PXI在重離子加速器－冷卻存儲(chǔ)環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

HIRFL-CSR工程
蘭州近代物理所HIRFL-CSR（重離子加速器－冷卻存儲(chǔ)環(huán)）工程是國家九五重點(diǎn)國家重大科學(xué)工程。HIRFL-CSR是一個(gè)集加速、累積、冷卻 、儲(chǔ)存、內(nèi)靶實(shí)驗(yàn)及高分辨測(cè)量于一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。
蘭州近代物理所HIRFL-CSR包括：主環(huán)（CSRm）、實(shí)驗(yàn)環(huán)(CSRe)、束運(yùn)線、放射性束(RIB)分離器、實(shí)驗(yàn)探測(cè)裝置。主環(huán)周長161米，最高加速能量為900MeV/u(12C6+)和400MeV/u(238U72+)，試驗(yàn)環(huán)周長129米，最大接收能量為600MeV/u (12C6+)和400MeV/u(238U90+)，束線總長473米，磁鐵總重量1451噸，磁鐵電源總功率8234千伏安，建筑面積約17000平方米。
蘭州近代物理所HIRFL-CSR系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1。

圖1  蘭州近代物理所HIRFL-CSR系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)示意圖
HIRFL－CSR控制系統(tǒng)包括磁鐵系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)、注入引出系統(tǒng)、電子冷卻系統(tǒng)、內(nèi)靶系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和準(zhǔn)直與測(cè)量系統(tǒng)。HIRFl-CSR系統(tǒng)的架構(gòu)圖示于圖2。

圖2  HIRFL-CSR控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

HIRFL-CSR控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的需求
HIRFL－CSR控制系統(tǒng)
蘭州HIRFL-CSR控制系統(tǒng)是基于WEB的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括前端控制服務(wù)器和HIRFL-CSR系統(tǒng)整體控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖3。

     圖3  蘭州HIRFL-CSR控制示意圖
 前端控制服務(wù)器用來提供對(duì)受控目標(biāo)和裝置的完全控制。 它們可以接收命令和數(shù)據(jù)，運(yùn)行算法，向設(shè)備送出控制信號(hào)，返回設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，提供人機(jī)界面等。按照現(xiàn)場(chǎng)要求執(zhí)行開環(huán)或閉環(huán)控制。通過HIRFL-CSR的網(wǎng)站服務(wù)器和用戶瀏覽器，HIRFL-CSR操作人員能夠通過WEB形式發(fā)出指令并接收設(shè)備狀態(tài)信息。同時(shí)，它能夠和運(yùn)行在intranet上的數(shù)據(jù)庫自動(dòng)交換數(shù)據(jù)。
在圖3中，除了前端控制服務(wù)器的其余部分為HIRFL-CSR整體控制。HIRFL-CSR的整體控制包括：網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，集群服務(wù)器系統(tǒng)。所有HIRFL-CSR控制和束流診斷所需的數(shù)據(jù)，都存放在整體控制數(shù)據(jù)庫中，HIRFL-CSR裝置按照數(shù)據(jù)庫中的命令和數(shù)據(jù)操作。這個(gè)解決方案控制所有的前端服務(wù)器，確保HIRFL-CSR裝置工作良好。它也為HIRFL-CSR各控制部件之間提供高速數(shù)據(jù)交換。同時(shí)為HIRFL-CSR操作人員提供接口和信息。
HIRFL-CSR控制系統(tǒng)需要采集非常之多的I/O點(diǎn)，因此會(huì)用到數(shù)量非常多的數(shù)據(jù)
采集設(shè)備。對(duì)于控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)的高速信號(hào)如：束流診斷、高頻系統(tǒng)中的信號(hào)主要用基于PXI數(shù)據(jù)采集子單元實(shí)現(xiàn)。對(duì)于加速器控制系統(tǒng)上數(shù)量非常多的（數(shù)千個(gè)點(diǎn)）磁鐵、電源、溫度等慢速信號(hào)點(diǎn)，蘭州近代物理所的科學(xué)家自己設(shè)計(jì)了基于RS－485總線數(shù)據(jù)采集模塊。這些數(shù)據(jù)采集模塊的核心是一個(gè)相當(dāng)于Intel Pentium CPU級(jí)別的嵌入式CPU，運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)。這些模塊可以獨(dú)立的采集A/D，I/O信號(hào)，并具有D/A，I/O控制功能。通過先進(jìn)的分布式控制算法(神經(jīng)元算法，模糊控制)，可以讓整個(gè)HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中的上千個(gè)模塊協(xié)同工作，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性。蘭州近代物理所的科學(xué)家設(shè)計(jì)了485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)模塊。每個(gè)網(wǎng)關(guān)模模塊最多可以掛接128個(gè)485模塊。這樣通過網(wǎng)關(guān)模塊可以將現(xiàn)場(chǎng)的所有的485模塊連接到整個(gè)HIRFL-CSR控制網(wǎng)。
PXI數(shù)據(jù)采集子單元和基于RS－485的數(shù)據(jù)采集模塊最后都通過千兆以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)匯集給多個(gè)高性能服務(wù)器。這些高性能服務(wù)器通過通過SCI總線完成高速互聯(lián)(5Gbps)，形成服務(wù)器集群(cluster)，以滿足大數(shù)據(jù)量處理和記錄。整個(gè)控制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D示于圖4。

圖4  HIRFL-CSR控制系統(tǒng)拓樸圖
目前世界上現(xiàn)有加速器控制系統(tǒng)中，對(duì)于高速信號(hào)的數(shù)據(jù)獲取，通常選用的硬件平臺(tái)為VME總線。為了提高HIRFL－CSR系統(tǒng)的總體性能，他們經(jīng)過反復(fù)論證，決定采用PXI總線做為HIRFL－CSR控制系統(tǒng)中高速信號(hào)獲取的硬件平臺(tái)。這在全世界HIRFL－CSR工程中是首次使用。
選用PXI總線做為高速信號(hào)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)的原因
PXI總線是CompactPCI總線在儀器測(cè)量領(lǐng)域的擴(kuò)展，它繼承了CompactPCI總線穩(wěn)定性并吸收了VXI總線中的儀器總線優(yōu)點(diǎn)，非常適合數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。和VME總線相比，PXI總線具有如下優(yōu)點(diǎn)：