加速器控制系統

加速器控制系統是大型控制系統，系統中被控設備可達到數萬台，硬體信號的數量多達幾十萬甚至上百萬個。加速器控制系統最終控制的對象是在真空管道中高速運行的帶電粒子。

基本介紹

• 中文名：加速器控制系統
• 外文名：accelerator control system
• 原理：大型控制系統
• 控制對象：帶電粒子
• 特點：規模龐大、設備種類繁多
• 核心：資料庫

背景

高能加速器控制系統是大型控制系統，系統中被控設備可達到數萬台，硬體信號的數量可達幾十萬甚至上百萬個，它最終控制的對象是在真空管道中高速運行的帶電粒子，因此控制系統需要有很高的可靠性、控制精度和實時回響速度。

一般來講，加速器控制系統應該是具有設備監控的功能，提供加速器調束軟體，具有友好的圖形人機操作界面，以資料庫為核心的信息管理系統。控制系統還應有加速器的定時系統和設備及人身安全連鎖保護系統等。高能加速器規模龐大、設備種類繁多，使得控制系統變得很複雜，它涉及計算機技術、網路通訊技術、電子學及數位訊號處理、資料庫技術、軟體開發和系統集成技術等，因此控制系統的研發是一項複雜的系統工程。

介紹

近年來，國內外加速器控制系統普遍採用了分散式體系結構，也稱為“標準模型”。邏輯上分為操作員接口級、前端控制級和設備控制級。不同級別的設備之間使用網路和現場匯流排進行數據通訊．除了中央伺服器和控制台計算機之外，VME處理器和PC機常用作前端控制計算機，PLC、智慧型控制器和I/O模組用於現場設備控制。

控制系統的軟體也可分為三層，即客戶級、服務級 和實時控制級．在客戶級運行操作員界面，提供調束軟體．服務級一般配置大型伺服器計算機。安裝關係資料庫系統，運行調束軟體、線上計算作業和高層控制軟體，進行故障報警管理和歷史數據存儲等．實時控制級安裝實時作業系統和實時資料庫，運行設備驅動程式和現場控制程式等。

目前國際加速器界在控制系統設計和建造方面已經達成共識，即控制系統應該採用分散式體系結構，使用系統集成工具進行開發，儘可能多地採用商業硬體產品，採用標準化的硬體和軟體和先進成熟的技術，設計時還應考慮系統擴充的可能性。

系統集成

加速器等大型控制系統開發的主要任務是系統集成。近年來由於大規模積體電路的發展，控制系統硬體基本上實現了商品化和模組化，只有部分專用模組需要自行研發。系統研製的主要工作量是軟體開發，包括人機界面、分散式資料庫、網路通訊和控制套用等，全部手工編程十分困難。目前加速器控制系統普遍採用系統集成工具進行開發，使得建成的系統是標準化的、開放的系統，延長了軟體的生存周期，提高了系統的可靠性和可維護性。

目前主流的系統集成工具有美國LANL和ANL聯合開發的EPICS系統，是開放的軟體，廣泛地用於高能加速器控制系統中。目前國際上有140餘家實驗室和大學的控制系統採用，中國的NSRL，BEPCII，SSRF都採用了EPI CS系統。EPICS用於建立控制系統的軟體構架，它可以在前端機上自動建立分散式的實時資料庫，提供透明的網路通訊，具有VME、CAMAC等數百種設備的驅動程式、提供圖形人機界面開發工具和控制系統常用的套用軟體，比如故障報警管理，歷史數據歸檔，二維圖形顯示等，用戶通過配置檔案或對話框建立套用，大大減少了程式開發的工作量．它也提供腳本語言SNL支持多種語言編程。目前新推出的EPICSR3.14版本支持多作業系統平台的IOC，包括VxWorks ，Linux，Windows，RTEMS等；用新的Web CA可建立Web操作界面；JavaIOC，Redundant IOC和基於Eclips的新的OPI開發工具CSS正在研發之中。

TANGO是歐洲同步輻射光源ESRF，ELETTRA，SOLEI L和ALBA聯合開發的系統集成軟體包。它適用於基於CORBA的控制系統，同樣提供網路透明的訪問，提供各種軟體開發工具。TANGO由Device Servers和Static Database組成，支持Linux、Windows、Sun Solaris作業系統，提供豐富的應用程式接口函式館，支持多種語言編程。

組態軟體SCADA是商業產品，與EPICS的功能類似，廣泛用於工業過程控制．市場上有一百多種SCADA產品，它們主要支持Windows平台、PLC和PCI匯流排設備，常用於加速器安全連鎖保護系統、真空、水冷、公用設施和譜議高壓等慢速控制系統中。

硬體技術進展

在硬體技術方面，FPGA、DSP晶片的套用，基於單片機的智慧型控制器和事件定時系統是當前的熱點．現場可程式門陣列FPGA和DSP晶片廣泛地用於加速器控制系統硬體模組中，對設備進行數位化控制，比如數位化電源、高頻低電平控制、數字BPM，以及相控和定時系統等。其基本結構有兩種，一種是由FPGA、DSP晶片組成，另一種採用帶有片上可程式系統的FPGA晶片設計模組，FPGA編程一般使用VHDL語言。

許多實驗室在高頻低電平控制系統中採用了基於FPGA技術的控制模組．比如美國Cornel l大學和JLAB聯合研製的LLRF控制器採用了2個Xilinx Virtex-II XC2V 1000-4的FPGA晶片和2個DSP晶片，以及外圍的ADC/DAC晶片具有乙太網、RS232、VME匯流排接口。該低電平控制器可以實現各種高頻控制功能，如迴路控制，失超探測、速調管高壓控制、調諧器控制、反饋控制和高壓電源紋波前饋控制、超導腔控制、系統狀態監測等。Libera數字BPM是商業產品，由模擬模組、數字模組和單板機組成．它有EPICSIOC和TANGOServer接口，可直接掛在乙太網上使用．國內中科院高能物理研究所和上海套用物理研究所都研發了基於FPGA的數字電源控制器，中科院蘭州近代物理研究所也研製了基於ARM和FPGA的通用智慧型控制器。

硬體技術的第二個熱點是基於單片機的設備智慧型控制器，尤其是嵌入式IOC的研製．美國APS，JLAB等實驗室研製了基於FPGA和ColdFire處理器的嵌入式IOC，安裝RTEMS實時作業系統和EPICSR3.14，有乙太網、CAN匯流排和RS232接口．另一類嵌入式IOC則採用一般的單片機，安裝Linux作業系統和EPICSIOC。也有乙太網、VME匯流排或RS232接口。

事件定時系統主要部件是基於FPGA的事件發生器和事件接收器，它用軟體方法分頻和定義時序，調節靈活、精度高，許多實驗室已經或正在採用以取代硬體的定時系統。

軟體開發環境

在軟體方面，除了上述系統集成工具之外，各大實驗室都建立了自己的軟體開發環境，對軟體開發進行標準化管理．軟體開發環境一般包括OPI 和控制套用的函式館，透明的網路通訊管理，程式開發環境(IDE)等。大型加速器的軟體開發環境有CERN/LHC的LSA/UNICOS，德國DESY的TINE/DOOCS，日本Spring-8的MADOCA，射電天文望遠鏡使用的ACS，及核巨變裝置使用的MDSplas 等。調束軟體是實現加速器物理目標的重要手段，國內外主要高能加速器都有自己的調束軟體的開發環境，如KEKB的SAD，APS的SDDS，JLAB的CDEV，SNS的XAL，SLAC/Spear III 的Matlab，RHIC的UAL等。

Eclips 是當今熱門的軟體開發平台．它是IBM公司投資4000萬美元研發的，是一個開放原始碼的基於Java的軟體．Ecl i ps採用外掛程式( Plug- in) 構架，任何用戶套用都可以作為一個外掛程式納入Eplics體系中。Eclips有許多功能，它可以作為Java JDE使用，支持從軟體建模、自動生成、單元測試、性能測試到配置管理的完整軟體開發過程．目前國際上100多家公司支持Eclips，他們在Eclips平台上開發了許多大型商業軟體．在加速器界Eclips的使用正在升溫，CSS是Eclips 套用的亮點。CSS是EPICS新的客戶方軟體，使用Java語言開發，準備取代目前基於X—Window/Motif 的OPI工具。CSS將開發EPICS和TANGO的接口，使得CSS的OPI 可以訪問控制系統的前端數據．另外澳大利亞ANST0在Eclips平台上研發了Gum-Tree 軟體包，開發了控制套用及EPICS，TANGO，SICS接口，目前正在開發仿真和數據分析軟體．斯洛維尼亞的CosyLab公司研發了控制系統客戶方軟體開發工具Abeans，是開放的軟體，它具有EPICS，TANGO，CDEV，TINE和ACS接口，用戶可以從Abeans界面訪問上述控制系統的實時數據．另外Oracle資料庫和電子日誌系統E-Logbook也是加速器常用的軟體工具。

系統安全

系統安全十分重要。在系統設計、開發和運行中有許多保證安全的策略，比如採用模組化和分散式體系結構、使用商業產品、減少控制設備和協定的種類、設備的冗餘和備份。對系統進行分級保護，即建立硬體和軟體的分級結構，區分核心功能、非基本功能和可選功能分別採取不同的保護措施。許多時候系統不安全問題是人為因素造成的，因此對相關人員也要進行嚴格管理。網路安全方面，除了採取防火牆、gateway、虛擬網段等管理手段外，防病毒網關可以較為有效地防止病毒入侵。日本Spring-8實驗室，使用InterSpect 防病毒網關後．來自光束線用戶筆記本電腦的病毒再沒有發生過入侵事故．控制系統高可用性研究(High Avail ability) 是當今具有挑戰性的課題。對於大型控制系統來說，如果系統的可用性要求為99%的話，則子系統到機箱級的可用性需要高達99.99%或99.999%。因此國際直線對撞機IC控制系統開展了HA研究，包括系統設計的HA研究，保證可靠運行的HA研究，以及失效模型分析、失效檢測算法和避免衝突策略的研究等。其中從系統到子系統級的雙機熱備的研究是一個重點。

據了解I LC準備使用ATCA取代VME作為前端控制計算機。因為ATCA可以高速傳輸數據，有全套的雙冗餘部件，其可用性可達99.999%。目前ILC正在研發ATCA標準的控制模組，進行EPICS IOC冗餘系統的研究。