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CSNS加速器真空控制系统的设计与实现

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

康明涛, 黄涛, 张玉亮, 等. CSNS加速器真空控制系统的设计与实现[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200042
引用本文: 康明涛, 黄涛, 张玉亮, 等. CSNS加速器真空控制系统的设计与实现[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200042
Kang Mingtao, Huang Tao, Zhang Yuliang, et al. Design and implementation of China Spallation Neutron Source vacuum control system[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200042
Citation: Kang Mingtao, Huang Tao, Zhang Yuliang, et al. Design and implementation of China Spallation Neutron Source vacuum control system[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200042

CSNS加速器真空控制系统的设计与实现

doi: 10.11884/HPLPB202032.200042
基金项目: 国家“十一五”重大科技基础设施建设项目中国散裂中子源工程((2008)2578)
详细信息
    作者简介:

    康明涛(1977—),男,硕士,工程师,从事加速器控制系统研究;kangmt@ihep.ac.cn

  • 中图分类号: TP273

Design and implementation of China Spallation Neutron Source vacuum control system

  • 摘要: 中国散裂中子源(CSNS)加速器真空控制系统负责真空数据采集、设备监控和闸板阀控制与联锁,是设备运行和故障诊断以及超高真空保持的重要保障。本文介绍了加速器真空需求,基于实验物理及工业控制系统EPICS软件框架的真空控制系统设计与实现,使用横河可编程逻辑控制器PLC控制与联锁设备,摩莎MOXA工控机监测真空状态,EPICS PV数据直接进入声音报警系统和历史数据库系统,为工作人员及时发现和处理问题、进行后续数据分析和机器研究等提供了便捷途径和可靠保障。目前,该系统已完成现场安装和调试,并已正式投入运行。运行结果表明,该系统具有稳定可靠性高、人机交互友好的特点,很好地满足了加速器真空控制系统运行的需要。
  • 图 1  真空控制系统结构图

    Fig. 1  Diagram of the vacuum control system

    图 2  真空控制系统站点分布图

    Fig. 2  Local control station diagram of vacuum control system

    图 3  控制梯形图流程示意

    Fig. 3  Ladder flow chart of vacuum control system

    图 4  离子源厅触摸屏界面

    Fig. 4  Touch screen interface of ion source Hall

    图 5  真空控制系统用户界面主页OPI

    Fig. 5  Main operator interface(OPI)of vacuum control system

    图 6  RFQ区间真空规、离子泵电源电流和闸板阀状态历史曲线

    Fig. 6  the curve of history inquiries for vacuum gauge, ion pump power and valve status of RFQ

    表 1  加速器真空环境需求表

    Table 1  The requirements of vacuum system

    acceleratorvacuum degree// Pa
    ion source(IS)low energy beam transport line(LEBT)2.0×10−32.0×10−3
    radio frequency quadrupole(RFQ)1.0×10−5
    medium energy beam transport line(MEBT)1.0×10−5
    drift tube linac(DTL)1.0×10−5
    linac to ring beam transport line(LRBT)1.0×10−5
    rapid cycling synchrotron(RCS)5.0×10−6
    ring to target beam transport line(RTBT)1.0×10−5
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    表 2  真空系统主要设备统计

    Table 2  The vacuum system devices

    devicemolecular pumpion pumpgaugevalve
    quantity71473034
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    表 3  真空数据电气接口表

    Table 3  Serial ports of vacuum system

    device modelquantityAnaldeuq deuog interfaceCOM
    TPG-300 54 Not used RS-422
    MKS 937B 9 Use Not used
    Ion pump power supply 147 None RS-485
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    表 4  其他系统设备真空压力联锁信号

    Table 4  The interlock signals of other systems

    systemion sourcepower supplylinac RFDTL
    quantity21049
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    [19] 王磊, 康文, 郝耀斗, 宋金星, 霍丽华.  CSNS\RCS引出系统快脉冲冲击磁铁样机的设计 . 强激光与粒子束,
    [20] 邱颖伟, 孙虹, 唐靖宇, 李晓.  快循环同步加速器射频加速电压幅度的数字化控制 . 强激光与粒子束,
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-24
  • 修回日期:  2020-04-22
  • 网络出版日期:  2020-05-25

CSNS加速器真空控制系统的设计与实现

    作者简介: 康明涛(1977—),男,硕士,工程师,从事加速器控制系统研究;kangmt@ihep.ac.cn
  • 1. 中国科学院 高能物理研究所,北京 100049
  • 2. 散裂中子源科学中心,广东 东莞 523803
  • 3. 中国科学院大学,北京 100049

摘要: 中国散裂中子源(CSNS)加速器真空控制系统负责真空数据采集、设备监控和闸板阀控制与联锁,是设备运行和故障诊断以及超高真空保持的重要保障。本文介绍了加速器真空需求,基于实验物理及工业控制系统EPICS软件框架的真空控制系统设计与实现,使用横河可编程逻辑控制器PLC控制与联锁设备,摩莎MOXA工控机监测真空状态,EPICS PV数据直接进入声音报警系统和历史数据库系统,为工作人员及时发现和处理问题、进行后续数据分析和机器研究等提供了便捷途径和可靠保障。目前,该系统已完成现场安装和调试,并已正式投入运行。运行结果表明,该系统具有稳定可靠性高、人机交互友好的特点,很好地满足了加速器真空控制系统运行的需要。

English Abstract

  • 中国散裂中子源(CSNS)主体是由一台负氢离子(H)直线加速器、一台快循环同步加速器(RCS)、两条束流输运线(LRBT和RTBT)、一个靶站、多台谱仪以及相关配套设施等组成。直线加速器将H离子束加速到80 MeV,经剥离后成为质子束流,在20 ms内完成注入、积累、加速到1.6 GeV并同步引出RCS,轰击钨靶,产生高通量中子,中子经慢化后引向谱仪,供用户开展实验研究[1-4]

    加速器真空管道上配备了分子泵、离子泵、真空计和闸板阀等设备,使得真空控制系统可以实现对真空设备的监测、控制和联锁。该系统基于实验物理及工业控制系统(EPICS)软件架构搭建,保证真空设备安全、稳定、可靠地运行,同时解决了信号数量多、分布范围广和交叉作业等问题。为了保证真空控制系统安全、稳定、可靠地运行,需要研制相应的控制系统,以实现对主要设备的远程监测和控制。本文对真空控制系统的设计方案、实现方法和性能测试等进行了阐述。

    • 加速器物理对真空环境需求如表1所示。

      表 1  加速器真空环境需求表

      Table 1.  The requirements of vacuum system

      acceleratorvacuum degree// Pa
      ion source(IS)low energy beam transport line(LEBT)2.0×10−32.0×10−3
      radio frequency quadrupole(RFQ)1.0×10−5
      medium energy beam transport line(MEBT)1.0×10−5
      drift tube linac(DTL)1.0×10−5
      linac to ring beam transport line(LRBT)1.0×10−5
      rapid cycling synchrotron(RCS)5.0×10−6
      ring to target beam transport line(RTBT)1.0×10−5

      加速器真空管道上配备了分子泵、离子泵、真空计和闸板阀等设备,通过这些设备可以维持管道内超高真空进而满足加速器粒子运行环境[5-7]表2统计了加速器真空系统主要设备及其数量。

      表 2  真空系统主要设备统计

      Table 2.  The vacuum system devices

      devicemolecular pumpion pumpgaugevalve
      quantity71473034

      真空控制系统采用分子泵、离子泵和真空计等设备实现数据采集以及设备监控,通过对闸板阀进行控制、联锁以及逻辑判断,可以为机器保护系统提供闸板阀联锁保护信号,并为离子源、磁铁电源、射频系统和漂移管直线加速器提供真空度联锁保护信号。真空历史数据可以协助工作人员及时发现并处理问题,为后续数据分析和机器研究等提供了便捷途径和可靠保障。

    • 真空控制系统基于EPICS软件架构搭建[8-9]。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[10]

      基于EPICS的真空控制系统的结构如图1所示。根据真空系统设备数量较多且分布在整个加速器周围的特点,将真空控制系统分为4个子系统。使用4台MOXA工控机DA682和25台MOXA串口服务器Nport 5650-16获取真空数据,工控机运行基于StreamDevice的IOC,串口服务器将各种类型的串口设备转化为基于网络的设备,方便快捷地扩容各种类型串口设备。采用了4套横河FA-M3 PLC对真空设备的状态进行监控和联锁保护输出,并在每套PLC中同时使用顺控CPU模块(F3SP76-7S)和嵌入式CPU模块(F3RP61-2L)。顺控CPU模块用于实现联锁逻辑,使系统具有简单、稳定和可靠性高的特点;嵌入式CPU模块用于运行EPICS IOC,使可编程逻辑控制器(PLC)中的数据可以直接纳入EPICS系统中。

      图  1  真空控制系统结构图

      Figure 1.  Diagram of the vacuum control system

    • 真空控制系统沿整个加速器设置了8个本地站,各站点的分布如图2所示。真空设备按照地理区域就近接入控制机柜,包括19英寸机架标准机柜和定制控制柜,标准机柜用于安装计算机主机、工控机、串口服务器等,4台1 200 mm×2 100 mm×800 mm的控制机柜放置在本地设备厅,即每个子系统1台。4台控制机柜均为前开门,安装1块用于放置元件的背板,背板主要放置了横河FA-M3 PLC、魏德米勒接线端子和菲尼克斯继电器等。

      图  2  真空控制系统站点分布图

      Figure 2.  Local control station diagram of vacuum control system

    • 真空数据是加速器运行、束流寿命研究和设备故障诊断可靠的依据,具体包括真空度和离子泵电流电压值等。

      真空设备通信接口如表3所示,种类多且各有特点。控制系统使用MOXA串口服务器将串口通讯转为网络通讯,串口服务器模式设置为TCP Server,该模式允许基于StreamDevice的IOC建立连接,通过串口服务器获取数据或者发送数据。MOXA串口服务器NPort 5650-16支持4种不同的串口通讯协议:RS-232、RS-422、RS-485两线制、RS-485四线制。

      表 3  真空数据电气接口表

      Table 3.  Serial ports of vacuum system

      device modelquantityAnaldeuq deuog interfaceCOM
      TPG-300 54 Not used RS-422
      MKS 937B 9 Use Not used
      Ion pump power supply 147 None RS-485

      StreamDevice是一个EPICS通用设备支持模块。一切用字符流作为交互接口的设备都可以使用StreamDevice,这就意味着用户可以通过StreamDevice发送和接收字符串与设备间进行通信。采用字符流作为通信接口的设备包括串口(RS-232、RS-485…)、IEEE-488(GPIB)和以太网等[11-12]

      通过简单ASCII码的协议文件,StreamDevice可以配置能被不同设备类型所识别的指令并且与之通信。在协议文件中,需要根据被控设备的通讯协议来定义输出命令格式和读取的数据存储类型。针对真空系统的各类型真空规及离子泵,开发相关协议文件。

      以读取TPG-300真空规通道A协议为例,对于不需要的数据使用%*后跟格式转化符进行忽略:

      InTerminator=CR LF;

      OutTerminator=CR;

      getPA1{

        out "PA1";

        in "%*s";

        out enq;

        in "%*i,%f";

      }

      在IOC启动引导文件st.cmd中,设置协议文件的路径环境变量,以及与设备通信的具体参数,通过网络与外部进行通信,串口服务器IP地址为10.1.200.82,配置如下:

      #指定协议文件在当前目录

      epicsEnvSet("STREAM_PROTOCOL_PATH",".")

      #定义设备IP及端口命名

      drvAsynIPPortConfigure("MOXA_COM1","10.1.200.82:4001")*TPG-300真空规通道A

      为了让EPICS记录(Record)使用StreamDevice,设置DTYP域(Field)为“Stream”,INP或OUT域的形式为“@ file protocol bus”,其中file为协议文件的名字,protocol为具体的协议,bus为与之通信的设备名,同时设置记录的相关域:扫描周期、CALC域和报警域等。

    • 基于横河FA-M3 PLC顺控CPU模块F3SP76-7S自主开发控制梯形图,其流程如图3所示,实现了信号的输入、控制与联锁逻辑运算、控制继电器信号输出等功能[13]

      图  3  控制梯形图流程示意

      Figure 3.  Ladder flow chart of vacuum control system

    • 为了保证闸板阀安全,真空系统要求只有当闸板阀两侧的真空压力Pi和Pj达到设计压差时,可以允许打开闸板阀,而对于关闭闸板阀没有限制。为了防止误操作,操作员只能通过触摸屏Beijer X12开关插板阀,图4是安装在离子源厅PLC控制机柜上触摸屏界面。

      图  4  离子源厅触摸屏界面

      Figure 4.  Touch screen interface of ion source Hall

    • 为了确保真空环境不被破坏和设备安全,只要下面任何条件成立,程序立即执行关闭闸板阀:(1)横河PLC故障;(2)闸板阀两侧的真空压力Pi和Pj同时报警;(3)分子泵故障。分子泵在正常运转的情况下,转速达36 000转/min,如果进入大量气体,分子泵的叶片会破碎。

    • 为了保证其他系统设备安全、稳定、可靠地运行,防止因真空变差而造成损害,一些设备要求接入真空规真空压力报警信号,具体如表4所示。

      表 4  其他系统设备真空压力联锁信号

      Table 4.  The interlock signals of other systems

      systemion sourcepower supplylinac RFDTL
      quantity21049

      为了减少从其他系统设备至本地设备厅间线缆的数量,提高接线的灵活性同时降低调试的难度,在3台控制机柜增加转接端子排,每个真空规对应1根6芯电缆进入控制机柜,通过转接端子排转接汇总后使用6芯电缆与其他系统设备连接。

    • 为了防止因在束流线上闸板阀突然关闭导致被束流损害,机器保护系统(MPS)接入闸板阀工作状态,闸板阀只有在开限位允许加速器有束流,否则将联锁束流保护闸板阀。

      经过测试,VAT全金属阀关闭时间是4 s,机器保护系统响应时间小于20 ms,机器保护系统联锁束流保护闸板阀满足实际要求。

    • 真空控制系统使用CSS开发用户界面,界面可以显示真空设备的工作状态,例如闸板阀、分子泵和真空规等,如图5所示。

      图  5  真空控制系统用户界面主页OPI

      Figure 5.  Main operator interface(OPI)of vacuum control system

    • 真空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:通过对比OPI上显示的状态与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;对于机器保护系统MPS联锁保护信号,则通过与MPS对比收发信号是否一致来判断信号通路是否正确。结果表明,所有信号通路正确。

    • 通过人为设置真空规控制器阈值,制造报警信号对闸板阀联锁保护功能进行了测试;通过关闭闸板阀的方式对与MPS间的联锁保护功能进行了测试。结果显示,闸板阀与MPS的联锁保护功能均满足设计要求。

    • 测试了真空控制系统的功能能否满足真空系统运行的需要,包括控制界面上的显示值是否真实有效、设备动作是否正确等。结果表明,真空控制系统的功能满足真空系统运行的需要。

    • 通过长时间连续运行的方式对真空控制系统的稳定可靠性进行了测试,以RFQ区间真空规、离子泵电源电流和闸板阀状态6路信号为例,信号历史曲线如图6所示,由此可见,历史曲线均为连续曲线,未出现中断的情况,当闸板阀关闭,真空规和离子泵电源信号相应改变,而且当真空规超过报警阈值时,均能正常发出报警信息。测试结果表明,真空控制系统具有稳定、可靠性高的特点。

      图  6  RFQ区间真空规、离子泵电源电流和闸板阀状态历史曲线

      Figure 6.  the curve of history inquiries for vacuum gauge, ion pump power and valve status of RFQ

    • 真空控制系统可以实现真空数据的采集和设备监控,通过对闸板阀进行控制和联锁,为机器保护系统提供闸板阀联锁保护信号,为离子源、磁铁电源、射频系统和漂移管直线加速器提供真空度联锁保护信号,从而为真空系统安全、稳定、可靠地运行打下了坚实的基础。与此同时,真空控制系统作为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,为工作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。

参考文献 (13)

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