基于冗余技術的強流質子RFQ控制系統設計

于春蕾，郭玉輝，何 源，鄭亞偉，劉海濤，余澤民，姜子運，胡建軍

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

加速器驅動的次臨界系統(ADS)由高能強流質子束轟擊重金屬散裂靶產生的外來中子維持次臨界反應堆運行或進行核廢料處理，質子加速器在ADS中的作用是產生連續、穩定的高能強流質子束[1]。目前中國科學院近代物理研究所承擔了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，并同時在縱向對束流進行聚束和加速[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的變壞，嚴重時甚至導致RFQ腔體被燒損。因此，要求RFQ控制系統必須具備精確的水溫監測和保護機制，以及實現對水冷、高頻和真空系統的遠程監控，嚴格控制腔體工作在特定的帶寬頻率范圍內，保障加速器的正常運行。

1 系統結構

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

2 軟件設計

2.1 RFQ聯鎖保護系統

采用菲尼克斯公司的冗余PLC RFC460R 3TX，進一步加強系統運行的可靠性，冗余系統的結構如圖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。聯鎖保護系統使用觸摸屏技術，用于水溫聯鎖保護的本地控制操作，觸摸屏通過OPC技術與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，并可對各參數的上、下限進行配置和相應的報警處理。

圖1 RFQ控制系統硬件結構

圖2 冗余系統結構

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

1) PLC編程

在冗余系統中，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。當主控制器發生故障時，備用控制器可實現控制業務無縫切換，承擔主控制器的監管和控制職責，確保系統的正常運行，增強系統的可用性。

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，從而引起相應腔壁及腔翼局部發生變形，引發腔體的失諧和束流品質的下降。所以，通過調控RFQ腔體內部腔壁和腔翼的冷卻溫度及水流速度，從而實現RFQ高頻腔的頻率穩定，因此，需對RFQ水冷系統的實時信息進行監測并提供聯鎖保護。使用PC WORX軟件對PLC編程，完成對溫度、壓力和流量數據的讀入和轉換，并在參數超限值時進行相應的保護措施。為實現與EPICS的通信，在PLC上建立一個數據交換區，PLC和IOC均可對這個數據區的數據進行讀、寫訪問。聯鎖保護系統要求對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測，當腔壁總流量低于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時輸出一個24 V直流信號關閉功率源系統，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IOC

冗余系統的IOC開發在目前加速器領域還未找到已應用的先例，所以需自主開發一套適用于該冗余系統的驅動程序。IOC作為EPICS的輸入輸出控制器，是將I/O設備信息納入EPICS控制最關鍵的部分。IOC中包含一個實時數據庫，實時數據庫采用分層的方法處理底層數據，數據存儲時依次通過記錄支持層、設備支持層和設備驅動層訪問底層硬件[5]。要實現對不同的被控設備和通信機制的EPICS控制，可通過編寫特定的設備驅動程序實現各自的功能。在冗余系統中，一旦IOC程序運行，IOC作為TCP的客戶端，會主動嘗試連接主PLC，建立網絡連接。一旦連接建立，則進入相應的讀寫線程，監聽是否有數據可讀寫，具體的冗余系統的程序結構如圖3所示。

當與主PLC的網絡連接出現故障時，IOC驅動將嘗試連接備PLC，以保障數據傳輸和系統的正常運行。當備PLC處于backup狀態時，驅動程序會周期性通過ping指令來監測備PLC的狀態。一旦發現備PLC出現連接異常，可及時更換和修理，確保主PLC發生異常時，備PLC可正常工作。當IOC與主PLC的連接出現異常時，IOC驅動程序立刻做出判斷并開始與備PLC進行網絡通信和數據交換，防止數據的中斷和丟失，確保系統的穩定運行。

PLC和IOC的驅動程序之間通過網絡周期性交換數據，且當有數據改變時，以中斷的方式通知對方進行讀取[6]，時間間隔為0.5 s。EPICS的實時數據庫提供5種掃描方式：周期性掃描、事件驅動、被動處理、I/O中斷和一次掃描，因為聯鎖保護系統的數據交互量很大，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IOC設備驅動程序結構

圖4 使用breakpoint table時db文件和dbd文件的關系

在RFQ水路的信息采集中，渦輪流量計采集的頻率(min-1)和流量的轉化關系是非線性的。在控制系統設計初期，使用PLC編程完成對所有數據的轉化，數據處理完成后再發送給EPICS IOC。但使用PC WORX的FBD語言編程不易實現數據的非線性轉化。為提高數據的準確性，后期對方案進行了進一步改進，數據轉化的工作移到EPICS中進行處理。在EPICS的實時數據庫中，對于ai/ao(模擬量輸入/輸出)記錄，支持原始數據的非線性轉化。使用breakpoint table的方式，可根據已知的數據，擬合出記錄對應的曲線關系，這樣記錄的原始值均可通過曲線找到對應的轉化值。通過改進，提高了記錄的數據精度。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關系如圖4所示。

2.2 固態功率源

ADS注入器Ⅱ目前使用的固態功率源工作頻率為(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%區間連續可調。為維持高頻系統的穩定性，低電平系統通過對腔體的幅相進行采樣，應用PID控制改變驅動級的RF功放，實現對腔體幅值和相位的閉環調制。功率源IOC實現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、各模塊狀態以及幅度等參數的設定和回讀。

固態功率源的控制量和數據傳輸量大，且需實時顯示腔體電壓幅值和相位的變化曲線。EPICS實時數據庫中的waveform數據記錄支持以數組的形式存儲數據，實現數據的波形轉化。在固態功率源IOC中，使用到的數據類型有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能完成對水冷系統溫度的設定以及對水冷機出水口溫度和機器運行狀態的監測，真空計IOC實現對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，在水冷機內部使用PID調節實現對水溫的精確控制，溫度的控制和監測精確度達0.1 ℃。為避免編寫繁瑣的串口驅動程序，使用串口服務器和Streamdevice開發水冷機和真空計的IOC。Streamdevice基于數據流的設備通信驅動模塊，通過發送和接收字符串指令實現對串行或網絡設備的控制?；赟treamdevice的IOC相對簡單，只需編寫相應的db文件和protocol文件，減少了驅動開發的工作量。制冷機的協議中使用LRC校驗，在Streamdevice中，原本沒有對應的校驗格式，自行開發了代碼植入到Streamdevice軟件包中，實現了LRC校驗在Streamdevice中的應用。

3 上層用戶界面

ADS注入器Ⅱ控制系統統一采用CSS開發操作員界面。CSS基于JAVA開發，具有平臺無關性，其提供的服務和API使開發更容易，且界面較以往的MEDM和EDM等開發工具更豐富、美觀，已成為目前加速器領域主流的OPI開發工具。用戶可根據實際需要下載和開發插件，使用Eclipse集成以適合不同用戶的CSS軟件包。ADS注入器Ⅱ固態功率源和水冷機的調試界面如圖5所示。

圖5 功率源和水冷機調試界面

4 現場測試

RFQ控制系統于2013年6月開始運行使用，基于該控制系統，目前RFQ與離子源已完成對接，并在脈沖模式下成功出束，現已開始進行連續波模式的調束。運行期間特別針對冗余系統進行穩定性測試，斷開主PLC的網絡連接，備PLC可通過同步光纖將原有的數據和狀態保存，實現故障無擾切換。在EPICS IOC端也實現了對冗余系統的管理，主PLC故障時并不影響操作員界面對各參量的監測，IOC與備PLC能迅速進行連接和數據傳輸，避免數據丟失。

RFQ水溫聯鎖保護系統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能被實時監測。界面對主備PLC的連接狀態分別進行監測，并對連接進行計數顯示，當連接出現異常時計數將終止。

圖6 RFQ聯鎖保護系統腔壁部分界面

圖7為調束過程中腔體電壓幅值和RFQ腔體水路溫度的監測結果。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值，即未進行轉化的電壓信號，控制系統每秒采集256個點進行波形顯示。由圖7a可知，腔體的幅值穩定、變化平穩，精度控制滿足RFQ對高頻系統的要求。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，水溫的抽樣監控結果表明，溫度的震蕩范圍在0.1 ℃以內。

圖7 RFQ腔體電壓幅值和水溫的監測結果

5 結論

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

在IOC驅動開發的過程中，得到了中國科學技術大學國家同步輻射實驗室劉功發研究員的幫助，在此表示感謝。

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