基于冗余技术的强流质子RFQ控制系统设计

于春蕾，郭玉辉，何 源，郑亚伟，刘海涛，余泽民，姜子运，胡建军

(1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049)

加速器驱动的次临界系统(ADS)由高能强流质子束轰击重金属散裂靶产生的外来中子维持次临界反应堆运行或进行核废料处理，质子加速器在ADS中的作用是产生连续、稳定的高能强流质子束[1]。目前中国科学院近代物理研究所承担了ADS项目直线注入器Ⅱ的研制，用于该直线加速器的四翼型RFQ工作频率为162.5 MHz，可将质子束从35 keV加速到2.1 MeV，长度为4.2 m[2]。四翼型RFQ加速器可为来自离子源的低能强流束提供周期性强聚焦，并同时在纵向对束流进行聚束和加速[3]。高频腔一旦失谐，其谐振频率与功率源的频率将有偏差，引起功率馈送的效率下降和束流品质的变坏，严重时甚至导致RFQ腔体被烧损。因此，要求RFQ控制系统必须具备精确的水温监测和保护机制，以及实现对水冷、高频和真空系统的远程监控，严格控制腔体工作在特定的带宽频率范围内，保障加速器的正常运行。

1 系统结构

ADS注入器Ⅱ强流质子RFQ加速器的控制系统是基于EPICS的分布式控制系统，采用PLC控制器冗余技术以确保系统的高可靠性。RFQ控制系统由操作员控制台、网络、现场总线、前端控制计算机和设备组成，如图1所示，是基于以太网的分布式控制系统。操作员控制台(OPI)通过局域网(LAN)与输入、输出控制器(IOC)相连，采用EPICS的CA协议进行通信[4]。核心部分主要由4个独立的IOC组成，通过以太网以及CA协议与OPI进行相互通信。联锁保护系统的基本功能主要通过菲尼克斯公司的冗余PLC实现，冗余PLC含模拟量模块和数字量模块，外接流量探头、压力变送器以及温度传感器等，可实时监测RFQ腔体所有水路的流量、压力及温度。冗余PLC的IOC驱动程序可实现对冗余系统的监测和管理。水冷机和真空计的远程接口分别是RS232和RS485，通过使用串口服务器，可实现RS232、RS485或RS422信号至以太网信号的转换，有效地简化了系统的硬件结构。固态功率源IOC驱动程序可实现对功率源及低电平系统各参数的控制和远程监测。

2 软件设计

2.1 RFQ联锁保护系统

采用菲尼克斯公司的冗余PLC RFC460R 3TX，进一步加强系统运行的可靠性，冗余系统的结构如图2所示。冗余PLC控制器通过同步光纤相连，并通过PROFINET交换机连接5个PN子站，每个PN子站有4个DI、8个DO及72个模拟量通道。联锁保护系统使用触摸屏技术，用于水温联锁保护的本地控制操作，触摸屏通过OPC技术与PLC控制器进行通信，使用VisuPlus软件对触摸屏进行编程，可实时显示水温、流量和压力等信息，并可对各参数的上、下限进行配置和相应的报警处理。

图1 RFQ控制系统硬件结构

图2 冗余系统结构

作为OPI的计算机，同时装有PLC编程软件PC WORX，可根据需要在线修改PLC程序，当有需求变化时，在中控室即可完成程序的编写和下装，增强了系统的灵活性和便捷性。

1) PLC编程

在冗余系统中，只需对其中一个控制器进行IP配置和程序下载，作为主控制器。通过同步光纤，控制器的显示界面、变量参数以及程序等均可同步到另一控制器，作为备用控制器，同步时间可达ms量级。当主控制器发生故障时，备用控制器可实现控制业务无缝切换，承担主控制器的监管和控制职责，确保系统的正常运行，增强系统的可用性。

由于RFQ高频腔具有高流强及高功率的特性，在其运行过程中，腔壁及腔翼表面均会因为功率热损耗造成腔体整体温度升高，从而引起相应腔壁及腔翼局部发生变形，引发腔体的失谐和束流品质的下降。所以，通过调控RFQ腔体内部腔壁和腔翼的冷却温度及水流速度，从而实现RFQ高频腔的频率稳定，因此，需对RFQ水冷系统的实时信息进行监测并提供联锁保护。使用PC WORX软件对PLC编程，完成对温度、压力和流量数据的读入和转换，并在参数超限值时进行相应的保护措施。为实现与EPICS的通信，在PLC上建立一个数据交换区，PLC和IOC均可对这个数据区的数据进行读、写访问。联锁保护系统要求对RFQ腔壁的32路水路以及腔体162路水路的流量、温度以及压力进行实时监测，当腔壁总流量低于8.3 L/s或腔翼总流量低于4.1 L/s时，要求操作员界面给出报警信号。并在有下列情况出现时输出一个24 V直流信号关闭功率源系统，避免腔体损坏：(1) 任何一路水路温度高于23.6 ℃；(2) 腔壁总流量低于7.2 L/s、腔翼总流量低于3.6 L/s；(3) 操作员操作。

2) 冗余系统IOC

冗余系统的IOC开发在目前加速器领域还未找到已应用的先例，所以需自主开发一套适用于该冗余系统的驱动程序。IOC作为EPICS的输入输出控制器，是将I/O设备信息纳入EPICS控制最关键的部分。IOC中包含一个实时数据库，实时数据库采用分层的方法处理底层数据，数据存储时依次通过记录支持层、设备支持层和设备驱动层访问底层硬件[5]。要实现对不同的被控设备和通信机制的EPICS控制，可通过编写特定的设备驱动程序实现各自的功能。在冗余系统中，一旦IOC程序运行，IOC作为TCP的客户端，会主动尝试连接主PLC，建立网络连接。一旦连接建立，则进入相应的读写线程，监听是否有数据可读写，具体的冗余系统的程序结构如图3所示。

当与主PLC的网络连接出现故障时，IOC驱动将尝试连接备PLC，以保障数据传输和系统的正常运行。当备PLC处于backup状态时，驱动程序会周期性通过ping指令来监测备PLC的状态。一旦发现备PLC出现连接异常，可及时更换和修理，确保主PLC发生异常时，备PLC可正常工作。当IOC与主PLC的连接出现异常时，IOC驱动程序立刻做出判断并开始与备PLC进行网络通信和数据交换，防止数据的中断和丢失，确保系统的稳定运行。

PLC和IOC的驱动程序之间通过网络周期性交换数据，且当有数据改变时，以中断的方式通知对方进行读取[6]，时间间隔为0.5 s。EPICS的实时数据库提供5种扫描方式：周期性扫描、事件驱动、被动处理、I/O中断和一次扫描，因为联锁保护系统的数据交互量很大，使用I/O中断的方式以避免频繁的查询，占用IOC资源。

图3 冗余系统IOC设备驱动程序结构

图4 使用breakpoint table时db文件和dbd文件的关系

在RFQ水路的信息采集中，涡轮流量计采集的频率(min-1)和流量的转化关系是非线性的。在控制系统设计初期，使用PLC编程完成对所有数据的转化，数据处理完成后再发送给EPICS IOC。但使用PC WORX的FBD语言编程不易实现数据的非线性转化。为提高数据的准确性，后期对方案进行了进一步改进，数据转化的工作移到EPICS中进行处理。在EPICS的实时数据库中，对于ai/ao(模拟量输入/输出)记录，支持原始数据的非线性转化。使用breakpoint table的方式，可根据已知的数据，拟合出记录对应的曲线关系，这样记录的原始值均可通过曲线找到对应的转化值。通过改进，提高了记录的数据精度。使用breakpoint table方式时，具体的dbd文件和db文件的处理格式和对应关系如图4所示。

2.2 固态功率源

ADS注入器Ⅱ目前使用的固态功率源工作频率为(162.5±2) MHz，输出功率大于40 kW，且有直流和脉冲两种模式，脉冲占空比在1%～90%区间连续可调。为维持高频系统的稳定性，低电平系统通过对腔体的幅相进行采样，应用PID控制改变驱动级的RF功放，实现对腔体幅值和相位的闭环调制。功率源IOC实现了功率源总电流和入射、反射功率及各拖动级和功率柜的频率、入射功率、反射功率、驻波比、相位、各模块状态以及幅度等参数的设定和回读。

固态功率源的控制量和数据传输量大，且需实时显示腔体电压幅值和相位的变化曲线。EPICS实时数据库中的waveform数据记录支持以数组的形式存储数据，实现数据的波形转化。在固态功率源IOC中，使用到的数据类型有ai、ao、longin、longout、bi、bo、mbbiDirect、mbboDirect以及calc[7]。

2.3 水冷机和真空计

水冷机的IOC能完成对水冷系统温度的设定以及对水冷机出水口温度和机器运行状态的监测，真空计IOC实现对RFQ腔体真空度的回读，并在真空度高于10-4Pa时在操作员界面给出报警信号。为消除水温波动对腔体频率的影响，在水冷机内部使用PID调节实现对水温的精确控制，温度的控制和监测精确度达0.1 ℃。为避免编写繁琐的串口驱动程序，使用串口服务器和Streamdevice开发水冷机和真空计的IOC。Streamdevice基于数据流的设备通信驱动模块，通过发送和接收字符串指令实现对串行或网络设备的控制。基于Streamdevice的IOC相对简单，只需编写相应的db文件和protocol文件，减少了驱动开发的工作量。制冷机的协议中使用LRC校验，在Streamdevice中，原本没有对应的校验格式，自行开发了代码植入到Streamdevice软件包中，实现了LRC校验在Streamdevice中的应用。

3 上层用户界面

ADS注入器Ⅱ控制系统统一采用CSS开发操作员界面。CSS基于JAVA开发，具有平台无关性，其提供的服务和API使开发更容易，且界面较以往的MEDM和EDM等开发工具更丰富、美观，已成为目前加速器领域主流的OPI开发工具。用户可根据实际需要下载和开发插件，使用Eclipse集成以适合不同用户的CSS软件包。ADS注入器Ⅱ固态功率源和水冷机的调试界面如图5所示。

图5 功率源和水冷机调试界面

4 现场测试

RFQ控制系统于2013年6月开始运行使用，基于该控制系统，目前RFQ与离子源已完成对接，并在脉冲模式下成功出束，现已开始进行连续波模式的调束。运行期间特别针对冗余系统进行稳定性测试，断开主PLC的网络连接，备PLC可通过同步光纤将原有的数据和状态保存，实现故障无扰切换。在EPICS IOC端也实现了对冗余系统的管理，主PLC故障时并不影响操作员界面对各参量的监测，IOC与备PLC能迅速进行连接和数据传输，避免数据丢失。

RFQ水温联锁保护系统腔壁部分的界面如图6所示，腔壁水路的温度和流量等参数能被实时监测。界面对主备PLC的连接状态分别进行监测，并对连接进行计数显示，当连接出现异常时计数将终止。

图6 RFQ联锁保护系统腔壁部分界面

图7为调束过程中腔体电压幅值和RFQ腔体水路温度的监测结果。图7a为腔体加速电压幅值的波形曲线，纵坐标是低电平采集的数值，即未进行转化的电压信号，控制系统每秒采集256个点进行波形显示。由图7a可知，腔体的幅值稳定、变化平稳，精度控制满足RFQ对高频系统的要求。图7b中的T1～T7是在2013年10月27日某时刻腔壁和腔翼水路的7路温度采样信号，水温的抽样监控结果表明，温度的震荡范围在0.1 ℃以内。

图7 RFQ腔体电压幅值和水温的监测结果

5 结论

ADS注入器Ⅱ RFQ加速器的控制系统使用高性能的冗余PLC控制器搭建联锁保护系统，软件选用目前国际加速器控制主流的分布式EPICS软件开发包，实现了水温联锁保护，满足了高频系统的要求，并完成了冗余PLC控制器的IOC开发及管理。冗余系统的实现增强了RFQ腔体保护和运行的可靠性，高频控制系统的实现改善了高频系统的性能。模型腔的测试表明，RFQ控制系统运行稳定可靠，能满足RFQ加速器调试和稳定运行的需要。

在IOC驱动开发的过程中，得到了中国科学技术大学国家同步辐射实验室刘功发研究员的帮助，在此表示感谢。

参考文献：

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