CSNS伴生质子束实验平台控制系统研制.pdf

第卷第期年月核电子学与探测技术 伴生质子束实验平台控制系统研制何泳成，吴煊，张玉 亮，朱鹏，王林，薛康佳（中 国科学院高能物理研究所，北京；散裂中子源科学中心，东莞；中 国科学院大学，北京）摘要：中 国散裂中子源（）伴生质子束实验平台是利用直线加速器伴生的弱流中能质子建设的质子辐照应用平台。使用国产和控制器，研制了基于软件架构的控制系统。该控制系统主要由运动控制系统和真空控制系统两部分组成，实现了对伴生质子束实验平台主要设备的监测和控制，现场运行稳定可靠，很好地满足了伴生质子束实验平台的需要。关键词：中 国散裂中子源；伴生质子束实验平台；控制系统；国产；中图分类号：文献标志码：文章编号：（）中 国散裂中子源（）主要由台负氢直线加速器、台快循环质子同步加速器、条束流输运线、个靶站、多台谱仪及相应的配套设施组成。负氢离子束在直线加速器中加速和传输时，会与真空管道中的残余气体相互作用，少部分负氢离子被剥离成质子，即伴生质子，这部分质子会随着负氢离子束传输到直线加速器末端。将这部分伴生质子引出，并在隧道中搭建伴生质子束实验平台，即可开展质子辐照应用相关的实验及测试研究。图所示为伴生质子束实验平台示意图，其主要由限流器、降能器、准直器、真空样品 台、大气样品台、法拉第筒、真空管道、真空阀门、真空计、真空泵组和废束站等组成。为了保证伴生质子束实验平台能够满足用户实验的需要，研制了相应的控制系统，实现了对伴生质子束实验平台主要设备的监测 和控制。本文对伴生质子束实收稿日期基金项目：国家自然科学基金大科学装置联合基金项目（）。作者简介：何泳成（），男，硕士，高级工程师，从事加速器及束线控制研究。由赚：。验平台控制系统的功能、设计、实现和测试等进行了阐述。系统功能伴生质子束实验平台的主要被控设备如表所示。根据被控设备的类型，可将伴生质子束实验平台控制系统分为运动控制系统和真空控制系统两部分。运动控制系统的功能是通过控制限流器、降能器、准直器、真空样品台和法拉第筒内步进电机的运动，实现对各设备内运动部件的监测和控制，使直线运动部件的重复定 位 精 度优于，旋转运动部件的重复定位精度优于。真空控制系统的功能是实现对真空阀门、真空计、分子泵和离子泵等真空设备的监测和控制，使伴生质子束实验平台真空管道内的真空度优于（，并实现真空阀门与真空计报警信号间 的联锁保护功能。图伴生质子束实验平台示意图表伴生质子束实验平台的主要被控设备设备步进电机真空阀门真空计分子泵离子泵数量系统设计加速器控制系统是基于分布式实时控制软件架构搭建的，。为了充分利用现有的数据存储和信息发布系统的资源，伴生质子束实验平台控制系统也基于软件架构搭建，且作为一个子系统纳入加速器控制系统。此前，国内加速器控制系统主要使用横河、西门子、倍福及菲尼克斯等国外品牌的和控制器。随着国际环境的变化及国产的发展，在综合考虑货期、经费和国产化需求等方面因素后，选用国产汇川 和控制器作为伴生质子束实验平台控制系统的主要控制设备。伴生质子束实验平台控制系统的结构如图所示，可分为个层次：操作员接口层（）、控制设备层和被控设备层。操作员接口层主要由控制台的机组成，用于运行人机交互界面，显示各设备的运行状态，并提供对设备进行操作的接口。控制设备层主要包括汇川和控制器等控制设备。其中，汇川用于实现运动控制系统和真空控制系统的底层控制逻辑；汇川控制器用于运行程序，并通过基于以太网的协议与汇川通信。被控设备层由伴生质子束实验平台的步进电机、真空阀门、真空计、分子泵和离子泵等各种被控设备组成。控制台机響控制台机響层以太网汇川控制器（）以太网控制设备层汇川 “？锐獲歩迸麗动：及腿麵細门图伴生质子束实验平台控制系统结构图系统实现运动控制考虑到伴生质子束实验平台所在位置有一定的辐射剂量，使用锐特两相步进电机驱动限流器、降能器、准直器、真空样品 台和法拉第筒内的运动部件进行开环运动。为了简化 接线并节省 空间，使用锐 特步进驱动器匹配锐特两相步进电机为基于（）标准框架的总线型步进驱动器，符合标准，数据传输速率可达，其主要参数设置如表所示。表的主要参数设置电机分辨率（）运行模式空闲时间空载电流百分比循环同步位置 锐特步进驱动器与汇川间通过总线 连接，其示意图如图所示。通过使用总线，不仅提髙了运动控制系统的可靠性及抗干扰能力，同时也增强了故障诊断功能，使步进驱动器过压、过流等故障信号可通过总线直接传输至汇川。图步进驱动器与汇川连接示意图使用汇川配套的（）软件进行运动控制系统底层控制逻辑开发，主要使用的运动控制 指令包 括、和等。为能与正常通讯，需要将设置为从站，且需要指定变量的具体地 址。以实现轴 故障复位的为例，列出其变量定义和实现语句如下：；一：；一（：，：，）；真空控制在真空控制系统中，汇川主要用于采集真空计报警信号、真空阀门开关限位信号和分子泵状态信号，并根据人工操作情况和真空计报警信号状态进行联锁逻辑运算和输出，控制真空阀门的动作，其流程如图所示。真空阀门设计有手动和联锁两种控制模式，在手动模式，只有真空阀门两侧的真空计同时报警或同时不报警（即两侧压差小于设定值）时才允许打开真空阀门；在联锁模式，寘空阀门两侧的真空计同时报警时会立即关闭真空阀门。图真空阀门的控制 流程与运动控制系统一致，真空控制系统底层控制逻辑使用汇川 配套的（）软件进行开发，为了能与正常通讯，也需要将设置为从站，且需要指定变量的具体地址。除了接人汇川 的开关量外，使用串口服务器通过通信接口将真空计、分子泵和离子泵的具体真空度、电压和电流等数据采集到真空控制系统中。及程序运动控制 和真空控制的程序分别运行在两台汇川控制器中，控制器及软件主要信息 如表所示。程序通过驱动实现与汇川通信，主要使用、和类型记录实现对开关量输人、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出变量的读写，对应的功能码分别为、和。伴生质子束实验平台控制系统的操作界面使用（）开发。其主界面显示了伴生质子束实验平台控制系统的主要信息，如图所示。点击主界面的“解锁”按钮，可解锁操作限制，并可打开更详细的操作界面。表控制器及软件主要信息型号内存操作系统 驱动图伴生质子束实验平台控制 系统主界面控制机柜为了节省空间，将伴生质子束实验平台运动控制系统和真空控制系统的主要控制设备集成在同台宽深高为的控制机柜内。控制机柜内部共安装块用于放置控制设备的背板，其中块背板的布局如图所示，主要放置了空气断路器、开关电源、汇川、汇川控制器、继电器和接线端子等。主要性能测试运动控制系统重复定位精度测试在限流器、降能器、准直器、真空样品台及法拉第筒完成机械组装和控制调试后，使用激光跟踪仪对各设备内运动部件的重复定位精度进行了测试。测试结果表明，限流器、降能器、准直器和法拉第筒内直线运动部件的重复定位图控制机柜的内部布局精度优于，真空样品台内旋转运动部件的重复定位 精 度优于，均满足设计要求。真空控制系统联锁保护测试与真空组相关人员一起，对真空阀门与真空计报警信号间 的联锁保护功能进行了现场测试。测试结果表明，真空阀门与真空计报警信号间的联锁保护功能满足设计要求。稳定可靠性测试通过长时间运行的方式测试了系统的稳定可靠性。自年月完成调试并投人使用以来，伴生质子束实验平台控制系统一直连续稳定运行，证明该系统具有 稳定可靠性高的特点。结论针对伴生质子束实验平台主要设备的控制需求，使用国产和控制器研制了相应的控制系统，实现了对伴生质子束实验平台主要设备的监测和控制。不仅为伴生质子束实验平台顺利开展用户实验打下了坚实的基础，同时也为国产化设备在加速器控制系统中的应用和推广积累了必要的经验。参考文献：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：赵籍九，尹兆升粒子加速器技术北京：高等教育出版社，：周月，李康宁，游曲波，等一种测量重核素的小型高压型加速器控制系统的研制原子核物理评论，（）：，（）（），（）：，（）：单春荣，刘 艳强，郇极工业以太网现场总线及驱动程序设计制造业自动化，（）：何泳成，王春红，吴煊与设备通信的一种方法核 技术，（）：康明涛，黄涛，张玉亮，等加速器真空控制系统的设计与实现强激 光与粒子束，（）：吴煊，王春红，王金灿，等？基于的数字电源控制器的远控设计与实现核电子学与探测技术，（）：，（，（），；，；，）：（）（），：；