超导镀膜测量装置远控系统研究

李爱玲,赵伟华2,郑 健,彭朝华,周立鹏

(1.中国原子能科学研究院, 北京 102413; 2.原子高科股份有限公司,北京 102413)

0 引言

直线超导加速器用来加速质量为25～240的重离子，可使每核子平均能量提升4MeV。超导腔是加速器的核心组成部分，它是四分之一波长腔(QWR)，即一端短路，另一端为电容负载的同轴线；腔体为无氧铜基上电镀一层约2微米厚的铅膜，室温下其品质因数约为7000，超导下约为5×107。加速器运行时，温度低于7K(-266℃)，铅膜的电阻值变得很小，此时把射频功率馈入腔内,由于高频的趋肤效应,超导腔工作时电损耗只发生在超导铅膜中,极大降低了建立加速场的功率损耗[1]。

超导腔内部镀膜的超导性能直接影响腔的加速梯度。为此建立的超导镀膜测量装置，其远控系统基于EPICS分布式设计，提供一个真空、液氦低温的环境，测量样品腔镀铅后的超导性能，快速判定镀铅膜低温超导性能，为镀铅工艺研究和镀铅工艺线建设提供技术支持，同时还可评估镀铅溶液配比能否满足使用要求。

1 系统简介

超导镀膜测量装置是一个圆柱形密闭容器,中间有立柱,上有法兰与镀铅样品腔用螺钉紧固；在外围容器与中间部分设置一个冷屏；内部抽真空降低热传导；在样品腔、冷屏和立柱上分布三个温度探头测量温度分布；在4.2 K低温环境下，用网络分析仪测量样品腔的Q值以评估镀铅溶液配比。

测量装置设备包括氦气制冷机系统、机械泵、分子泵、真空计、腔体及冷屏加热电源、温度仪表、网络分析仪等，远控系统通过对这些设备的监测和控制，实现对各类设备开/关机和参量调节，对测量的数据进行计算和处理，对设备的运行状态进行定期巡检等操作；提供一套快速可靠、用户友好的图形操作界面，运行人员可随时掌握各种运行信息，调整和控制设备的各种参数；建立存放大量实时数据的实时数据库和存放历史数据的历史数据库，分别供控制系统人员在线和离线分析使用；具有异常报警功能，当设备的参数超出设定值时报警并记录到事件数据库中。

在这些设备中，氦气制冷机系统不断收集回路系统中的低压氦气，将其压缩、冷却、滤油后，通过供气管路将气体输送到冷头，为装置提供高压无油的低温氦气。在其前面板上有一个用于诊断压缩机运行状态和远程控制的接口，型号为DB-25，控制信号包括系统启动与关闭、冷头电机运行与暂停、系统运行状态、电磁阀工作状态等共4个数字量输出(DO)、9个数字量输入(DI)与1个模拟量输入(AD)(0～5 V)。

真空设备前级为机械泵，通过接触器控制220 V电源连接与断开；当真空度为10-2Pa，切换到分子泵继续抽真空，分子泵采用OSAKA的TC76，其电源通讯接口为RS232；真空计监测系统真空度，在液氦温度下，真空度达到3×10-6Pa，使用LeyboldGraphix Controller控制器，通讯接口有RS232和RS485两种，编程时，使用CENTER通讯模式，GRAPHIX会自动向上位机传输当下的真空压力值。加热电源的作用是系统在液氦温度下，做完实验后，加热使其快速回温到常温状态，通讯接口为RS485，MODBUS通讯协议。测量系统分布3个温度探头测量液氦温度，温度仪表Lakeshore218E连接测温探头显示温度，通讯接口为RS232；一台网络接口的网络分析仪分析样品腔镀铅后的超导性能参数。设备与信号量统计如表1所示。

表1 设备与控制量信号统计表

2 控制系统技术方案

EPICS(实验物理和工业控制系统)是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和阿贡国家实验室等联合开发的典型的分布式控制系统软件开发工具，它采用了分布式控制系统的标准模型，具有可移植性、可互操作性、可裁减性以及可重用性特点；而且经过大量实例证明，EPICS还具有运行稳定、系统结构灵活、开放性好、可扩展性好等诸多优点；同时目前的发行版本中大量工具都是免费的且提供丰富的支持文章，因此EPICS现已逐渐成为国际大型加速器控制系统的一个主流开发和运行环境[2]。

测量装置控制系统采用基于EPICS的分布式软件开发环境，结构上分为操作员接口层(OPI)，输入输出控制层(IOC)和设备控制层[3]，如图1所示。OPI提供人机操作界面供操作人员参数设置和状态回读；IOC对设备进行监测控制、故障报警和联锁操作，并建立分布式的IOC实时数据库，OPI和IOC以客户机/服务器模式工作在网络环境中，实现数据和信息交换；EPICS提供了Channel Access通道访问协议，通过它可使Channel Access客户与任意一个Channel Access服务器进行网络通信。设备控制层控制底层设备。

图1 超导样品测量控制系统结构图

与EPICS的体系结构相对应，控制系统的硬件分为OPI、IOC控制器和设备控制器。设备控制器选用SIMENS S7-1500系列PLC模块，它体积精巧，支持大容量扩展，可容纳高达8192个输入/输出点，并配备有各种可用于多种不同应用的功能模块；同时它具有高速指令处理能力，适于需要高速度和快速响应的应用；CPU集成LCD屏和键板，便于设置和诊断，随时监控CPU的运行状态[4]。PLC模块由集成以太网通讯接口的CPU处理器、电源模块、I/O模块和机架等组成，根据设备接口及控制量统计，PLC选用CPU模块1511，AI模块、DO模块、DI模块各1块，RS232和RS485通讯模块各2块。PLC与这些设备相连，运行在PLC IOC上的EPICS IOC Core软件通过内部的Device Drivers与Device Support与PLC进行通信，从而将对PV值的读写对应到对实际设备值的读写上。

IOC控制器通常对设备进行监测控制、故障报警和联锁操作，IOC控制计算机、数据服务器和操作员控制台计算机通过以太网进行数据通讯。IOC控制器选择安装centOS 7操作系统的PC机，在其上建立分布式的IOC实时数据库Database，通过一定的数据结构将PV变量的各种属性、值进行保存。在EPICS中拥有大量的数据记录类型，如模拟输入输出、数字输入输出、字符串、波形记录等，用户也可以自行编写Record Support形成新的数据记录类型。IOC提供数据库系统管理与访问的工具，并配置PLC设备驱动程序。由于实时控制在IOC控制机上运行且只执行专门的操作，因此系统可达到较高的可靠性和实时响应速度，同时简化了系统的工艺控制逻辑，降低了不同系统间的耦合，并具有良好的扩充功能。

OPI层采用PC机用于系统的监控，与IOC层通过局域网连接。在其上建立EPICS控制系统软件开发环境，包括客户端操作系统、操作员界面、远程访问工具以及本地文本编辑工具。操作员界面的开发和运行环境采用DESY 的64位CSS(Control System Studio)软件，通过Channel Access协议与IOC控制器或者服务器建立连接，改变现场设备的参数，达到控制各子系统运行的目的。CSS基于Eclipse的客户端接口框架，由一系列plugin组成，具有平台无关性，可以在不同的操作平台进行移植。

数据服务器运行Linux操作系统，通过Channel Access协议读取IOC控制器的数据，存储多个PV变量的历史数据，可以使用CSS的Data Browser打开任何时间的数据进行趋势显示和数据查询。

3 软件设计

测量装置控制系统的软件与硬件相对应，分布在PLC控制器、前端IOC以及OPI和数据服务器上。PLC编程工作与设备相关，主要完成控制流程、逻辑互锁等功能；开发环境选择SIEMENS公司的PORTAl V14 SP1，采用简单直观、易于修改PLC程序的梯形图编写。IOC控制器软件的核心是分布式运行数据库以及相关的输入输出支持模块，比较重要的功能包括数据库扫描(database scanning)、数据库访问(database access)、记录支持(record support)、设备/驱动支持(device/driver support)等几个部分；数据库中记录的I/O操作，通过iocCore中的扫描器(scanner)扫描数据库记录实现，有周期扫描、事件触发扫描和被动扫描三种方式[5]。

3.1 PLC软件开发

测量装置PLC软件实现设备的控制功能：通过温度仪表通讯接口实时读取3路温度数据；加热电源开启/停止、设定和读取电压/电流值；机械泵的启动和停止；分子泵的启动/停止、转速设置和读取以及设备复位信息；真空值的读取；氦气制冷机的开关机控制、读取压力数值和报警状态。

开始实验时，首先安装镀铅样品腔，紧固后放下冷屏，密闭外盖；远控系统启动，打开机械泵抽真空，真空计显示真空度，当真空到10-2Pa，打开分子泵继续抽真空到10-5Pa；启动氦气制冷机，温度仪表监测温度，在液氦温度下，用网络分析仪测试样品腔频率f和品质因数Q值；当设备出现故障，会显示相应的故障状态并进行处理。

控制软件自动控制全部流程，同时规定DB10:周期性向IOC发送采集数据；DB11:接收IOC发送到PLC的数据。在编写PLC程序时，根据每个设备接口，编写相应的梯形图程序。对于RS232/RS485串口设备，通讯协议都不相同，以温度仪表PLC程序为例，将连接的串口模块通讯设置为：波特率9600、1起始位、7数据位、奇校验、1停止位，建立RS232 通讯模块与温度仪表的连接；询问某通道温度数值的语句为KRDG？n，在DB18中与之对应的十六进制数组{4B,52,44,47,3F,3n,0D,OA}，将该数组通过Send_P2P模块发至温度仪表，仪表接收命令将温度数据回传至通讯模块，PLC通过Receive_P2P模块读取数据，经过ZXB运算模块数据处理得到温度值。PLC依次计算得到各个通道的温度数值，并将数据存入DB10模块等待IOC读取。使用梯形图编写的部分程序如图2所示。

图2 温度仪表串口通讯梯形图

3.2 IOC设备驱动和记录编写

EPICS/IOC安装在计算机上，核心是一个常驻内存的分布式实时数据库系统，进入数据库的实时数据都带有采样时的时间标记(time stamp)；IOC提供数据库系统管理与访问的工具，并提供了西门子PLC的驱动程序；EPICS内置了50多种数据库记录(DB record)与I/O通道相连，存放通道信息和实时数据。

西门子S7-1500系列PLC的IOC驱动s7nodave，支持通过Ethernet/PROFINET (ISO-TCP)连接的PLC，它的优点是在PLC侧不用编程，只需要在IOC上配置。S7nodave支持IOC设备直接读取和写入PLC内存数据，在EPICS 记录里使用这些地址编写PLC控制逻辑，输出记录会把数据写入PLC相应地址，输入记录可以回读PLC数据，每个记录可以有不同的处理速率，也可以配置poll group让所有数据同时传输[6]。

在IOC计算机上首先安装编译EPICSbase3.14.12，它包含EPICS基本的记录类型；因为S7nodave支持执行异步的设备，所以需要编译asynDriver作为配置管理、日志管理和异步处理；把编译时需要的BoostC++库解压到某个文件夹里；最后编译s7nodave，配置以下两个参数完成设备驱动安装。

s7nodaveConfigureIsoTcpPort("myPLC", "192.168.0.6", 0, 0, 0)

s7nodaveConfigurePollGroup("myPLC", "1s", 1.0, 0)

IOC数据库的记录与PLC的每一个地址相对应，用于实现工程量到物理量的转换和其它的一些控制逻辑。数据库的记录类型包括模拟输入AI、模拟输出AO、二进制输入BI、二进制输出BO和计算CALC等，除了计算记录外，其余四种都与PLC里的数据类型相同。以加热电源为例，编写的部分记录如下：

record(bo, "heat:ON") //打开电源

{

field(DESC, "heat power ON")

field(DTYP, "s7nodave")

field(OUT, "@myPLCDB11.DBX11.5")

field(OMSL, "supervisory")

}

record(ao,"heat:setV") //设置电压

{

field(DESC, "set heat V")

field(DTYP,"s7nodave")

field(OUT,"@myPLCDB11.DBD34 float")

}

record(ai,"heat:V") //电压回读

{

field(DESC, "read V")

field(DTYP,"s7nodave")

field(INP, "@myPLCDB10.DBD52 float")

field(SCAN, "1 second")

}

在st.cmd文件里，添加记录文件和与PLC驱动有关的参数，在EPICS下编译成功如图3所示, 此时IOC与PLC里的数据开始交互共享。

3.3 历史数据存储

测量装置控制系统的历史数据存储采用Archiver Appliance，它运行在安装有CentOS系统的服务器上，用来存储真空度、温度值、真空泵和制冷机状态等运行数据。Archiver Appliance是基于EPICS的数据存取管理软件，它具有数据提取快、获取百万量级PV、组建应用程序集群的能力，以及分段存储使数据存储速度更快[7]。历史数据查看使用EPICS专用的数据查看软件Archiver Viewer或CSS的Data Browser，通过分析Archiver历史数据，准确地诊断设备故障原因，在系统运行过程中发挥着极其重要的作用。

Archiver appliance的安装过程是：首先在安装64位操作系统centos7.4的服务器上，编译EPICS base3.14.12.6；安装jdk-9.0.1，配置环境变量；安装tomcat WEB服务器；最后安装mysql数据库[8]。安装完毕，启动/etc/init.d/sampleStartup.sh start，打开网址http://localhost:17665/mgmt/ui/index.html 便可添加欲存储的pv量，并显示每个PV量的状态、是否连接、采样周期以及是否被监控等参数，点击quick chart还能显示历史数据曲线。Archiver Appliance程序根据配置文件的变量名及其相关的采集频率，将需要保存的数据从IOC的实时运行数据库中取出，保存到历史数据库中，如图4所示。

图3 IOC启动界面

图4 历史数据存储界面

3.4 OPI软件开发

OPI软件是运行人员完成测量装置启动、参数调整、镀膜测量和停机的主要手段。CSS是一套专门用于开发EPICS界面的工具集，提供了多种输入/输出控件，比如文本输入/输出、仪表控件、各种2D图形绘制工具、趋势图控件、LED模拟以及各种按钮等，并且CSS提供的所有控件都是可组态的；此外，CSS具有良好的可扩展性，能够根据实际需要自定义控件，也可以自行添加控件[9]。

测量装置由CSS生成的控制界面如图5所示。将每种设备的参数集中在一起，通过点击设备的相应参数，即可实现对该设备的控制和显示。将样品腔镀膜后用高压高纯水清洗，放于测量装置内，从图上可以看出，在真空度为10-6Pa，液氦温度时，测量镀铅样品腔的f为1 635 021 GHz，Q值为2 508 743。将样品腔镀膜除铅后，用同样的溶液在样品腔内电镀铅膜，在高真空和低温下，测量镀膜的超导性能，重复多次实验，测量的镀铅样品腔的f和Q值都很接近，表明镀液配比能够满足工程需求。

历史数据显示采用CSS里的data browser与数据库连接，设置地址为pbraw://192.168.0.12:17668/retrieval，即可获得PV量的历史数据[10]。如图6所示为T6存储4天的数据，右键单击export data将数据存储，包括日期、数值、报警级别和状态等，可以文本方式或其他工具打开数据。

图5 超导镀膜测量装置控制界面

4 结论

利用超导镀膜装置测量镀铅样品腔的超导性能，其远控系统基于EPICS平台搭建，实现了抽真空、样品腔体降温、回温加热和镀铅腔的超导性能测量的自动化控制，满足了工程应用需求。实验结果表明，该装置能够安全稳定的运行，为以后的超导腔镀铅工作顺利进行打下了重要基础；同时该控制平台的建立也为实验室以后的控制工作拓展创造了条件。

图6 T6历史数据查询