備的各種參數；建立存放大量實時數據的實時數據庫和存放歷史數據的歷史數據庫，分別供控制系統人員在線和離線分析使用；具有異常報警功能，當設備的參數超出設定值時報警并記錄到事件數據庫中。

在這些設備中，氦氣制冷機系統不斷收集回路系統中的低壓氦氣，將其壓縮、冷卻、濾油后，通過供氣管路將氣體輸送到冷頭，為裝置提供高壓無油的低溫氦氣。在其前面板上有一個用于診斷壓縮機運行狀態和遠程控制的接口，型號為DB-25，控制信號包括系統啟動與關閉、冷頭電機運行與暫停、系統運行狀態、電磁閥工作狀態等共4個數字量輸出(DO)、9個數字量輸入(DI)與1個模擬量輸入(AD)(0～5 V)。

真空設備前級為機械泵，通過接觸器控制220 V電源連接與斷開；當真空度為10-2Pa，切換到分子泵繼續抽真空，分子泵采用OSAKA的TC76，其電源通訊接口為RS232；真空計監測系統真空度，在液氦溫度下，真空度達到3×10-6Pa，使用LeyboldGraphix Controller控制器，通訊接口有RS232和RS485兩種，編程時，使用CENTER通訊模式，GRAPHIX會自動向上位機傳輸當下的真空壓力值。加熱電源的作用是系統在液氦溫度下，做完實驗后，加熱使其快速回溫到常溫狀態，通訊接口為RS485，MODBUS通訊協議。測量系統分布3個溫度探頭測量液氦溫度，溫度儀表Lakeshore218E連接測溫探頭顯示溫度，通訊接口為RS232；一臺網絡接口的網絡分析儀分析樣品腔鍍鉛后的超導性能參數。設備與信號量統計如表1所示。

表1 設備與控制量信號統計表

2 控制系統技術方案

EPICS(實驗物理和工業控制系統)是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室和阿貢國家實驗室等聯合開發的典型的分布式控制系統軟件開發工具，它采用了分布式控制系統的標準模型，具有可移植性、可互操作性、可裁減性以及可重用性特點；而且經過大量實例證明，EPICS還具有運行穩定、系統結構靈活、開放性好、可擴展性好等諸多優點；同時目前的發行版本中大量工具都是免費的且提供豐富的支持文章，因此EPICS現已逐漸成為國際大型加速器控制系統的一個主流開發和運行環境[2]。

測量裝置控制系統采用基于EPICS的分布式軟件開發環境，結構上分為操作員接口層(OPI)，輸入輸出控制層(IOC)和設備控制層[3]，如圖1所示。OPI提供人機操作界面供操作人員參數設置和狀態回讀；IOC對設備進行監測控制、故障報警和聯鎖操作，并建立分布式的IOC實時數據庫，OPI和IOC以客戶機/服務器模式工作在網絡環境中，實現數據和信息交換；EPICS提供了Channel Access通道訪問協議，通過它可使Channel Access客戶與任意一個Channel Access服務器進行網絡通信。設備控制層控制底層設備。

圖1 超導樣品測量控制系統結構圖

與EPICS的體系結構相對應，控制系統的硬件分為OPI、IOC控制器和設備控制器。設備控制器選用SIMENS S7-1500系列PLC模塊，它體積精巧，支持大容量擴展，可容納高達8192個輸入/輸出點，并配備有各種可用于多種不同應用的功能模塊；同時它具有高速指令處理能力，適于需要高速度和快速響應的應用；CPU集成LCD屏和鍵板，便于設置和診斷，隨時監控CPU的運行狀態[4]。PLC模塊由集成以太網通訊接口的CPU處理器、電源模塊、I/O模塊和機架等組成，根據設備接口及控制量統計，PLC選用CPU模塊1511，AI模塊、DO模塊、DI模塊各1塊，RS232和RS485通訊模塊各2塊。PLC與這些設備相連，運行在PLC IOC上的EPICS IOC Core軟件通過內部的Device Drivers與Device Support與PLC進行通信，從而將對PV值的讀寫對應到對實際設備值的讀寫上。

IOC控制器通常對設備進行監測控制、故障報警和聯鎖操作，IOC控制計算機、數據服務器和操作員控制臺計算機通過以太網進行數據通訊。IOC控制器選擇安裝centOS 7操作系統的PC機，在其上建立分布式的IOC實時數據庫Database，通過一定的數據結構將PV變量的各種屬性、值進行保存。在EPICS中擁有大量的數據記錄類型，如模擬輸入輸出、數字輸入輸出、字符串、波形記錄等，用戶也可以自行編寫Record Support形成新的數據記錄類型。IOC提供數據庫系統管理與訪問的工具，并配置PLC設備驅動程序。由于實時控制在IOC控制機上運行且只執行專門的操作，因此系統可達到較高的可靠性和實時響應速度，同時簡化了系統的工藝控制邏輯，降低了不同系統間的耦合，并具有良好的擴充功能。

OPI層采用PC機用于系統的監控，與IOC層通過局域網連接。在其上建立EPICS控制系統軟件開發環境，包括客戶端操作系統、操作員界面、遠程訪問工具以及本地文本編輯工具。操作員界面的開發和運行環境采用DESY 的64位CSS(Control System Studio)軟件，通過Channel Access協議與IOC控制器或者服務器建立連接，改變現場設備的參數，達到控制各子系統運行的目的。CSS基于Eclipse的客戶端接口框架，由一系列plugin組成，具有平臺無關性，可以在不同的操作平臺進行移植。

數據服務器運行Linux操作系統，通過Channel Access協議讀取IOC控制器的數據，存儲多個PV變量的歷史數據，可以使用CSS的Data Browser打開任何時間的數據進行趨勢顯示和數據查詢。

3 軟件設計

測量裝置控制系統的軟件與硬件相對應，分布在PLC控制器、前端IOC以及OPI和數據服務器上。PLC編程工作與設備相關，主要完成控制流程、邏輯互鎖等功能；開發環境選擇SIEMENS公司的PORTAl V14 SP1，采用簡單直觀、易于修改PLC程序的梯形圖編寫。IOC控制器軟件的核心是分布式運行數據庫以及相關的輸入輸出支持模塊，比較重要的功能包括數據庫掃描(database scanning)、數據庫訪問(database access)、記錄支持(record support)、設備/驅動支持(device/driver support)等幾個部分；數據庫中記錄的I/O操作，通過iocCore中的掃描器(scanner)掃描數據庫記錄實現，有周期掃描、事件觸發掃描和被動掃描三種方式[5]。

3.1 PLC軟件開發

測量裝置PLC軟件實現設備的控制功能：通過溫度儀表通訊接口實時讀取3路溫度數據；加熱電源開啟/停止、設定和讀取電壓/電流值；機械泵的啟動和停止；分子泵的啟動/停止、轉速設置和讀取以及設備復位信息；真空值的讀??；氦氣制冷機的開關機控制、讀取壓力數值和報警狀態。

開始實驗時，首先安裝鍍鉛樣品腔，緊固后放下冷屏，密閉外蓋；遠控系統啟動，打開機械泵抽真空，真空計顯示真空度，當真空到10-2Pa，打開分子泵繼續抽真空到10-5Pa；啟動氦氣制冷機，溫度儀表監測溫度，在液氦溫度下，用網絡分析儀測試樣品腔頻率f和品質因數Q值；當設備出現故障，會顯示相應的故障狀態并進行處理。

控制軟件自動控制全部流程，同時規定DB10:周期性向IOC發送采集數據；DB11:接收IOC發送到PLC的數據。在編寫PLC程序時，根據每個設備接口，編寫相應的梯形圖程序。對于RS232/RS485串口設備，通訊協議都不相同，以溫度儀表PLC程序為例，將連接的串口模塊通訊設置為：波特率9600、1起始位、7數據位、奇校驗、1停止位，建立RS232 通訊模塊與溫度儀表的連接；詢問某通道溫度數值的語句為KRDG？n，在DB18中與之對應的十六進制數組{4B,52,44,47,3F,3n,0D,OA}，將該數組通過Send_P2P模塊發至溫度儀表，儀表接收命令將溫度數據回傳至通訊模塊，PLC通過Receive_P2P模塊讀取數據，經過ZXB運算模塊數據處理得到溫度值。PLC依次計算得到各個通道的溫度數值，并將數據存入DB10模塊等待IOC讀取。使用梯形圖編寫的部分程序如圖2所示。

圖2 溫度儀表串口通訊梯形圖

3.2 IOC設備驅動和記錄編寫

EPICS/IOC安裝在計算機上，核心是一個常駐內存的分布式實時數據庫系統，進入數據庫的實時數據都帶有采樣時的時間標記(time stamp)；IOC提供數據庫系統管理與訪問的工具，并提供了西門子PLC的驅動程序；EPICS內置了50多種數據庫記錄(DB record)與I/O通道相連，存放通道信息和實時數據。

西門子S7-1500系列PLC的IOC驅動s7nodave，支持通過Ethernet/PROFINET (ISO-TCP)連接的PLC，它的優點是在PLC側不用編程，只需要在IOC上配置。S7nodave支持IOC設備直接讀取和寫入PLC內存數據，在EPICS 記錄里使用這些地址編寫PLC控制邏輯，輸出記錄會把數據寫入PLC相應地址，輸入記錄可以回讀PLC數據，每個記錄可以有不同的處理速率，也可以配置poll group讓所有數據同時傳輸[6]。

在IOC計算機上首先安裝編譯EPICSbase3.14.12，它包含EPICS基本的記錄類型；因為S7nodave支持執行異步的設備，所以需要編譯asynDriver作為配置管理、日志管理和異步處理；把編譯時需要的BoostC++庫解壓到某個文件夾里；最后編譯s7nodave，配置以下兩個參數完成設備驅動安裝。

s7nodaveConfigureIsoTcpPort("myPLC", "192.168.0.6", 0, 0, 0)

s7nodaveConfigurePollGroup("myPLC", "1s", 1.0, 0)

IOC數據庫的記錄與PLC的每一個地址相對應，用于實現工程量到物理量的轉換和其它的一些控制邏輯。數據庫的記錄類型包括模擬輸入AI、模擬輸出AO、二進制輸入BI、二進制輸出BO和計算CALC等，除了計算記錄外，其余四種都與PLC里的數據類型相同。以加熱電源為例，編寫的部分記錄如下：

record(bo, "heat:ON") //打開電源

{

field(DESC, "heat power ON")

field(DTYP, "s7nodave")

field(OUT, "@myPLCDB11.DBX11.5")

field(OMSL, "supervisory")

}

record(ao,"heat:setV") //設置電壓

{

field(DESC, "set heat V")

field(DTYP,"s7nodave")

field(OUT,"@myPLCDB11.DBD34 float")

}

record(ai,"heat:V") //電壓回讀

{

field(DESC, "read V")

field(DTYP,"s7nodave")

field(INP, "@myPLCDB10.DBD52 float")

field(SCAN, "1 second")

}

在st.cmd文件里，添加記錄文件和與PLC驅動有關的參數，在EPICS下編譯成功如圖3所示, 此時IOC與PLC里的數據開始交互共享。

3.3 歷史數據存儲

測量裝置控制系統的歷史數據存儲采用Archiver Appliance，它運行在安裝有CentOS系統的服務器上，用來存儲真空度、溫度值、真空泵和制冷機狀態等運行數據。Archiver Appliance是基于EPICS的數據存取管理軟件，它具有數據提取快、獲取百萬量級PV、組建應用程序集群的能力，以及分段存儲使數據存儲速度更快[7]。歷史數據查看使用EPICS專用的數據查看軟件Archiver Viewer或CSS的Data Browser，通過分析Archiver歷史數據，準確地診斷設備故障原因，在系統運行過程中發揮著極其重要的作用。

Archiver appliance的安裝過程是：首先在安裝64位操作系統centos7.4的服務器上，編譯EPICS base3.14.12.6；安裝jdk-9.0.1，配置環境變量；安裝tomcat WEB服務器；最后安裝mysql數據庫[8]。安裝完畢，啟動/etc/init.d/sampleStartup.sh start，打開網址http://localhost:17665/mgmt/ui/index.html 便可添加欲存儲的pv量，并顯示每個PV量的狀態、是否連接、采樣周期以及是否被監控等參數，點擊quick chart還能顯示歷史數據曲線。Archiver Appliance程序根據配置文件的變量名及其相關的采集頻率，將需要保存的數據從IOC的實時運行數據庫中取出，保存到歷史數據庫中，如圖4所示。

圖3 IOC啟動界面

圖4 歷史數據存儲界面

3.4 OPI軟件開發

OPI軟件是運行人員完成測量裝置啟動、參數調整、鍍膜測量和停機的主要手段。CSS是一套專門用于開發EPICS界面的工具集，提供了多種輸入/輸出控件，比如文本輸入/輸出、儀表控件、各種2D圖形繪制工具、趨勢圖控件、LED模擬以及各種按鈕等，并且CSS提供的所有控件都是可組態的；此外，CSS具有良好的可擴展性，能夠根據實際需要自定義控件，也可以自行添加控件[9]。

測量裝置由CSS生成的控制界面如圖5所示。將每種設備的參數集中在一起，通過點擊設備的相應參數，即可實現對該設備的控制和顯示。將樣品腔鍍膜后用高壓高純水清洗，放于測量裝置內，從圖上可以看出，在真空度為10-6Pa，液氦溫度時，測量鍍鉛樣品腔的f為1 635 021 GHz，Q值為2 508 743。將樣品腔鍍膜除鉛后，用同樣的溶液在樣品腔內電鍍鉛膜，在高真空和低溫下，測量鍍膜的超導性能，重復多次實驗，測量的鍍鉛樣品腔的f和Q值都很接近，表明鍍液配比能夠滿足工程需求。

歷史數據顯示采用CSS里的data browser與數據庫連接，設置地址為pbraw://192.168.0.12:17668/retrieval，即可獲得PV量的歷史數據[10]。如圖6所示為T6存儲4天的數據，右鍵單擊export data將數據存儲，包括日期、數值、報警級別和狀態等，可以文本方式或其他工具打開數據。

圖5 超導鍍膜測量裝置控制界面

4 結論

利用超導鍍膜裝置測量鍍鉛樣品腔的超導性能，其遠控系統基于EPICS平臺搭建，實現了抽真空、樣品腔體降溫、回溫加熱和鍍鉛腔的超導性能測量的自動化控制，滿足了工程應用需求。實驗結果表明，該裝置能夠安全穩定的運行，為以后的超導腔鍍鉛工作順利進行打下了重要基礎；同時該控制平臺的建立也為實驗室以后的控制工作拓展創造了條件。

圖6 T6歷史數據查詢