西安200 MeV質(zhì)子應用裝置脈沖電源控制系統(tǒng)

胡 闖， 魏崇陽， 王 強， 趙 晨， 王茂成,5， 閆逸花,5，鄭曙昕， 姚紅娟， 程 誠?， 關(guān)遐令， 王學武， 王忠明,5

(1. 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點實驗室， 北京 100084； 2. 清華大學 先進輻射源及應用實驗室， 北京 100084；3. 清華大學 工程物理系， 北京 100084； 4. 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024;5. 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室， 西安 710024)

西安200 MeV質(zhì)子應用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility,XiPAF)是一臺能夠提供最高能量為230 MeV的質(zhì)子束，可用于單粒子效應研究的科學應用裝置。該裝置由一臺7 MeV負氫離子直線加速注入器和一臺230 MeV環(huán)形同步加速器組成[1]。在同步環(huán)加速質(zhì)子的過程中，環(huán)上的二極磁鐵和四極磁鐵等磁鐵的磁場強度必須隨著質(zhì)子能量同步變化，因此這些磁鐵需要采用既能輸出直流電流，又能跟蹤給定電流波形輸出脈沖電流的時變電源。XiPAF同步環(huán)上有二極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵和校正磁鐵，共需使用20臺磁鐵電源，都采用了法國Sigmaphi 電子公司生產(chǎn)的脈沖工作模式的時變電源。根據(jù)物理設(shè)計的需要，這些電源中輸出電流最大達1 800 A，電流上升時間為250～500 ms，下降時間為490 ms，重復頻率為0.1～0.5 Hz。對于脈沖電源的控制，需進行設(shè)備安全聯(lián)鎖保護，提供同步定時信號，控制電源按照工作時序輸出直流和脈沖電流，并回讀實時波形數(shù)據(jù)。在之前的研究工作中，中國科學院高能物理研究所基于實驗物理和工業(yè)控制系統(tǒng)(EPICS)架構(gòu)，利用PLC和數(shù)字示波器設(shè)計和開發(fā)了中國散裂中子源(CSNS)引出脈沖電源控制系統(tǒng)[2]；中國科學院上海應用物理研究所基于EPICS架構(gòu)，利用VME 64x總線嵌入式控制器設(shè)計和開發(fā)了上海同步輻射裝置(SSRF)的電源控制系統(tǒng)[3]；中國科學院近代物理研究所基于工業(yè)標準過程控制(OPC)平臺，利用運行自行開發(fā)的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信協(xié)議的前端服務器設(shè)計和開發(fā)了醫(yī)用重離子加速器(HIMM)數(shù)字電源的遠程調(diào)試軟件系統(tǒng)[4]。XiPAF脈沖電源控制系統(tǒng)基于在國內(nèi)外大型實驗室和加速器裝置的控制系統(tǒng)中得到廣泛應用的EPICS架構(gòu)設(shè)計和開發(fā)[5-6]，利用XiPAF脈沖電源本控系統(tǒng)中集成的數(shù)字電源控制器和實時數(shù)據(jù)記錄器(RTDL)進行電源控制，實現(xiàn)了設(shè)備安全聯(lián)鎖、同步觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制等功能，且各部分功能分別集成到XiPAF控制系統(tǒng)的設(shè)備安全聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)、同步觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)與控制網(wǎng)絡(luò)中。本文主要介紹了基于EPICS的XiPAF脈沖電源控制系統(tǒng)及實際測試結(jié)果。

1 Sigmaphi脈沖電源的控制協(xié)議

XiPAF同步環(huán)上給磁鐵供電的20臺脈沖工作模式的時變電源采用法國Sigmaphi 電子公司生產(chǎn)的S-RC G3系列電源，這些電源內(nèi)部集成了基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)的數(shù)字電源控制器進行脈沖電流的控制，還集成了基于FPGA進行測量的RTDL進行實時波形數(shù)據(jù)的記錄。Sigmaphi脈沖電源的直流量控制、脈沖電流控制和回讀實時波形數(shù)據(jù)功能通過3個不同的模塊來進行，遠程控制系統(tǒng)需要通過3種通信協(xié)議與電源進行通信[7]：

1) 直流量控制功能通過Modbus TCP協(xié)議進行控制。直流量控制包括開關(guān)機、設(shè)置電流上升速率和設(shè)置直流偏置電流等功能。脈沖電源內(nèi)部設(shè)置了針對自身的設(shè)備安全聯(lián)鎖保護功能，能夠?qū)﹄娫垂耖T開啟、線圈過熱和冷卻水流量不足等報警情況自動進行斷電保護，并反饋報警狀態(tài)。脈沖電源運行狀態(tài)基于設(shè)備內(nèi)部設(shè)置的狀態(tài)機進行控制，分別有啟動(START)、待機(IDLE)、電流上升(INRUSH)、波形暫停(LOADING)、故障報警(FAULT)和故障復位(ACK)等狀態(tài)。這些安全聯(lián)鎖報警狀態(tài)和運行狀態(tài)也歸屬到直流量控制范疇，通過Modbus TCP協(xié)議反饋。

2) 脈沖電流通過脈沖電源內(nèi)部集成的數(shù)字電源控制器進行控制，控制系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議與電源內(nèi)部設(shè)置的Waveform TCP server通信。脈沖電流控制功能包括下發(fā)和存儲脈沖電流波形、獲取已存儲波形名稱列表、選取當前運行波形、設(shè)置波形運行重復次數(shù)及開始和暫停波形運行等功能。

3) 回讀實時波形數(shù)據(jù)需要從脈沖電源內(nèi)部集成的RTDL中讀取記錄的實時波形數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)通過Sigmaphi自定義的RTDL TCP協(xié)議與電源內(nèi)部設(shè)置的RTDL TCP server進行通信。RTDL TCP協(xié)議是與Sigmaphi脈沖電源的硬件參數(shù)緊密結(jié)合的特殊數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。脈沖電源內(nèi)部的FPGA每次采樣時記錄5個通道的數(shù)據(jù)，包括給定電流、輸出電流、輸出電壓和誤差電流等，可自定義每個通道所記錄的數(shù)據(jù)種類。FPGA每采集3 276組數(shù)據(jù)就加上時間戳信息打包一個RTDL數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包存在脈沖電源內(nèi)部設(shè)置的RTDL TCP server數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。回讀脈沖電源的輸出電流波形等信息時，用戶需根據(jù)RTDL TCP協(xié)議要求編程與RTDL TCP server建立套接字(socket)連接，進行數(shù)據(jù)校驗、從RTDL TCP server的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)包和拆分數(shù)據(jù)包讀取需要的數(shù)據(jù)等動作。Sigmaphi將實現(xiàn)這樣一套操作的程序定義為一個RTDL TCP client。

2 Sigmaphi脈沖電源控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)XiPAF同步環(huán)對于磁鐵電源的控制需求和Sigmaphi脈沖電源本身的3種控制協(xié)議，控制系統(tǒng)需要具備TCP接口及強大的數(shù)據(jù)處理能力才能與20臺脈沖電源進行通信，且能夠處理大數(shù)據(jù)量的波形數(shù)據(jù)，滿足大規(guī)模、分布式控制需求。Sigmaphi脈沖電源的控制是XiPAF控制系統(tǒng)的一部分，需要納入到EPICS架構(gòu)中，將所有的控制數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化成過程變量(PV)，從而利用通道訪問(CA)協(xié)議讓這些數(shù)據(jù)在EPICS網(wǎng)絡(luò)中傳輸，并提供友好的操作界面(OPI)來顯示數(shù)據(jù)和進行操作。除了數(shù)據(jù)與控制功能之外，控制系統(tǒng)還需要為20臺Sigmaphi脈沖電源提供同步定時信號，且對所有電源進行設(shè)備安全聯(lián)鎖控制。

圖1為Sigmaphi脈沖電源控制系統(tǒng)示意圖。在設(shè)備安全聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)方面，用1臺同步環(huán)PLC機柜將所有磁鐵電源的報警信號通過硬線全部接入，利用PLC程序進行設(shè)備安全聯(lián)鎖控制。在同步定時網(wǎng)絡(luò)方面，用1臺同步事件接收器(EVR)接收同步定時事件，并根據(jù)同步定時事件信號向20臺Sigmaphi脈沖電源發(fā)出同步觸發(fā)信號。在數(shù)據(jù)與控制網(wǎng)絡(luò)方面，采用運行64位CentOS7 Linux操作系統(tǒng)的凌華工控機作為前端控制器，通過華為萬兆網(wǎng)絡(luò)交換機與20臺磁鐵電源建立TCP連接；用戶端采用普通商用計算機通過CA協(xié)議訪問EPICS網(wǎng)絡(luò)。前端控制器上運行EPICS輸入輸出控制(IOC)程序和RTDL TCP client程序。對Sigmaphi脈沖電源進行控制的IOC程序是獨立設(shè)置的，不包含其他設(shè)備的控制功能，原因是Sigmaphi脈沖電源的控制比較復雜，數(shù)據(jù)量較大。RTDL TCP client程序中，除了RTDL TCP通信功能之外，還加入了CA功能，將回讀的實時波形數(shù)據(jù)寫入到對應的PV中。用戶端運行基于Control System Studio(CSS)[8]開發(fā)的OPI界面，包括1個同步環(huán)分系統(tǒng)電源總控OPI界面和20個設(shè)備控制OPI界面。通過同步環(huán)電源總控OPI界面，可對20臺Sigmaphi脈沖電源集中進行開關(guān)電源、設(shè)置直流偏置電流和運行常用波形等常用操作，也可對同步環(huán)上其他電源進行集約化操作。通過20個Sigmaphi脈沖電源設(shè)備控制OPI界面，可進行每臺脈沖電源全部功能的操作。

圖1 Sigmaphi脈沖電源控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch map of the Sigmaphi impulsingpower source control system

3 EPICS IOC，RTDL TCP client和OPI開發(fā)

Sigmaphi脈沖電源的前端控制程序，包括EPICS IOC和RTDL TCP client的開發(fā)，要在前端控制器上安裝、配置好EPICS開發(fā)環(huán)境、Asyn驅(qū)動、Modbus驅(qū)動和Stream驅(qū)動等。為方便在RTDL TCP client中使用CA功能，安裝了EPICS擴展工具中的ezca。在IOC開發(fā)方面，根據(jù)Sigmaphi脈沖電源控制協(xié)議的設(shè)定，在IOC中將PV劃分為3部分。第1部分的PV負責直流量的控制，包括開關(guān)電源、設(shè)定電流最大上升速率、設(shè)定直流偏置電流、反饋電源運行狀態(tài)和報警狀態(tài)等，通過Asyn和Modbus驅(qū)動，采用Modbus TCP協(xié)議與設(shè)備通信。第2部分的PV負責波形控制，包括下發(fā)和儲存脈沖電流波形、讀取儲存的波形名稱列表、選取當前運行波形、設(shè)置波形運行重復次數(shù)及開始和停止運行波形等，通過Asyn和Stream驅(qū)動，通過TCP/IP協(xié)議與設(shè)備通信。第3部分的PV用來記錄各種電源的各種實時運行波形，包括輸出電流波形和參考電流波形等，不直接與設(shè)備進行通信，各種波形數(shù)據(jù)通過RTDL TCP client讀取，讀取之后運用CA功能將讀取的數(shù)據(jù)寫入到這些波形數(shù)據(jù)PV中進行記錄，并供IOC和OPI調(diào)用。在RTDL TCP client開發(fā)方面，根據(jù)RTDL TCP協(xié)議的規(guī)定，用C語言編寫了1套程序，按要求執(zhí)行通過IP與RTDL TCP server建立socket連接、進行數(shù)據(jù)校驗、從RTDL TCP server的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)包及從數(shù)據(jù)包中拆分需要讀取的數(shù)據(jù)等動作，然后利用引入的ezca庫，調(diào)用ezca的接口函數(shù)，將整理好的數(shù)據(jù)寫入到對應的PV當中。

Sigmaphi脈沖電源的上層操作程序，采用了當前廣泛應用的CSS來開發(fā)OPI。OPI主要是給物理調(diào)束和裝置運行維護等人員使用，需要做到功能明確、使用方便和最大程度減少操作員誤操作的可能性。在Sigmaphi脈沖電源控制的OPI界面上，還集成了一些JavaScript和Python腳本，實現(xiàn)一鍵設(shè)置所有磁鐵電源的直流電流和一鍵關(guān)機等功能，給操作員提供了更多便利。

XiPAF同步環(huán)分系統(tǒng)電源總控OPI界面如圖2所示。在總控OPI界面上，對同步環(huán)上的所有電源，包括直流電源、二極鐵和四極鐵電源、六極鐵電源、校正鐵電源及凸軌電源進行集約化管理。各個電源按照種類分區(qū)，按照在同步環(huán)上所處的位置設(shè)置控制模塊的位置。在每個電源的控制模塊里面，布置了操作員最常用的控制功能和最需要了解的狀態(tài)信息，一般運行過程中開關(guān)機、設(shè)置電流和運行波形等大部分操作可通過總控界面上的控制模塊完成。在每個電源控制模塊里，還布置了跳轉(zhuǎn)到對應的設(shè)備OPI界面的按鈕，方便操作員在需要時跳轉(zhuǎn)到設(shè)備OPI界面進行完整功能的操作。

圖2 同步環(huán)分系統(tǒng)磁鐵電源總控OPI界面Fig.2 Control OPI for synchrotron magnet power source

Sigmaphi脈沖電源的設(shè)備控制OPI界面如圖3所示。設(shè)備控制OPI界面右上角區(qū)域是直流量控制模塊，左側(cè)區(qū)域是脈沖波形控制模塊，中央偏右區(qū)域用來顯示實時波形數(shù)據(jù)。在設(shè)備OPI界面上，除了常用功能之外，還可以進行波形數(shù)據(jù)下發(fā)和存儲、設(shè)置波形運行參數(shù)和回讀實時波形數(shù)據(jù)等Sigmaphi脈沖電源的全部控制功能。在布置這些功能的時候，所有功能按照通常情況下操作電源的順序來排列，既能提高操作效率，又能減少誤操作的可能性。

圖3 Sigmaphi脈沖磁鐵電源設(shè)備控制OPI界面Fig.3 OPI interface of control system for Sigmaphi impulsing power supply

在控制程序開發(fā)和試運行的過程中，開發(fā)人員不斷聽取操作員的反饋，了解用戶的操作需要和使用習慣，尤其是組合操作的需要，對IOC和OPI中的各項功能進行合理的設(shè)置，改善了用戶體驗，提高了操作員的操作效率，如在脈沖電源的控制方面開發(fā)了自動設(shè)置電流上升速率的功能。在XiPAF裝置上，因不同脈沖電源輸出的最大電流的大小區(qū)別很大，上升速率統(tǒng)一采用每秒相對最大電流的比例來表示，電流上升速率的范圍為每秒最大輸出電流的10%～3 000%。Sigmaphi脈沖電源通過不同的模塊來運行和控制直流功能和波形功能，在設(shè)置直流偏置電流時，最大電流上升速率必須設(shè)為每秒最大輸出電流的10%，保證直流電流平穩(wěn)上升，避免電源損壞；在運行波形時，電流上升速率設(shè)為每秒最大輸出電流的300%～3 000%內(nèi)的預設(shè)值，保證電流波形不失真。起初，開發(fā)了單獨的設(shè)置最大電流上升速率的功能，但有時操作員會忘記切換上升速率。后來，根據(jù)操作人員的反饋，開發(fā)人員在IOC內(nèi)設(shè)置一組PV進行連環(huán)動作，相應修改了OPI和各個功能腳本。修改后，當操作員設(shè)置直流偏置電流時，自動將上升速率設(shè)置為每秒最大輸出電流的10%；當操作員運行波形時，自動將上升速率設(shè)置為每秒最大輸出電流的300%～3 000%內(nèi)的預設(shè)值。此外，將OPI界面上原來設(shè)置上升速率的功能改成設(shè)置上升速率預設(shè)值的功能。改進之后，操作員幾乎不需要單獨設(shè)置最大電流上升速率，避免了誤操作，也提高了實驗效率。

4 主要性能測試與討論

在XiPAF脈沖電源的控制系統(tǒng)投入使用之前，對控制系統(tǒng)的功能進行了逐一測試，包括開機、關(guān)機、設(shè)定與回讀直流偏置電流、檢查電流上升速率、下發(fā)波形、設(shè)置波形運行參數(shù)、開始和停止運行波形及回讀實時波形數(shù)據(jù)等，所有功能均測試通過。

在功能測試通過之后，對XiPAF脈沖電源控制的可靠性進行了測試：1)不允許帶電流開機和關(guān)機；2)不允許在波形運行狀態(tài)下開機和關(guān)機；3)不允許設(shè)定值超過限值；4)波形運行異常時自動停止運行波形并反饋狀態(tài)；5)電源故障報警時，自動停止波形、降流、關(guān)機；6)水聯(lián)鎖、真空聯(lián)鎖等外部設(shè)備安全聯(lián)鎖信號報警時，自動停止波形、降流、關(guān)機；7)通信連接異常時報警；8)所有故障報警狀態(tài)具有自鎖功能，在故障解除之后才能復位。測試結(jié)果表明，對于所有異常情況，控制程序都能按設(shè)計進行聯(lián)鎖保護。

在功能測試和可靠性測試的基礎(chǔ)上，對XiPAF脈沖電源控制系統(tǒng)的性能進行了測試，測試內(nèi)容包括設(shè)備安全聯(lián)鎖保護響應時間、同步定時系統(tǒng)準確度和抖動大小和脈沖電源的紋波穩(wěn)定性。實機測試的測量結(jié)果表明：脈沖電源控制分系統(tǒng)內(nèi)部的平均設(shè)備安全聯(lián)鎖響應時間為31.6 ms，不同控制分系統(tǒng)之間的平均設(shè)備安全聯(lián)鎖響應時間為89.6 ms；同步定時的準確度小于2 ns，同步定時抖動小于0.1 ns；脈沖電源的紋波穩(wěn)定性小于1×10-5。以上性能指標都優(yōu)于設(shè)計要求。

XiPAF脈沖電源控制系統(tǒng)在投入運行之前，需要對該系統(tǒng)進行長期穩(wěn)定性測試。目前XiPAF脈沖電源控制系統(tǒng)已經(jīng)持續(xù)穩(wěn)定運行超過6個月，各項控制功能都正常。在此期間，部分電源曾發(fā)生過外部聯(lián)鎖信號報警的情況，控制系統(tǒng)均按設(shè)計進行了聯(lián)鎖保護動作。

5 結(jié)論

XiPAF脈沖電源控制系統(tǒng)是XiPAF控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng)。根據(jù)物理調(diào)束的需求，完成了基于EPICS架構(gòu)的XiPAF脈沖電源控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，能夠按照裝置穩(wěn)定運行和物理調(diào)束要求為各臺電源提供設(shè)備安全聯(lián)鎖保護和同步定時信號、控制各臺電源按照工作時序輸出直流和脈沖電流、監(jiān)測電源的各項運行狀態(tài)和回讀實時記錄的波形數(shù)據(jù)。XiPAF脈沖電源控制系統(tǒng)具有友好、高效的操作界面，適當簡化了操作流程，便于對同步環(huán)上的磁鐵電源進行集約化管理。以上各項功能，都集成到了XiPAF控制系統(tǒng)的設(shè)備安全聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)、同步定時網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)與控制網(wǎng)絡(luò)當中，為XiPAF的穩(wěn)定運行和物理調(diào)束工作提供了有力保障。

致謝

感謝中國科學院高能物理研究所高級工程師張玉亮同志和北京合志超越科技有限公司的同仁在XiPAF脈沖電源控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)研制過程中給予的指導和幫助。