Development of CSNS white neutron source beamline control system
-
摘要: 中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子源束线主要由中子束窗、中子开关、中子准直器和真空管道等组成。为了保证CSNS反角白光中子源束线安全、稳定、可靠地运行，研制了基于EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)软件架构的控制系统。该系统主要由中子束窗、中子开关及中子准直器的运动控制系统、真空控制系统和控制室三部分组成，实现了对反角白光中子源束线主要设备的远程监测和控制。测试结果表明，该系统具有稳定可靠性高、人机交互友好的特点，很好地满足了反角白光中子源束线运行的需要。Abstract: China Spallation Neutron Source (CSNS) white neutron source beamline mainly consists of one neutron beam window, one neutron beam shutter, two neutron beam collimators and some vacuum ducts. To guarantee a safe, stable, and reliable operation for the CSNS white neutron source beamline, a CSNS white neutron source beamline control system was developed under the Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS) software framework. The system mainly consists of three subsystems: the motion control system of the neutron beam window, the neutron beam shutter and the neutron beam collimators; the vacuum control system; the control room. The remote monitoring and control of the main equipments of the CSNS white neutron source beamline was realized. The test results show that the system has the characteristics of high stability, high reliability and friendly operator interface, which satisfactorily meets operational needs.
-
Key words:
- China Spallation Neutron Source /
- white neutron source /
- beamline /
- control system /
- EPICS
-
中国散裂中子源(CSNS)是我国首台散裂中子源，是可开展多学科研究的国家大科学装置[1-5]。它利用1.6 GeV入射质子轰击钨靶产生大量中子，中子能谱很宽，能量最高可达1 GeV以上，即使是反角方向，能量也可达200 MeV。目前CSNS一期设计功率为100 kW，保留升级到500 kW的可能性。利用CSNS的高注量优势建设的反角白光中子源将极大提升我国核数据测量的条件[6-8]。
CSNS反角白光中子源束线包括中子束窗、中子开关、中子准直器、分子泵、机械泵、真空计和闸板阀等多套设备。为了保证反角白光中子源束线安全、稳定、可靠地运行，需要研制相应的控制系统，以实现对反角白光中子源束线主要设备的远程监测和控制。本文对反角白光中子源束线控制系统的设计方案、实现方法和性能测试等进行了阐述。
1. 系统简介
反角白光中子源束线主要由中子束窗、中子开关、中子准直器和真空管道等组成。中子束窗的主要作用是隔离CSNS环至靶站输运线(RTBT)的高真空和反角白光中子源束线的低真空；同时通过对中子束窗后部的2片运动镉片进行选择性的操作，达到对中子束能谱调节的目的。中子开关的主要作用是通过控制其内部挡块的精确运动实现对中子束流的开关及横截面尺寸的调节。中子准直器的主要作用则是通过精确控制真空箱体内挡块的移动实现对中子束流束斑形状及尺寸的调节准直，反角白光中子源束线上有2台结构类似的中子准直器。真空管道上配备了相应的分子泵、机械泵、真空计和闸板阀等设备，以使真空管道内的真空度满足实验的需要。
反角白光中子源束线控制系统主要由三部分组成。
(1) 运动控制系统：对中子束窗的运动镉片、中子开关和中子准直器内部挡块的位置进行远程监测和精确控制。
(2) 真空控制系统：实现对5台分子泵、5台机械泵、12台真空计和8台闸板阀等真空设备的远程监测和控制。
(3) 控制室：在控制室配备控制台和大屏幕墙等设备，为实验人员提供友好的人机交互界面，实现对反角白光中子源束线各系统的监测和控制；同时，显示CSNS全局状态等相关信息。此外，搭建了带云台的视频监控系统，实现对束线上实验情况的实时视频监控。
2. 系统设计
CSNS加速器控制系统是基于分布式实时控制软件EPICS架构搭建的。EPICS是用于搭建粒子加速器等大型科学装置控制系统的主流软件工具集[9]。因此，为了便于实现统一的状态监测、故障报警、历史数据存储和查询等功能，反角白光中子源束线控制系统也基于EPICS软件架构搭建。
2.1 运动控制系统设计
基于EPICS的反角白光中子源束线运动控制系统的结构如图 1所示。为了方便调试，中子束窗、中子开关、中子准直器1和中子准直器2的本地控制系统由负责机械加工的合作单位使用横河FA-M3 PLC顺控CPU开发，并预留远程控制接口。远程控制系统则使用横河FA-M3 PLC嵌入式CPU模块F3RP61自主开发。F3RP61是横河公司推出的嵌入式CPU模块，该模块可通过PLC-bus总线访问横河FA-M3 PLC上的I/O模块及顺控CPU模块[10]。将4个F3RP61模块分别安装在中子束窗、中子开关、中子准直器1和中子准直器2的横河FA-M3 PLC基板上，即可运行自主开发的EPICS IOC(Input/Output Controller)程序，使反角白光中子源束线运动控制系统形成一个整体，并纳入基于EPICS的加速器控制系统中。
为了确保人身安全，设计了中子开关与人身保护系统(PPS)间的联锁保护功能。只有收到PPS就绪信号后才能打开中子开关；运行时，若中子开关处于打开状态，而产生了PPS报警(如联锁门被打开、隧道内急停按钮被按下等)，则立即切断加速器束流。
2.2 真空控制系统设计
基于EPICS的反角白光中子源束线真空控制系统的结构如图 2所示。根据真空设备的位置分布将其分为主管道真空设备和分支管道真空设备两部分：主管道真空设备包括7台真空计和3台闸板阀；分支管道真空设备包括5套由分子泵、机械泵、真空计和闸板阀组成的真空机组。
为了方便调试，分支管道真空设备的本地控制系统由合作单位使用2套横河FA-M3 PLC顺控CPU开发，并预留远程控制接口；相应的远程控制系统使用嵌入式CPU模块F3RP61自主开发。主管道真空设备的控制系统则使用另外1套同时安装顺控CPU和嵌入式CPU模块的横河FA-M3 PLC自主开发。在3套横河FA-M3 PLC的嵌入式CPU模块上运行自主开发的EPICS IOC程序，使反角白光中子源束线真空控制系统形成一个整体，并纳入基于EPICS的加速器控制系统中。
2.3 控制室设计
根据反角白光中子源束线控制系统的整体需求并结合控制室的实际尺寸，设计了6位放置12台21.5英寸显示器的控制台和放置6台50英寸电视机的大屏幕墙。
同时，根据反角白光中子源束线实验的需要，设计了主要由9台带云台摄像头和1台网络硬盘录像机组成的反角白光中子源束线视频监控系统，摄像头的画面直接显示在控制室的大屏幕墙上。
3. 系统实现
3.1 控制机柜
反角白光中子源束线控制系统共有9台控制机柜，包括6台19英寸机架标准机柜和3台定制的PLC机柜，主要用于安装PC机主机、网络交换机和PLC控制器件等。其中，7台控制机柜放置在反角白光中子源的控制本地站，另外2台控制机柜放置在样品间，分别如图 3(a)和图 3(b)所示。
3.2 软件程序
反角白光中子源束线控制系统的软件程序主要由横河FA-M3 PLC顺控CPU模块内的梯形图程序、嵌入式CPU模块内的EPICS IOC程序和控制室的EPICS OPI三部分组成。
(1) 顺控CPU模块内的梯形图程序使用横河FA-M3 PLC配套的WideField3软件开发，用于实现原始数据采集、联锁逻辑运算和控制信号输出等功能。
(2) 嵌入式CPU模块内的EPICS IOC程序主要用于实现状态监测、信号转换计算、操作信号接收等功能，使横河FA-M3 PLC的数据直接纳入EPICS系统。反角白光中子源束线控制系统共有EPICS实时动态数据库记录约2100个。为了提高EPICS IOC程序的开发效率，同时也使后期的维护更加方便高效，设计了多种实时动态数据库记录模版。其中，读取横河FA-M3 PLC共享继电器状态的实时动态数据库记录模版如下：
record(bi, "＄(PREFIX)＄(CH_NAME)")
{
field(DESC, "$(Desc)")
field(DTYP, "F3RP61")
field(SCAN, "$(SCAN_TYPE)")
field(INP, "@E$(SHARED_RELAY_NO)")
field(ZNAM, "$(Zname)")
field(ONAM, "$(Oname)")
field(ZSV, "$(Zsv)")
field(OSV, "$(Osv)")
field(COSV, "NO_ALARM")
}
(3) 控制室的EPICS OPI使用Control System Studio (CSS) BOY开发，为实验人员提供了友好的人机交互界面。为了统一界面风格，在开发反角白光中子源束线控制系统EPICS OPI过程中，使用了为整个CSNS加速器控制系统定制的字体、颜色、模版等文件。其中，中子开关控制界面如图 4所示，其显示了中子开关相关的操作按钮和参数状态。
图 4 中子开关控制界面Figure 4. Operator interface (OPI) of neutron beam shutter control system3.3 控制室
反角白光中子源束线控制室的控制台和大屏幕墙如图 5所示。其中，控制台显示器型号为联想T2224rF，大屏幕墙电视机型号为创维50X5。
图 5 反角白光中子源控制室的控制台和大屏幕墙Figure 5. Console and screen wall of white neutron source control room反角白光中子源束线视频监控系统可对实验厅1、实验厅2和样品间进行全面监控，其中，摄像头型号为海康威视DS-2DE4220IW，可在控制台上对摄像头进行旋转、变倍、变焦和回放等操作。
4. 主要性能测试
4.1 信号通路测试
反角白光中子源束线控制系统安装完成后，进行了相应测试，以确保信号通路无误: (1)对于运动控制系统，通过在OPI上遍历所有操作和状态，并与隧道设备端的实际情况进行对比，从而判断信号通路是否正确; (2) 对于真空控制系统，通过对比OPI上显示的状态与样品间本地控制器上显示的状态是否一致来判断信号通路是否正确; (3)对于中子开关联锁保护信号，则通过与PPS对比收发信号是否一致来判断信号通路是否正确。测试结果表明，所有信号通路正确。
4.2 联锁保护测试
通过人为制造报警信号的方式对中子开关与PPS间的联锁保护功能进行了测试。测试结果表明，中子开关与PPS间的联锁保护功能满足设计的要求。
4.3 系统功能测试
逐一测试了反角白光中子源束线控制系统的功能是否满足反角白光中子源束线运行的需要，包括控制界面上的显示值和设置值是否真实有效、设备动作是否正确等。测试结果表明，反角白光中子源束线控制系统的功能满足反角白光中子源束线运行的需要。
4.4 稳定可靠性测试
通过长时间连续运行的方式对反角白光中子源束线控制系统的稳定可靠性进行了测试。测试结果表明，反角白光中子源束线控制系统具有稳定、可靠性高的特点。
5. 系统运行情况
在反角白光中子源束线控制系统投入运行初期，系统总体运行稳定，但也遇到了由于EPICS OPI设计得不够完善导致误操作的问题。通过更新完善EPICS OPI，如根据系统的运行情况动态改变相应操作控件的使能、在执行重要操作前增加确认对话框等解决了这一问题。
在2017年8月29日开始的一轮运行中，反角白光中子源束线控制系统连续稳定地运行了超过288天。其中，中子开关控制系统IOC状态如图 6所示，从图中可见，CPU心跳、CPU使用率和内存使用情况等各项指标正常，IOC处于稳定运行状态。
6. 结论
反角白光中子源束线控制系统实现了对反角白光中子源束线上主要设备的远程监测和控制，为反角白光中子源束线安全、稳定、可靠地运行打下了坚实的基础。同时，反角白光中子源束线控制系统作为CSNS加速器控制系统的一个子系统，能充分利用CSNS加速器控制系统已有的资源，方便地实现统一的状态监测、故障报警、历史数据存储和查询等功能，为反角白光中子源束线相关实验人员及时发现和处理问题、进行历史数据分析和研究等提供了便捷途径和可靠保障。
-
图 4 中子开关控制界面
Figure 4. Operator interface (OPI) of neutron beam shutter control system
图 5 反角白光中子源控制室的控制台和大屏幕墙
Figure 5. Console and screen wall of white neutron source control room
-
[1] Wei Jie, Chen Hesheng, Chen Yanwei, et al. China spallation neutron source: Design, R & D, and outlook[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A—Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment, 2009, 600(1): 10-13. [2] Wei Jie, Fu Shinian, Tang Jingyu, et al. China Spallation Neutron Source-an overview of application prospects[J]. Chinese Physics C, 2009, 33(11): 1033-1042. doi: 10.1088/1674-1137/33/11/021 [3] Wang Sheng, Fang Shouxian, Fu Shinian, et al. Introduction to the overall physics design of CSNS accelerators[J]. Chinese Physics C, 2009, 33(s2): 1-3. doi: 10.1088/1674-1137/33/S2/001 [4] Fu S N, Chen H S, Chen Y W, et al. Status of CSNS project[C]//Proceedings of IPAC2013. 2013: 3995-3999. [5] Chen H, Wang X L. China's first pulsed neutron source[J]. Nature Materials, 2016, 15(7): 689-691. doi: 10.1038/nmat4655 [6] 唐靖宇, 敬罕涛, 夏海鸿, 等. 先进裂变核能的关键数据测量和CSNS白光中子源[J]. 原子能科学技术, 2013, 47(7): 1089-1095. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YZJS201307002.htmTang Jingyu, Jing Hantao, Xia Haihong, et al. Key nuclear data measurements for advanced fission energy and white neutron source at CSNS. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(7): 1089-1095 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YZJS201307002.htm [7] Zhang L Y, Jing H T, Tang J Y, et al. Design of back-streaming white neutron beam line at CSNS[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2018, 132(2): 212-221. [8] An Q, Bai H Y, Bao J, et al. Back-n white neutron facility for nuclear data measurements at CSNS[J]. Journal of Instrumentation, 2017, 12: P07022. doi: 10.1088/1748-0221/12/07/P07022 [9] 赵籍九, 尹兆升. 粒子加速器技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.Zhao Jijiu, Yin Zhaosheng. Particle accelerator technology. Beijing: Higher Education Press, 2006 [10] Odagiri J, Araki S, Furukawa K, et al. Application of epics on F3RP61 to accelerator control[C]//Proc of ICALEPCS2009. 2009: 916-918. 期刊类型引用(3)
1. 刘群，汪啸，贺博. 基于IOC与PLC的双光束线真空安全联锁控制系统设计. 真空科学与技术学报. 2021(06): 524-527 . 
百度学术2. 王茂成，程诚，邹运，胡闯，王强，魏崇阳，赵晨，朱益江，杨扬，付振秋，胡卫杰，王敏文，刘卧龙，赵铭彤，王忠明，王学武. 西安200 MeV质子应用装置控制系统的设计与实现. 现代应用物理. 2021(03): 58-66 . 百度学术3. 康明涛，黄涛，张玉亮，何泳成，王金灿，金大鹏，吴煊，郭凤琴，朱鹏，王林，薛康佳. CSNS加速器真空控制系统的设计与实现. 强激光与粒子束. 2020(08): 66-72 . 本站查看其他类型引用(2)
-
下载:
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 1463
- HTML全文浏览量: 242
- PDF下载量: 132
- 被引次数: 5
