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(biāo)準(zhǔn)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(duì)數(shù)據(jù)通信性能的要求越來(lái)越高,而實(shí)時(shí)性是影響控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素,開(kāi)展這方面的應(yīng)用研究具有非常重要的工程應(yīng)用價(jià)值。Ethernet POWERLINK(簡(jiǎn)稱POWERLINK)作為一種開(kāi)源實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性需求的場(chǎng)合,例如高性能的同步運(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)平臺(tái),目前還未見(jiàn)與POWERLINK相關(guān)的應(yīng)用與研究。本論文將POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)和EPICS結(jié)合起來(lái),開(kāi)展了一系列的應(yīng)用研究工作。首先對(duì)POWERLINK通信協(xié)議進(jìn)行了分析和性能測(cè)試。基于POWERLINK協(xié)議棧的開(kāi)源實(shí)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(cè)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(jī)制,并測(cè)試了兩套系統(tǒng)的通信周期。我們還根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)測(cè)通信參數(shù),發(fā)展了理論計(jì)算和仿真建模兩種方法來(lái)估算POWERLINK系統(tǒng)的通信周期。其次設(shè)計(jì)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(tái)RT-Linux PC,PC上運(yùn)行了 IOC應(yīng)用程序和內(nèi)核空間下的openPOWERLINK主站程序,基于進(jìn)程間Socket通信開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的EPICS設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。我們搭建了 1個(gè)主站和10個(gè)從站組成的測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試系統(tǒng)的通信周期最快可到275μs,控制器本地響應(yīng)時(shí)間約為400μs,系統(tǒng)全局響應(yīng)時(shí)間為870μs。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)從站的光耦延時(shí)和主站響應(yīng)延時(shí)是影響系統(tǒng)性能的主要因素。針對(duì)這兩點(diǎn),我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的改進(jìn)方案,改進(jìn)方案的主從站均采用Zynq控制器來(lái)實(shí)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�；诟倪M(jìn)方案我們搭建了由1個(gè)主站和5個(gè)從站組成的測(cè)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(shí)間為5μs,系統(tǒng)全局響應(yīng)時(shí)間為160μs,測(cè)試結(jié)果表明改進(jìn)方案的實(shí)時(shí)性能明顯得到了提升。根據(jù)改進(jìn)方案的實(shí)測(cè)結(jié)果,我們進(jìn)一步完善了理論計(jì)算和仿真建模方法,從而為POWERLINK的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。最后基于千兆POWERLINK設(shè)計(jì)了合肥先進(jìn)光源設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)(Hefei Ad-vanced Light Facility Equipment Protection System,HALF EPS)。HALF 是由國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室提出的第四代基于衍射極限儲(chǔ)存環(huán)的同步輻射光源,目前正在開(kāi)展HALF預(yù)研工程建設(shè)。HALF EPS由注入器分總體EPS和儲(chǔ)存環(huán)分總體EPS組成,各分總體EPS基于獨(dú)立的千兆POWERLINK設(shè)計(jì),聯(lián)鎖控制器采用Zynq控制器。我們對(duì)HALF EPS的聯(lián)鎖保護(hù)邏輯進(jìn)行了描述,統(tǒng)計(jì)了聯(lián)鎖信號(hào)的數(shù)量。通過(guò)理論計(jì)算和仿真建模兩種方法估算了注入器EPS的響應(yīng)時(shí)間分別為802.100μs和798.184μs,儲(chǔ)存環(huán)EPS的響應(yīng)時(shí)間分別為1.643ms和1.634ms,均滿足10ms響應(yīng)時(shí)間的設(shè)計(jì)指標(biāo)。最后基于Archive Appliance設(shè)計(jì)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(jì)了 HALF EPS報(bào)警系統(tǒng)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TL503.6
【部分圖文】：

工程項(xiàng)目都采用ＥＰＩＣＳ作為控制系統(tǒng)的軟??件開(kāi)發(fā)平臺(tái)＆１２］。在國(guó)內(nèi)，ＥＰＩＣＳ己成功應(yīng)用于近年來(lái)相繼完成的ＨＬＳ－ＩＩ、北京??正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造項(xiàng)目（ＢＥＰＣ＿ＩＩ）、上海同步輻射光源（ＳＳＲＦ）、中國(guó)散??列中子源（ＣＳＮＳ）等大型科學(xué)工程項(xiàng)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(xiàng)目也采用ＥＰＩＣＳ??作為控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)［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(biāo)準(zhǔn)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(kù)?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(chǎng)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(guò)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(kuò)展從而提高實(shí)時(shí)性能，這就是實(shí)時(shí)以太網(wǎng)（Ｒｅａｌ?Ｔｉｍｅ?Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ＲＴＥ）。??實(shí)時(shí)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(guò)一定程度的修改，使之滿足實(shí)時(shí)行為。實(shí)時(shí)??以太網(wǎng)既保持了普通以太網(wǎng)高通信速率等優(yōu)勢(shì)，又提高了其實(shí)時(shí)性、確定性、可??靠性［２１］。根據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制和工業(yè)控制領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性等級(jí)，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)以太網(wǎng)可以同時(shí)支持??不同的技術(shù)實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性不高，Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ和??￡１１＾１＂１＾１／＾實(shí)時(shí)以太網(wǎng)屬于（：１３５５人類型的協(xié)議。＜：１３５５?８類別實(shí)時(shí)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(jī)制，物理層??使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的通信硬件，該類別實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，一般可滿足高性??能的同步運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的實(shí)時(shí)需求，ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ和ＰＲＯＦＩＮＥＴＲＴ等實(shí)時(shí)以太??網(wǎng)屬于Ｃｌａｓｓ?Ｂ類型的協(xié)議。Ｃｌａｓｓ?Ｃ類別的實(shí)時(shí)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(jī)制的同時(shí)，在物理層使用了專用的網(wǎng)絡(luò)通信硬件，該類別實(shí)時(shí)性能??最好，ＥｔｈｅｒＣＡＴ和ＰＲＯＦＩＮＥＴ?ＩＲＴ等實(shí)時(shí)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(hù)系統(tǒng)架構(gòu)圖??ＡＬＢＡ的設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)主要包括六個(gè)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(gè)獨(dú)立的設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)，并??全部接入到加速器的設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)中。每個(gè)子系統(tǒng)除了本地保護(hù)邏輯之外，當(dāng)子??系統(tǒng)中某些設(shè)備狀態(tài)異常時(shí)時(shí)，設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)立即通知其他相關(guān)子系統(tǒng)做出??保護(hù)動(dòng)作。例如，當(dāng)真空閥由于真空管道中的壓力超過(guò)閾值而關(guān)閉時(shí)，設(shè)備保護(hù)??系統(tǒng)應(yīng)立即關(guān)閉高頻系統(tǒng)并切斷束流。每個(gè)子系統(tǒng)由相關(guān)ＰＬＣ負(fù)責(zé)，子系統(tǒng)之??間的聯(lián)鎖信號(hào)都是通過(guò)ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ進(jìn)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(shí)驗(yàn)室，建設(shè)了包括周長(zhǎng)２６．７千米的大型??強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Ｌａｒｇｅ?Ｈａｄｒｏｎ?Ｃｏｌｌｉｄｅｒ，ＬＨＣ）、周長(zhǎng)６．９千米的超級(jí)質(zhì)子同步加速器??（Ｓｕｐｅｒ?Ｐｒｏｔｏｎ?Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏ
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2872074