上海光源储存环机器保护系统升级

于春蕾，陈建锋，张 莹，阎映炳,*

(1.中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800；2.中国科学院 上海高等研究院，上海 200120)

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)是我国设计建设的第3代同步辐射光源，已于2009年4月面向用户开放，其核心装备储存环是1台环形加速器，周长432 m，电子束能量3.5 GeV[1-2]。上海光源线站工程(二期)是国家“十二五”重大科学基础设施建设项目，于2016年11月正式开工建设。二期工程通过改造和提升加速器各系统来拓展光源性能，涉及磁聚焦结构改造，新增超导与低温插入件和三次谐波超导腔设计、机器保护系统升级等。机器保护系统(machine protection system, MPS)又称联锁保护系统，能在加速器不同的运行模式下有效保证设备的安全运行，及时发现设备信息的异常和故障，输出联锁保护信号并提示报警状态[3-4]。

随着上海光源线站工程(二期)的实施和推进，加速器增加了超高磁场二极铁、超导扭摆器、低温波荡器等一系列设备，对机器保护系统提出了更多的联锁需求。首先，新增的设备联锁接口数量和种类超出了现有MPS预留的扩展容量；其次，新型设备的控制逻辑和接口出现了多样化和跨单元的要求，这是现有系统无法涵盖的功能需求。同时结合上海光源的物理需求，MPS响应时间要求为本单元内的响应时间应小于20 ms，单元间的响应时间应小于50 ms。如何能有效满足二期工程新增设备的联锁需求，并实现在现有系统框架下新系统的有效集成，是本次改造工程需解决的问题。针对目前的系统现状和新增的功能需求，本文采用基于FL-net的配置方式实现MPS跨单元的数据交互，并增加软硬件扩充部分，以满足二期线站及后续项目发展的要求。

1 系统结构

1.1 SSRF MPS结构

考虑到可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)成熟可靠的技术和在工控、加速器领域的广泛应用，上海光源机器保护系统是基于PLC的硬件联锁系统[5-6]。MPS采用日本Yokogawa FA-M3系列PLC进行搭建，其系统结构如图1所示，是以PLC为核心，基于网络、实验物理和工业控制系统(experimental physics and industrial control system, EPICS)设计的分布式控制系统。联锁输入、输出信号全部为通过电缆直接连接的硬件信号，运行参数全部保存在PLC控制器内。因此，联锁保护逻辑功能不依赖于后台软件，在MPS设备正常运行的前提下，后台软件和网络故障以及界面关闭和IOC重启等均不影响系统的联锁保护功能[7]。

整个上海光源的MPS体系使用了分级管理和设计的方案，按总体级、分总体级、系统级、设备级4层进行部署和设计[8]。总体级MPS即中控MPS，处于MPS体系的最上层，主要负责装置运行模式与运行状态的联锁控制、对各分总体级MPS的监控、总体级联锁功能实现、中控的声光报警以及MPS的操作接口等功能。分总体级MPS根据加速器的直线(LA)、增强器(BS)和储存环(SR) 3个组成部分设置了LA-MPS、BS-MPS、SR-MPS 3个分总体级。分总体级分别连接各系统级MPS，并独立完成各分总体级内部的联锁逻辑功能，3个分总体级间通过直接的硬件信号连接实现分总体级之间的联锁信号交互和逻辑功能。

1.2 储存环MPS结构

系统级MPS也称本地PLC子站，上海光源储存环按结构和工艺划分成20个单元进行设计、安装，因此储存环共设20个系统级MPS单元，结构示于图2。每个单元MPS站点控制本单元的联锁逻辑和设备输出，监控本单元的真空报警/预警信号、阀门、真空室温度、冷却水流量和温度以及其他子系统的状态信息。因为储存环的真空联锁逻辑需参照相邻单元的真空状态，故每个单元用电缆进行硬接线连接，将上游单元的真空状态传递给下游PLC单元。

图2 上海光源储存环联锁保护系统结构Fig.2 System architecture of MPS for SSRF storage ring

20个系统级MPS将每个单元的联锁状态传递给储存环分总体级MPS，同时，系统级MPS通过传递周期性心跳信号，分总体级MPS可监视各单元PLC是否出现故障或网络通信问题，进一步保证系统的可靠性和安全性。储存环分总体级MPS对各单元联锁输入信号进行综合判断，控制储存环的功率允许、注入允许信号输出，并在相应联锁发生时实现储存环阀门的联锁控制。此外，储存环分总体级还会输出增强器引出允许和电子枪触发允许信号来控制直线加速器和增强器的停束操作。

2 单元间通信

上海光源现有的MPS结构各级和各单元PLC均存在信号通信需求，目前使用电缆直接连接的方法实现，且未预留更多的单元间信号接口。但二期线站工程新增的低温波荡器需获取相邻两单元的阀门信号进行联锁运算，另外因未来的需求具备不确定性，无法确定不同单元之间信号接口的数量规模。因此从总体方案上来说，通过主机间通信接口模块将各单元PLC连接起来，新增加的单元间接口信号只需在PLC内部修改配置，而不再需重新铺设信号电缆，这是本次改造采取的解决方案。

FA-M3系列PLC支持FA-Link和FL-net两种单元间通信接口。FA-Link通过光纤通信，各单元间可按菊花链的方式进行连接。在实验室搭建FA-Link测试平台对其性能进行测试，结果表明，随着节点数、光纤距离和共享寄存器数量的增多，FA-Link方式的节点间响应时间一般控制在200 ms内，已远超出了上海光源对联锁保护系统响应时间的要求。另外，使用菊花链的连接方式，一旦运行过程中某节点出现故障，会影响整个系统的正常运行，可靠性降低。而FL-net的响应时间一般可控制在50 ms以内，因此选择FL-net方案对全环MPS进行升级改造。

图3 改造后MPS网络结构Fig.3 Network structure of MPS after upgrade

FL-net是一可用于连接多种可编程控制器、计算机数字控制器和自动化控制器产品的开放网络[9]。各单元PLC使用FL-net网络连接，通过FL-net模块实现单元间数据共享。FL-net对网络有特殊要求，因此在上海光源建立了独立于控制网的FL-net专用网络。此外，对储存环所有MPS单元CPU进行升级，新CPU型号为CPU SP71-4S，替代原本CPU SP53-4S和网络模块LE11-0T的功能。为提高网络通信的实时性和可靠性，减少网络占用率，采用设备网与控制网隔离的方式进行网络设计，IOC使用两个网段分别连接IOC和OPI，其结构如图3所示。

FL-net符合通用网络标准的相关特性，采用以太网作为通信媒体(物理层和数据链路层)，在此基础上实现FA(factory automation)控制器的通信需求。FL-net协议共有6层，如图4所示。与TCP相比，UDP具有反应时间快、网络负担小的优势，因此FL-net采用UDP/IP协议，以实现快速通信。Yokogawa FL-net模块支持循环传输和报文传输两种传输模式，通过令牌控制完成数据通信。循环传输是通过共享内存的方式实现所有网络节点间的数据共享，而报文传输用于两个节点间的按需传输。FL-net的连接方式不存在主控节点，任意1个节点均可随时安全地加入或离开网络，不会影响整个系统的正常运行，因此FL-net相对于FA-Link的安全性和可靠性更高。

图4 FL-net协议Fig.4 FL-net protocol

FL-net支持8K位+8K字的大容量共享内存，对应L寄存器和W寄存器两种共享寄存器类型。每个节点应分配两种类型的发送区，依据上海光源目前单元间数据共享的需求，目前每单元共分配了128个L寄存器和128个W寄存器，使用WideField 3软件完成了各节点的寄存器分配，配置示于图5。FL-net支持在线配置和读取参数和状态信息，包括节点号、共享内存地址和大小、节点连接状态、看门狗时间等网络参数信息。

图5 FL-net节点设置Fig.5 Setup of FL-net nodes

3 扩展部分框架设计

上海光源现有控制系统中，储存环机器保护系统采用了标准单元的设计结构，并构建综合布线系统，将储存环20个单元的MPS软硬件系统在1套统一的架构模板下设计与实施。原标准单元内容多、布线复杂，为避免对原标准单元的影响，改造方案将单元联锁系统架构设计为由标准部分和扩充部分组成，如图6所示。原有系统的软硬件架构作为标准部分，基本保持不变；每单元增加的软硬件作为扩充部分，扩充部分独立进行设计、开发和布线，并与标准部分实现接口与集成，形成一套新的完整的单元联锁系统。这种设计方法既能保持单元联锁主体系统的标准化和稳定性，又可灵活实现各单元因新型插入件项目等产生的不同的新联锁需求。

图6 改造后单元联锁结构Fig.6 Cell interlock structure after upgrade

每个单元的PLC扩充部分使用13槽基板，本次改造预装8个I/O模块，目前I/O容量为64个数字量输入和24个数字量输出，其余部分可按以后各单元的不同需求灵活配置。扩展部分通过光纤与原标准单元PLC连接，使用FA-bus模块实现通信功能。

原PLC联锁程序逻辑复杂且各单元统一，为避免破坏原PLC程序结构，新增的联锁功能和FL-net单元间数据通信功能等作为新的BLOCK进行设计编写。同样，EPICS的软件设计包括IOC和OPI界面的开发[10]，扩展部分将独立于原标准部分进行单独开发。这样，扩充部分的I/O软硬件设计不再受标准设计约束，但从整个储存环MPS的框架结构看，储存环仍由20个标准单元组成，各单元的软硬件接口形式一致，扩充部分的技术路线和技术性能也一致，以形成新的标准单元。

4 系统测试

上海光源MPS升级改造工作于2018年7月完成对储存环分总体级MPS和20个系统级MPS的扩展单元安装、布线，新加入了前端区、canted电源及真空联锁信号，并在扩展部分实现了新增的联锁逻辑功能。经在线运行半年以上，改造后的MPS运行稳定，原联锁功能运行正常，并未受到此次升级改造的影响。

2019年1月将单元间的阀门信号通过FL-net方式加入到低温波荡器的真空联锁，实现了FL-net在上海光源MPS的正式上线应用。系统在线运行超过3个月时间，期间未出现因FL-net数据传输异常而引起的掉束或误联锁现象，可靠性得到了检验。

响应时间是MPS的关键指标，因此对应用FL-net后系统的响应时间进行测试。使用储存环的2个PLC单元搭建测试平台，在单元1同时驱动两个脉冲输出信号，1个通过FL-net方式传递到单元2的PLC输出，1个直接通过电缆连接到单元2，在单元2用示波器测量两个信号脉冲的上升沿时间差作为系统的响应时间(梯形图执行时间可忽略不计)。采样3 000次以上，结果表明应用FL-net后系统平均响应时间约14 ms，最大响应时间小于21 ms(图7)，满足上海光源MPS单元间响应时间50 ms以内的物理需求。

图7 FL-net响应时间测试Fig.7 Test of FL-net response time

5 小结

上海光源机器保护系统使用FL-net技术完成了储存环分总体级MPS和20个系统级PLC单元间的数据共享，且扩充部分通过统一的接口和模块化设计方法实现了独立开发和有效整合。此次升级改造工作保持了联锁系统的标准化设计，且FL-net的应用和层次化的结构设计可灵活满足今后不同的联锁需求。经在线测试，MPS升级改造工程运行稳定、可靠，各方面性能满足设计指标，有效满足了目前二期线站项目的联锁需求，且为后续工程的发展奠定了基础。