基于EPICS的上海光源注入引出远控系统

朱海君 刘亚娟 袁启兵

（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800）

国家重大科学工程上海光源(SSRF)的注入引出系统包括增强器注入系统、增强器引出系统和储存环注入系统[1]。上海光源注入引出远控系统的任务是对各脉冲磁铁电源系统进行监测和控制，完成脉冲磁铁电源内、外部的联锁控制，来实现对设备和人生安全的保护，同时将注入引出系统脉冲磁铁电源的工作状态通过Ethernet实时传送到SSRF中央控制室[2]。系统将根据中央控制室发送的命令执行相应的动作，例如开机、关机、复位、紧急停机等，从而为物理调束人员提供安全的工作环境，并协调整个上海光源的正常运行。

1 基于EPICS的系统总结构

选用实验物理及工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS)[3]作为控制系统软件平台。该系统是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)和阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)等联合开发的大型控制系统软件，是大型实验物理装置控制系统中广泛使用的软件开发环境。

EPICS采用标准的三层结构：操作员接口计算机 OPI (Operator Interface)、输入输出控制器 IOC(Input/Output Controller)、设备控制器 DC (Device Controller)。

操作员接口计算机OPI是整个控制系统的最顶层，负责提供人机交互界面，完成参数的设置/回读、报警处理、操作记录、数据存档、访问控制等功能。其硬件通常为SUN或HP工作站，为降低造价，也可采用PC机，操作系统通常为UNIX或Linux。

输入输出控制器IOC是控制系统的核心，负责完成对设备控制层数据的实时采集/存储、处理及响应OPI的数据请求。IOC的硬件有VME、VXI、PCI或 ISA总线的工业控制计算机，称为前端计算机(Front-End Computer)，其操作系统一般为vxWorks、Linux等实时操作系统。

设备控制器DC是控制系统的基础，与被控设备直接相连，负责完成信号的输入/输出、信号调理等功能。

操作员接口计算机OPI与输入输出控制器IOC之间的通讯由以太网Ethernet完成。

增强器注入系统包括1台冲击磁铁和1台切割磁铁，增强器引出系统包括1台冲击磁铁、3块切割磁铁和3台凸轨磁铁，储存环注入系统包括4台Kicker电源和2台Septum电源。

注入引出系统本地控制采用以可编程控制器PLC为核心的设计，监控程序包括人身安全保护、设备保护和设备操作控制。设备控制器具备本地完整的监控保护功能。人身和设备保护采取软件和硬件二重冗余保护设计。PLC通过以太网与EPICS 通信，实现远程控制功能。

由于增强器注入系统、增强器引出系统和储存环注入系统中的磁铁电源的数量和功率不同，所以它们的控制系统结构图也不完全一样。图1为增强器注入控制系统、增强器引出控制系统和储存环注入控制系统结构图。

图1 SSRF的增强器注入(a)、增强器引出(b)和储存环注入(c)的控制系统结构图Fig.1 Schematics of (a) injection control system of booster, (b) extraction control system of booster and(c) injection control system of storage ring at SSRF.

2 EPICS的软件组成

EPICS软件包由IOC软件和OPI客户端软件组成。IOC软件中主要运行EPICS Base内核，包括文件系统和工具，公共操作系统接口库，通道访问客户和服务器共享库，静态和实时数据库访问机制，数据库处理代码，标准的记录、设备驱动支持程序。IOC同时运行EPICS实时数据库，实现对底层设备的过程控制。它位于EPICS软件结构的IOC层。OPI客户端软件由一系列软件工具组成，提供物理学家或操作员访问控制加速器设备，用户可以选择所需软件工具安装。

例如，通道访问客户端工具 Channel Archiver(数据文档存储)、Operator Interface(用户界面编辑/运行工具)、Alarm Manager (报警管理工具)等，它位于EPICS软件结构的OPI层，是用户应用程序，提供人机界面对系统进行监控。

2.1 IOC动态数据库

控制系统的I/O量是频繁变动的数据，为了响应来自OPI的命令和设备控制器的各种数据及状态变化，EPICS采用动态数据库来记录I/O数据。

IOC数据库以记录的形式存放在内存中。每个数据库记录对应一个I/O通道，数据库记录也被称为过程控制模块，EPICS系统中所有过程控制功能基本上是通过动态数据库实现的。数据库有50余种记录类型，如模拟量的输入输出、数字量的输入输出、建立历史曲线、储存波形、步进电机和操作记录实现PID循环、驱动定时硬件等。

系统采用瑞士光源开发的Siemens PLC EPICS设备驱动程序接口程序 drvS7plc[4]，驱动程序通过内存映像(Memory Map)的块传输方式，进行数据交换。在IOC与PLC端的内存中都设置了发送缓存区SendBuffer和接收缓存区RecvBuffer。发送缓存区的任何状态改变都同步映射到对方接收缓存区中，从而产生中断，激活对数据的响应处理。

2.2 运行参数自动保存

当注入引出系统稳定运行时，为防止意外情况的发生，必须及时保存运行设置参数，以备在停机或断电后再次开机时，恢复注入引出系统的所有运行参数。auto_save模块完成了电压、电流及控制量等参数的保存。整个模块功能为：

(1) 参数配置文件auto_setting.req。需要保存的参数全部在auto_setting.req中定义。

(2) 保存文件auto_setting.sav。IOC第一次启动时会自动创建auto_setting.sav文件，来存放保存的参数值。当IOC正常工作时，auto_save模块按设定的时间间隔自动更新 auto_positions.sav和auto_settings.sav中的参数值。

(3) 启动恢复配置。在IOC启动脚本中，指定auto_settings.req的恢复方式为 PASS1，并设定在IOC 正常工作时 auto_save模块自动更新auto_setting.sav的间隔时间。当 IOC启动执行，auto_save模块自动恢复auto_setting.sav中保存的参数值。

3 注入引出系统远控系统的界面设计

注入引出远控系统中，OPI置于SSRF中央控制室，作为操作员人机界面。使用基于Linux操作系统的PC机(PC/Linux)作为OPI的操作计算机。

3.1 增强器注入远控系统的界面设计

在增强器注入远控 OPI界面中(图2)，共设置了28个数字监控量、5个控制量(紧急停机、复位、启动运行、允许输出、允许充电)、2个模拟显示反馈值(电压、电流)、2个模拟设置值(电压、电流)。增强器注入系统的启动、运行和关机，由OPI全程监控。首先 Kicker的“On/Off”开关置“On”状态，闸流管开始预热，15 min后，输入需要的Kicker脉冲电流值，进行确认后再将Septum的“On/Off”开关置“On”状态。输入需要的Septum脉冲电流值。此时，充电电压已经加在电容上。将 Output置于“On”状态，触发使能，脉冲电源开始工作，即可得到需要的脉冲电流。

图2 增强器注入远控系统的页面Fig.2 Interface of injection remote control system of the booster.

3.2 增强器引出远控系统的界面设计

增强器引出远控 OPI界面中(图3)，共设置了66个数字监控量、18个控制量(紧急停机、复位、启动运行、允许输出、允许充电)、2个模拟显示反馈值(电压、电流)、2个模拟设置值(电压、电流)。OPI全程监控增强器引出系统的启动、运行和关机。首先 Kicker的“On/Off”开关置“On”状态，闸流管开始预热，预热15 min后，输入需要的Kicker脉冲电流值，回车确认。将 Kicker对应的 Output置于“On”状态，触发使能，脉冲电源开始工作，得到需要的脉冲电流。再将Septum的“On/Off”开关置“On”状态。输入需要的Septum脉冲电流值，回车确认。此时，充电电压已经加在电容上。再将 Septum对应的Output置于“On”状态，触发使能，脉冲电源开始工作，得到需要的脉冲电流。最后将Bump开关置“On”状态，设置脉冲电流，然后将Bump所对应的 Output按钮置“On”状态。

3.3 储存环注入远控系统的界面设计

储存环注入远控 OPI界面中(图4)，共设置了60个数字监控量、34个控制量(紧急停机、复位、启动运行、允许输出、允许充电、高压开/关)、2个模拟显示反馈值(电压、电流)、2个模拟设置值(电压、电流)。储存环注入系统开机后，首先检查安全联锁，如门联锁，接地棒联锁，安全放电联锁以及外部联锁中的低压联锁信号，一切就绪后启动闸流管预热，预热完毕后，可以设置Kicker电源高压，准备充电，然后可以允许输出。对于 Septum磁铁电源在注入系统开机后，可直接设置高压，准备充电，最后可以允许输出。

图3 增强器引出远控系统的页面Fig.3 Interface of extraction remote control system of the booster.

图4 储存环注入远控系统的页面Fig.4 Interface of injection remote control system of the storage ring.

4 结语

通过对注入引出系统本身性能特点细致的分析与系统设计，在确保性能的前提下，利用西门子S3-700 PLC，通过梯形图语言，完成了注入引出系统的本地控制。利用EPICS，实现了注入引出系统的远程控制。目前，成功实现了对上海光源注入引出系统的监控运行，工作状况稳定，该系统具有很高的可靠性和抗干扰性。

1 上海光源SSRF国家重大科学工程初步设计. 上海建筑设计研究院有限公司, 2004 Preliminary design of Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Shanghai Institute of Architectural Design &Research Co. Ltd, 2004

2 袁启兵. SSRF注入引出控制系统设计报告[R].SSRF-SB05-07-03-04, 2009 YUAN Qibing. The design report of control system of injection and extration in SSRF[R]. SSRF-SB05-07-03-04,2009

3 Epics home page: http://www.aps.anl.gov/epics, 2008

4 http://www.slac.stanford.edu/grp/ssrl/spear/epics/site/s7pl c/s7plc.html, 2010