發(fā)布時間：2020-11-05 19:23

　　 加速器控制系統(tǒng)一般是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng),遵循所謂的“標準模型”(Standard Models),由三部分組成:the Operator Interface、Data Communication、the Front-end Computers。數(shù)據(jù)通信在加速器控制系統(tǒng)中起著紐帶的作用。隨著加速器規(guī)模的增大和復(fù)雜度的提高,對數(shù)據(jù)通信性能的要求越來越高,而實時性是影響控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素,開展這方面的應(yīng)用研究具有非常重要的工程應(yīng)用價值。Ethernet POWERLINK(簡稱POWERLINK)作為一種開源實時以太網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域,特別是有高實時性需求的場合,例如高性能的同步運動控制應(yīng)用,但是在加速器控制領(lǐng)域,與POWERLINK相關(guān)的研究和應(yīng)用還很少。EPICS作為加速器控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的開發(fā)平臺,目前還未見與POWERLINK相關(guān)的應(yīng)用與研究。本論文將POWERLINK實時以太網(wǎng)技術(shù)和EPICS結(jié)合起來,開展了一系列的應(yīng)用研究工作。首先對POWERLINK通信協(xié)議進行了分析和性能測試�；�于POWERLINK協(xié)議棧的開源實現(xiàn)版本openPOWERLINK,我們分別搭建了基于RT-Linux PC和FPGA軟核的兩套測試系統(tǒng)。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀netANALYZER和Wireshark軟件抓取并分析了 POWERLINK數(shù)據(jù)幀,掌握了 POWERLINK協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和通信機制,并測試了兩套系統(tǒng)的通信周期。我們還根據(jù)測試系統(tǒng)的實測通信參數(shù),發(fā)展了理論計算和仿真建模兩種方法來估算POWERLINK系統(tǒng)的通信周期。其次設(shè)計了 EPICS環(huán)境下基于千兆POWERLINK的分布式IO系統(tǒng)。系統(tǒng)從站采用基于Zynq的控制器,主站是一臺RT-Linux PC,PC上運行了 IOC應(yīng)用程序和內(nèi)核空間下的openPOWERLINK主站程序,基于進程間Socket通信開發(fā)了相應(yīng)的EPICS設(shè)備驅(qū)動程序。我們搭建了 1個主站和10個從站組成的測試系統(tǒng),測試系統(tǒng)的通信周期最快可到275μs,控制器本地響應(yīng)時間約為400μs,系統(tǒng)全局響應(yīng)時間為870μs。通過對系統(tǒng)測試結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)從站的光耦延時和主站響應(yīng)延時是影響系統(tǒng)性能的主要因素。針對這兩點,我們設(shè)計了相應(yīng)的改進方案,改進方案的主從站均采用Zynq控制器來實現(xiàn),從站控制器的輸入/輸出接口電路采用ADuM1400高速數(shù)字隔離器�；�于改進方案我們搭建了由1個主站和5個從站組成的測試系統(tǒng),系統(tǒng)的通信周期最快可到50μs,從站的本地響應(yīng)時間為5μs,系統(tǒng)全局響應(yīng)時間為160μs,測試結(jié)果表明改進方案的實時性能明顯得到了提升。根據(jù)改進方案的實測結(jié)果,我們進一步完善了理論計算和仿真建模方法,從而為POWERLINK的應(yīng)用設(shè)計提供了依據(jù)。最后基于千兆POWERLINK設(shè)計了合肥先進光源設(shè)備保護系統(tǒng)(Hefei Ad-vanced Light Facility Equipment Protection System,HALF EPS)。HALF 是由國家同步輻射實驗室提出的第四代基于衍射極限儲存環(huán)的同步輻射光源,目前正在開展HALF預(yù)研工程建設(shè)。HALF EPS由注入器分總體EPS和儲存環(huán)分總體EPS組成,各分總體EPS基于獨立的千兆POWERLINK設(shè)計,聯(lián)鎖控制器采用Zynq控制器。我們對HALF EPS的聯(lián)鎖保護邏輯進行了描述,統(tǒng)計了聯(lián)鎖信號的數(shù)量。通過理論計算和仿真建模兩種方法估算了注入器EPS的響應(yīng)時間分別為802.100μs和798.184μs,儲存環(huán)EPS的響應(yīng)時間分別為1.643ms和1.634ms,均滿足10ms響應(yīng)時間的設(shè)計指標。最后基于Archive Appliance設(shè)計了 HALF EPS的歷史數(shù)據(jù)存檔與查詢系統(tǒng),基于Phoebus/Alarms設(shè)計了 HALF EPS報警系統(tǒng)。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TL503.6
【部分圖文】：

工程項目都采用ＥＰＩＣＳ作為控制系統(tǒng)的軟??件開發(fā)平臺＆１２］。在國內(nèi)，ＥＰＩＣＳ己成功應(yīng)用于近年來相繼完成的ＨＬＳ－ＩＩ、北京??正負電子對撞機重大改造項目（ＢＥＰＣ＿ＩＩ）、上海同步輻射光源（ＳＳＲＦ）、中國散??列中子源（ＣＳＮＳ）等大型科學工程項目［１３“６］，目前正在建設(shè)中的上海硬Ｘ射線??自由電子激光裝置（ＳＨＩＮＥ）和髙能同步輻射光源（ＨＥＰＳ）等項目也采用ＥＰＩＣＳ??作為控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺［１７＿１８］。ＥＰＩＣＳ控制系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制??系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖１．１所示，遵循所謂的“標準模型”（ＳｔａｎｄａｒｄＭｏｄｅｌｓ＾１９１，從??上到下分為三層，分別為管理層（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ?ｃｏｎｔｒｏｌｓ）、前端控制層（Ｆｒｏｎｔ?Ｅｎｄ??Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）和設(shè)備控制層（Ｄｅｖｉｃｅｓ?Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）。??數(shù)據(jù)庫?文件服務(wù)器?ＯＰＩ?ＯＰＩ?ＯＰＩ??、一?…彳?｜管理層??ｉ４ｌｉｒ?＊＊＊??ＩＯＣ?ＩＯＣ?ｔｏｅ??１１?ＵＬｐ?ｌｉ?ＩＱＤＤ—ｌｉｉ?１ｊ?????Ｑｊ?Ｄｊ?！?？？？?ＶＭＥ／ｃＰＣＩ?｜?前端控制層??ｊ?Ｉ?１?丨?ＰＬＣ／ＦＰＧＡ??現(xiàn)場總線????????ｍｉ?｜?ＰＬＣ?設(shè)備控制層??設(shè)各?ｌｌ?■?１??ｌｌ?＾??控制器??＝題…?畫…??圖１．１基于ＥＰＩＣＳ的控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖??？管理層（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ?ｃｏｎｔｒｏｌｓ）??位于系統(tǒng)最上層是管理層，由ＯＰＩ和服務(wù)器系統(tǒng)組成。其中，ＯＰＩ給操作人??員提供了交互界面，操作人員通過ＯＰＩ監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)送控制命令。服??務(wù)器系

第１章緒?論???擴展從而提高實時性能，這就是實時以太網(wǎng)（Ｒｅａｌ?Ｔｉｍｅ?Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ＲＴＥ）。??實時以太網(wǎng)是指在不改變ＩＳＯ／ＩＥＣ８８０２－３的通信特征、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)組件或??ＩＥＣ１５８８的總體行為基礎(chǔ)上，通過一定程度的修改，使之滿足實時行為。實時??以太網(wǎng)既保持了普通以太網(wǎng)高通信速率等優(yōu)勢，又提高了其實時性、確定性、可??靠性［２１］。根據(jù)實現(xiàn)機制和工業(yè)控制領(lǐng)域的實時性等級，實時以太網(wǎng)可以劃分為??ｃｌａｓｓ?Ａ、ｃｌａｓｓ?Ｂ和ｃｌａｓｓ?Ｃ三類［２２］，如圖１．２所示，一種實時以太網(wǎng)可以同時支持??不同的技術(shù)實現(xiàn)方案，例如Ｅｔｈｅｍｅｔ／ＩＰ既有支持Ｃｌａｓｓ?Ａ的方案，也有支持Ｃｌａｓｓ??Ｃ的方案。Ｃｌａｓｓ?Ａ類別的實時以太網(wǎng)保持ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議簇不變，保留傳輸層及??以下的協(xié)議，只在應(yīng)用層做了實時性修改，所以這種協(xié)議雖然可以直接接入普??通以太網(wǎng)，但是并未克服普通以太網(wǎng)的原有缺陷，實時性不高，Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ和??￡１１＾１＂１＾１／＾實時以太網(wǎng)屬于（：１３５５人類型的協(xié)議。＜：１３５５?８類別實時以太網(wǎng)棄用了??ＴＣＰ／ＩＰ的傳輸協(xié)議，在數(shù)據(jù)鏈路層及以上使用自定義的數(shù)據(jù)通信機制，物理層??使用標準以太網(wǎng)的通信硬件，該類別實時以太網(wǎng)的實時性較強，一般可滿足高性??能的同步運動控制應(yīng)用的實時需求，ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ和ＰＲＯＦＩＮＥＴＲＴ等實時以太??網(wǎng)屬于Ｃｌａｓｓ?Ｂ類型的協(xié)議。Ｃｌａｓｓ?Ｃ類別的實時以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)鏈路層使用自定義??的數(shù)據(jù)通信機制的同時，在物理層使用了專用的網(wǎng)絡(luò)通信硬件，該類別實時性能??最好，ＥｔｈｅｒＣＡＴ和ＰＲＯＦＩＮＥＴ?ＩＲＴ等實時以太網(wǎng)屬于這類協(xié)議，Ｅｔ

ｔ?１?Ｔａｎｇｏ??（Ｔｅｍｐｏｒａｌ?Ａｒｃｈｉｖｉｎｇ）?ＡｆｂａＰＬＣ?Ｄｅｖｉｃｅ?Ｓｅｒｖｅｒ??Ｔａｎｇｏ?Ｍｏｄｂｕｓ?Ｄｅｖｉｃｅ?Ｓｅｒｖｅｒ??ＭＯＤＢＵＳ／ＴＣＰ??????Ｓｅｃｔｏｒ?ＶＬＡＮ??ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ?ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ??…?ＰＬＣ?ＣＰＵ???ＰＬＣ?ＣＰＵ???ＰＬＣ?ＣＰＵ?…??Ｘ２Ｘ?Ｘ２Ｘ?Ｘ２Ｘ??ＰＬＣ?ＰＥＲＩＰＨＥＲＹ?ＰＬＣ?ＰＥＲＩＰＨＥＲＹ?ＰＬＣ?ＰＥＲＩＰＨＥＲＹ??圖１．３?ＡＬＢＡ設(shè)備聯(lián)鎖保護系統(tǒng)架構(gòu)圖??ＡＬＢＡ的設(shè)備保護系統(tǒng)主要包括六個子系統(tǒng)，分別是：真空、磁鐵、射頻、??插入件、前端設(shè)備和光束線。每條光束線都有一個獨立的設(shè)備保護系統(tǒng)系統(tǒng)，并??全部接入到加速器的設(shè)備保護系統(tǒng)中。每個子系統(tǒng)除了本地保護邏輯之外，當子??系統(tǒng)中某些設(shè)備狀態(tài)異常時時，設(shè)備保護系統(tǒng)應(yīng)立即通知其他相關(guān)子系統(tǒng)做出??保護動作。例如，當真空閥由于真空管道中的壓力超過閾值而關(guān)閉時，設(shè)備保護??系統(tǒng)應(yīng)立即關(guān)閉高頻系統(tǒng)并切斷束流。每個子系統(tǒng)由相關(guān)ＰＬＣ負責，子系統(tǒng)之??間的聯(lián)鎖信號都是通過ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ進行傳輸。??１．２．２?ＣＥＲＮ在輻射區(qū)域關(guān)于ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ的應(yīng)用研究??歐洲核子中心（Ｃｏｎｓｅｉｌ?ＥｕｒｏｐＳｅｎｎ?ｐｏｕｒ?ｌａ?Ｒｅｃｈｅｒｃｈｅ?Ｎｕｃｌｄａｉｒｅ，ＣＥＲＮ）位于瑞??士日內(nèi)瓦，是世界上最大的粒子物理實驗室，建設(shè)了包括周長２６．７千米的大型??強子對撞機（Ｌａｒｇｅ?Ｈａｄｒｏｎ?Ｃｏｌｌｉｄｅｒ，ＬＨＣ）、周長６．９千米的超級質(zhì)子同步加速器??（Ｓｕｐｅｒ?Ｐｒｏｔｏｎ?Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏ
【參考文獻】

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本文編號：2872074