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

1、PXI在蘭州重離子加速器冷卻存儲(chǔ)環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用 作者：李侃 凌華科技 供稿單位：ADLINK凌華科技（中國）有限公司 閱讀人次： 發(fā)布時(shí)間：2004-11-6 應(yīng)用領(lǐng)域：摘要：關(guān)鍵詞： 電機(jī) 流量計(jì) 直流調(diào)速 工控【關(guān)鍵詞】HIRFL-CSR PXI【內(nèi)容簡介】本文介紹了近代物理所HIRFLCSR工程概況和PXI在HIRFLCSR的應(yīng)用一、蘭州近代物理所HIRFL-CSR項(xiàng)目背景介紹蘭州近代物理所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。蘭州HIRFL-CSR是一個(gè)集加速、累積、冷卻 、儲(chǔ)存、內(nèi)靶實(shí)驗(yàn)及高分辨測量于一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。蘭州近代物理所HI

2、RFL-CSR將為二十一世紀(jì)一二十年代我國核物理學(xué)科在國際前沿領(lǐng)域的激烈競爭中取得一批具有國際先進(jìn)水平的成果，使我國在國際重離子物理前沿領(lǐng)域繼續(xù)占有一席之地提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件。與此同時(shí)，還能促進(jìn)我國相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如：作為嚴(yán)重威脅人類健康的重大疾病，癌癥及其防治研究關(guān)系到人類的生存。近年來，重離子束以其獨(dú)特的深度劑量分布和高的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)等優(yōu)勢，使得重離子束治癌成為當(dāng)今癌癥放射治療領(lǐng)域中最科學(xué)、最先進(jìn)、最有效的方法。重離子束在治療腦瘤等不方便開刀治療的癌癥方面有特別好的療效，在德國已經(jīng)得到成功臨床應(yīng)用。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

3、、放射性束(RIB)分離器、實(shí)驗(yàn)探測裝置。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具有獨(dú)特的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，以現(xiàn)有的重離子加速器HIRFL作注入器，采用多圈注入、射頻堆積和相空間冷卻(電子冷卻)相結(jié)合的方法，在CSRm里，將束流累積到高流強(qiáng)，并將累積的束流能量提高，然后快引出打初級(jí)靶產(chǎn)生放射性束或者剝離成高離化

4、態(tài)束流，注入到CSRe作內(nèi)靶實(shí)驗(yàn)和高精度質(zhì)量測量。目前世界上科技水平最高的HIRFL-CSR系統(tǒng)在德國GSI、法國GANIL和日本RIKEN。一旦蘭州近代物理所HIRFL-CSR系統(tǒng)建成后，綜合技術(shù)指標(biāo)將等于或超過上述三個(gè)系統(tǒng)。HIRFLCSR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)直與測量系統(tǒng)。HIRFl-CSR系統(tǒng)的架構(gòu)圖如下：本文主要介紹PXI總線在HIRFL-CSR控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。二、蘭州近代物理所HIRFL-CSR控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的需求21蘭州近代物理所HIRFLCSR控制系統(tǒng)介紹在蘭州近代物理所HI

5、RFL-CSR控制系統(tǒng)中，科學(xué)家們采取了多種創(chuàng)新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制算法。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。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：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)。在上圖中，除了前端控制服務(wù)器的其余部分

6、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。蘭州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

7、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RS485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)場的所有的485模塊連接到

8、整個(gè)HIRFL-CSR控制網(wǎng)。PXI數(shù)據(jù)采集子單元和基于RS485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)的大致拓?fù)鋱D如下: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（VersaModule-Eurocard）總線，如德國的GSI HIRFL-CSR系統(tǒng)，中國北京的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等等。VME總線誕生與20世紀(jì)80年代，使用歐洲卡（Eurocard）結(jié)構(gòu)和針孔連接器，是一種非?？煽亢统墒斓目偩€，目前還

9、在軍工和電信等要求高可靠性的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。蘭州近代物理所的科學(xué)家在設(shè)計(jì)HIFRLCSR控制系統(tǒng)過程中沒有沿襲前人經(jīng)驗(yàn)。為了提高HIRFLCSR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HIRFLCSR控制系統(tǒng)中高速信號(hào)獲取的硬件平臺(tái)。這在全世界HIRFLCSR工程中是首次使用。22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（PCI eXtensions for Instrumentation）總線是CompactPCI總線在儀器測量領(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

10、下優(yōu)點(diǎn)：A:PXI總線具有觸發(fā)總線和星形觸發(fā)總線，可以很容易的實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)獲取的同步觸發(fā)。PXI總線系統(tǒng)架構(gòu)圖如上圖所示，PXI系統(tǒng)具有8條觸發(fā)總線，在背板上從系統(tǒng)槽連接到其余的外設(shè)槽，為所有插在PXI背板上的儀器模塊提供了一個(gè)共享的溝通管道。這個(gè)8-bit寬度的總線可以讓多個(gè)儀器模塊之間傳送時(shí)鐘信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)以及特定的傳送協(xié)議。這8條觸發(fā)總線可以實(shí)現(xiàn)非常精準(zhǔn)的觸發(fā)要求。對(duì)于要求更多觸發(fā)線和更高觸發(fā)精度的應(yīng)用領(lǐng)域（觸發(fā)時(shí)間誤差小于1ns），PXI系統(tǒng)還具備星形觸發(fā)功能。系統(tǒng)的第2槽做為專門的星形觸發(fā)控制器槽位，星形觸發(fā)控制器與其他槽位均有專門的觸發(fā)線相連，共有13條。這些觸發(fā)線在背板布線的時(shí)候

11、保證嚴(yán)格等長，這樣可以保證槽與槽之家小于1ns的觸發(fā)時(shí)間誤差。PXI總線的這種特性對(duì)于離子束的檢測非常有用。在HIRFLCSR控制系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)重離子與其他粒子發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)撞擊出其他粒子。這些粒子的軌跡和能量可以通過光電倍增管傳感器進(jìn)行捕獲。匯集多個(gè)光電倍增管傳感器的數(shù)據(jù)就可以得到重離子碰撞時(shí)的圖像。在這種應(yīng)用領(lǐng)域，要求對(duì)多個(gè)光電倍增管傳感器的數(shù)據(jù)采集是嚴(yán)格同步的。通過PXI總線的觸發(fā)可以很容易的實(shí)現(xiàn)這多塊PXI數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)觸發(fā)采集。B:PXI總線具有10MHz同步時(shí)鐘，可以作為多路數(shù)據(jù)獲取的同步時(shí)鐘。如上圖所示，PXI背板上有一個(gè)非常精準(zhǔn)的10MHz時(shí)鐘（誤差小于100ppm）。10MH

12、z時(shí)鐘源與每個(gè)槽位相連，在背板布線上也保證每個(gè)槽位距離時(shí)鐘源的布線長度嚴(yán)格一致。這樣可以實(shí)現(xiàn)槽間精準(zhǔn)同步。在HIRFLCSR控制系統(tǒng)中的束流檢測中，要求在進(jìn)行多路數(shù)據(jù)獲取時(shí)的時(shí)鐘節(jié)拍一致，不能有相位差。使用PXI總線上的10MHz同步時(shí)鐘可以做為多塊PXI數(shù)據(jù)采集卡的同步時(shí)鐘節(jié)拍。C:PXI總線的帶寬為133MB/s512MB/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于VME總線的40MB/s帶寬。 在HIRFLCSR控制系統(tǒng)中，每個(gè)數(shù)據(jù)采集子單元要同時(shí)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行長時(shí)間高速采集。由于數(shù)據(jù)采集卡的板載緩存通常較小，要實(shí)現(xiàn)長時(shí)間數(shù)據(jù)采集必須要求系統(tǒng)總線帶寬足夠大。這樣才能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。PXI總線基于PCI總線，總線帶

13、寬為133MB/s512MB，數(shù)倍于VME總線。這樣如果數(shù)據(jù)采集子單元選用PXI總線，在同等采樣速率和采樣深度情況下，可以連接更多的傳感器。這樣提高了系統(tǒng)密度，節(jié)省了硬件投資，增強(qiáng)了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。D:PXI總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品種類多，產(chǎn)品性價(jià)比高。PXI總線自1997年誕生以來，由于其具備性能先進(jìn)性、開放性和低成本，越來越多的廠家宣布支持PXI總線。目前全世界已經(jīng)有百余家PXI設(shè)備生產(chǎn)廠家提供上千種PXI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。這樣用戶可以自由的選擇組合自己的PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PXI的硬件和軟件基于開發(fā)架構(gòu)，因此和VME相應(yīng)產(chǎn)品對(duì)比，用戶的軟硬件投資大大降低。23近代物理所HIRFLCSR對(duì)PXI硬件產(chǎn)品的需求在蘭州近代物理所HIRFLCSR控制系統(tǒng)中，大量PXI數(shù)據(jù)