于春蕾，郭玉輝，何 源，鄭亞偉，劉海濤，余澤民，姜子運，胡建軍

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

加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(ADS)由高能強流質(zhì)子束轟擊重金屬散裂靶產(chǎn)生的外來中子維持次臨界反應(yīng)堆運行或進行核廢料處理，質(zhì)子加速器在ADS中的作用是產(chǎn)生連續(xù)、穩(wěn)定的高能強流質(zhì)子束[1]。目前中國科學(xué)院近代物理研究所承擔(dān)了ADS項目直線注入器Ⅱ的研制，用于該直線加速器的四翼型RFQ工作頻率為162.5 MHz，可將質(zhì)子束從35 keV加速到2.1 MeV，長度為4.2 m[2]。四翼型RFQ加速器可為來自離子源的低能強流束提供周期性強聚焦，并同時在縱向?qū)κ鬟M行聚束和加速[3]。高頻腔一旦失諧，其諧振頻率與功率源的頻率將有偏差，引起功率饋送的效率下降和束流品質(zhì)的變壞，嚴重時甚至導(dǎo)致RFQ腔體被燒損。因此，要求RFQ控制系統(tǒng)必須具備精確的水溫監(jiān)測和保護機制，以及實現(xiàn)對水冷、高頻和真空系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，嚴格控制腔體工作在特定的帶寬頻率范圍內(nèi)，保障加速器的正常運行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ADS注入器Ⅱ強流質(zhì)子RFQ加速器的控制系統(tǒng)是基于EPICS的分布式控制系統(tǒng)，采用PLC控制器冗余技術(shù)以確保系統(tǒng)的高可靠性。RFQ控制系統(tǒng)由操作員控制臺、網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線、前端控制計算機和設(shè)備組成，如圖1所示，是基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)。操作員控制臺(OPI)通過局域網(wǎng)(LAN)與輸入、輸出控制器(IOC)相連，采用EPICS的CA協(xié)議進行通信[4]。核心部分主要由4個獨立的IOC組成，通過以太網(wǎng)以及CA協(xié)議與OPI進行相互通信。聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的基本功能主要通過菲尼克斯公司的冗余PLC實現(xiàn)，冗余PLC含模擬量模塊和數(shù)字量模塊，外接流量探頭、壓力變送器以及溫度傳感器等，可實時監(jiān)測RFQ腔體所有水路的流量、壓力及溫度。冗余PLC的IOC驅(qū)動程序可實現(xiàn)對冗余系統(tǒng)的監(jiān)測和管理。水冷機和真空計的遠程接口分別是RS232和RS485，通過使用串口服務(wù)器，可實現(xiàn)RS232、RS485或RS422信號至以太網(wǎng)信號的轉(zhuǎn)換，有效地簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。固態(tài)功率源IOC驅(qū)動程序可實現(xiàn)對功率源及低電平系統(tǒng)各參數(shù)的控制和遠程監(jiān)測。

2 軟件設(shè)計

2.1 RFQ聯(lián)鎖保護系統(tǒng)

采用菲尼克斯公司的冗余PLC RFC460R 3TX，進一步加強系統(tǒng)運行的可靠性，冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。冗余PLC控制器通過同步光纖相連，并通過PROFINET交換機連接5個PN子站，每個PN子站有4個DI、8個DO及72個模擬量通道。聯(lián)鎖保護系統(tǒng)使用觸摸屏技術(shù)，用于水溫聯(lián)鎖保護的本地控制操作，觸摸屏通過OPC技術(shù)與PLC控制器進行通信，使用VisuPlus軟件對觸摸屏進行編程，可實時顯示水溫、流量和壓力等信息，并可對各參數(shù)的上、下限進行配置和相應(yīng)的報警處理。

圖1 RFQ控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為OPI的計算機，同時裝有PLC編程軟件PC WORX，可根據(jù)需要在線修改PLC程序，當(dāng)有需求變化時，在中控室即可完成程序的編寫和下裝，增強了系統(tǒng)的靈活性和便捷性。

1) PLC編程

在冗余系統(tǒng)中，只需對其中一個控制器進行IP配置和程序下載，作為主控制器。通過同步光纖，控制器的顯示界面、變量參數(shù)以及程序等均可同步到另一控制器，作為備用控制器，同步時間可達ms量級。當(dāng)主控制器發(fā)生故障時，備用控制器可實現(xiàn)控制業(yè)務(wù)無縫切換，承擔(dān)主控制器的監(jiān)管和控制職責(zé)，確保系統(tǒng)的正常運行，增強系統(tǒng)的可用性。

由于RFQ高頻腔具有高流強及高功率的特性，在其運行過程中，腔壁及腔翼表面均會因為功率熱損耗造成腔體整體溫度升高，從而引起相應(yīng)腔壁及腔翼局部發(fā)生變形，引發(fā)腔體的失諧和束流品質(zhì)的下降。所以，通過調(diào)控RFQ腔體內(nèi)部腔壁和腔翼的冷卻溫度及水流速度，從而實現(xiàn)RFQ高頻腔的頻率穩(wěn)定，因此，需對RFQ水冷系統(tǒng)的實時信息進行監(jiān)測并提供聯(lián)鎖保護。使用PC WORX軟件對PLC編程，完成對溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)的讀入和轉(zhuǎn)換，并在參數(shù)超限值時進行相應(yīng)的保護措施。為實現(xiàn)與EPICS的通信，在PLC上建立一個數(shù)據(jù)交換區(qū)，PLC和IOC均可對這個數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)進行讀、寫訪問。聯(lián)鎖保護系統(tǒng)要求對RFQ腔壁的32路水路以及腔體162路水路的流量、溫度以及壓力進行實時監(jiān)測，當(dāng)腔壁總流量低于8.3 L/s或腔翼總流量低于4.1 L/s時，要求操作員界面給出報警信號。并在有下列情況出現(xiàn)時輸出一個24 V直流信號關(guān)閉功率源系統(tǒng)，避免腔體損壞：(1) 任何一路水路溫度高于23.6 ℃；(2) 腔壁總流量低于7.2 L/s、腔翼總流量低于3.6 L/s；(3) 操作員操作。

2) 冗余系統(tǒng)IOC

冗余系統(tǒng)的IOC開發(fā)在目前加速器領(lǐng)域還未找到已應(yīng)用的先例，所以需自主開發(fā)一套適用于該冗余系統(tǒng)的驅(qū)動程序。IOC作為EPICS的輸入輸出控制器，是將I/O設(shè)備信息納入EPICS控制最關(guān)鍵的部分。IOC中包含一個實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫采用分層的方法處理底層數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲時依次通過記錄支持層、設(shè)備支持層和設(shè)備驅(qū)動層訪問底層硬件[5]。要實現(xiàn)對不同的被控設(shè)備和通信機制的EPICS控制，可通過編寫特定的設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)各自的功能。在冗余系統(tǒng)中，一旦IOC程序運行，IOC作為TCP的客戶端，會主動嘗試連接主PLC，建立網(wǎng)絡(luò)連接。一旦連接建立，則進入相應(yīng)的讀寫線程，監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)可讀寫，具體的冗余系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)與主PLC的網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)故障時，IOC驅(qū)動將嘗試連接備PLC，以保障數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)的正常運行。當(dāng)備PLC處于backup狀態(tài)時，驅(qū)動程序會周期性通過ping指令來監(jiān)測備PLC的狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)備PLC出現(xiàn)連接異常，可及時更換和修理，確保主PLC發(fā)生異常時，備PLC可正常工作。當(dāng)IOC與主PLC的連接出現(xiàn)異常時，IOC驅(qū)動程序立刻做出判斷并開始與備PLC進行網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)交換，防止數(shù)據(jù)的中斷和丟失，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

PLC和IOC的驅(qū)動程序之間通過網(wǎng)絡(luò)周期性交換數(shù)據(jù)，且當(dāng)有數(shù)據(jù)改變時，以中斷的方式通知對方進行讀取[6]，時間間隔為0.5 s。EPICS的實時數(shù)據(jù)庫提供5種掃描方式：周期性掃描、事件驅(qū)動、被動處理、I/O中斷和一次掃描，因為聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互量很大，使用I/O中斷的方式以避免頻繁的查詢，占用IOC資源。

圖3 冗余系統(tǒng)IOC設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)

圖4 使用breakpoint table時db文件和dbd文件的關(guān)系

在RFQ水路的信息采集中，渦輪流量計采集的頻率(min-1)和流量的轉(zhuǎn)化關(guān)系是非線性的。在控制系統(tǒng)設(shè)計初期，使用PLC編程完成對所有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)處理完成后再發(fā)送給EPICS IOC。但使用PC WORX的FBD語言編程不易實現(xiàn)數(shù)據(jù)的非線性轉(zhuǎn)化。為提高數(shù)據(jù)的準確性，后期對方案進行了進一步改進，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的工作移到EPICS中進行處理。在EPICS的實時數(shù)據(jù)庫中，對于ai/ao(模擬量輸入/輸出)記錄，支持原始數(shù)據(jù)的非線性轉(zhuǎn)化。使用breakpoint table的方式，可根據(jù)已知的數(shù)據(jù)，擬合出記錄對應(yīng)的曲線關(guān)系，這樣記錄的原始值均可通過曲線找到對應(yīng)的轉(zhuǎn)化值。通過改進，提高了記錄的數(shù)據(jù)精度。使用breakpoint table方式時，具體的dbd文件和db文件的處理格式和對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

2.2 固態(tài)功率源

ADS注入器Ⅱ目前使用的固態(tài)功率源工作頻率為(162.5±2) MHz，輸出功率大于40 kW，且有直流和脈沖兩種模式，脈沖占空比在1%～90%區(qū)間連續(xù)可調(diào)。為維持高頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，低電平系統(tǒng)通過對腔體的幅相進行采樣，應(yīng)用PID控制改變驅(qū)動級的RF功放，實現(xiàn)對腔體幅值和相位的閉環(huán)調(diào)制。功率源IOC實現(xiàn)了功率源總電流和入射、反射功率及各拖動級和功率柜的頻率、入射功率、反射功率、駐波比、相位、各模塊狀態(tài)以及幅度等參數(shù)的設(shè)定和回讀。

固態(tài)功率源的控制量和數(shù)據(jù)傳輸量大，且需實時顯示腔體電壓幅值和相位的變化曲線。EPICS實時數(shù)據(jù)庫中的waveform數(shù)據(jù)記錄支持以數(shù)組的形式存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的波形轉(zhuǎn)化。在固態(tài)功率源IOC中，使用到的數(shù)據(jù)類型有ai、ao、longin、longout、bi、bo、mbbiDirect、mbboDirect以及calc[7]。

2.3 水冷機和真空計

水冷機的IOC能完成對水冷系統(tǒng)溫度的設(shè)定以及對水冷機出水口溫度和機器運行狀態(tài)的監(jiān)測，真空計IOC實現(xiàn)對RFQ腔體真空度的回讀，并在真空度高于10-4Pa時在操作員界面給出報警信號。為消除水溫波動對腔體頻率的影響，在水冷機內(nèi)部使用PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)對水溫的精確控制，溫度的控制和監(jiān)測精確度達0.1 ℃。為避免編寫繁瑣的串口驅(qū)動程序，使用串口服務(wù)器和Streamdevice開發(fā)水冷機和真空計的IOC。Streamdevice基于數(shù)據(jù)流的設(shè)備通信驅(qū)動模塊，通過發(fā)送和接收字符串指令實現(xiàn)對串行或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制?；赟treamdevice的IOC相對簡單，只需編寫相應(yīng)的db文件和protocol文件，減少了驅(qū)動開發(fā)的工作量。制冷機的協(xié)議中使用LRC校驗，在Streamdevice中，原本沒有對應(yīng)的校驗格式，自行開發(fā)了代碼植入到Streamdevice軟件包中，實現(xiàn)了LRC校驗在Streamdevice中的應(yīng)用。

3 上層用戶界面

ADS注入器Ⅱ控制系統(tǒng)統(tǒng)一采用CSS開發(fā)操作員界面。CSS基于JAVA開發(fā)，具有平臺無關(guān)性，其提供的服務(wù)和API使開發(fā)更容易，且界面較以往的MEDM和EDM等開發(fā)工具更豐富、美觀，已成為目前加速器領(lǐng)域主流的OPI開發(fā)工具。用戶可根據(jù)實際需要下載和開發(fā)插件，使用Eclipse集成以適合不同用戶的CSS軟件包。ADS注入器Ⅱ固態(tài)功率源和水冷機的調(diào)試界面如圖5所示。

圖5 功率源和水冷機調(diào)試界面

4 現(xiàn)場測試

RFQ控制系統(tǒng)于2013年6月開始運行使用，基于該控制系統(tǒng)，目前RFQ與離子源已完成對接，并在脈沖模式下成功出束，現(xiàn)已開始進行連續(xù)波模式的調(diào)束。運行期間特別針對冗余系統(tǒng)進行穩(wěn)定性測試，斷開主PLC的網(wǎng)絡(luò)連接，備PLC可通過同步光纖將原有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)保存，實現(xiàn)故障無擾切換。在EPICS IOC端也實現(xiàn)了對冗余系統(tǒng)的管理，主PLC故障時并不影響操作員界面對各參量的監(jiān)測，IOC與備PLC能迅速進行連接和數(shù)據(jù)傳輸，避免數(shù)據(jù)丟失。

RFQ水溫聯(lián)鎖保護系統(tǒng)腔壁部分的界面如圖6所示，腔壁水路的溫度和流量等參數(shù)能被實時監(jiān)測。界面對主備PLC的連接狀態(tài)分別進行監(jiān)測，并對連接進行計數(shù)顯示，當(dāng)連接出現(xiàn)異常時計數(shù)將終止。

圖6 RFQ聯(lián)鎖保護系統(tǒng)腔壁部分界面

圖7為調(diào)束過程中腔體電壓幅值和RFQ腔體水路溫度的監(jiān)測結(jié)果。圖7a為腔體加速電壓幅值的波形曲線，縱坐標是低電平采集的數(shù)值，即未進行轉(zhuǎn)化的電壓信號，控制系統(tǒng)每秒采集256個點進行波形顯示。由圖7a可知，腔體的幅值穩(wěn)定、變化平穩(wěn)，精度控制滿足RFQ對高頻系統(tǒng)的要求。圖7b中的T1～T7是在2013年10月27日某時刻腔壁和腔翼水路的7路溫度采樣信號，水溫的抽樣監(jiān)控結(jié)果表明，溫度的震蕩范圍在0.1 ℃以內(nèi)。

圖7 RFQ腔體電壓幅值和水溫的監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

ADS注入器Ⅱ RFQ加速器的控制系統(tǒng)使用高性能的冗余PLC控制器搭建聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，軟件選用目前國際加速器控制主流的分布式EPICS軟件開發(fā)包，實現(xiàn)了水溫聯(lián)鎖保護，滿足了高頻系統(tǒng)的要求，并完成了冗余PLC控制器的IOC開發(fā)及管理。冗余系統(tǒng)的實現(xiàn)增強了RFQ腔體保護和運行的可靠性，高頻控制系統(tǒng)的實現(xiàn)改善了高頻系統(tǒng)的性能。模型腔的測試表明，RFQ控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能滿足RFQ加速器調(diào)試和穩(wěn)定運行的需要。

在IOC驅(qū)動開發(fā)的過程中，得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室劉功發(fā)研究員的幫助，在此表示感謝。

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