大科学装置控制系统架构和历史数据存档技术研究

发布时间：2020-05-08 17:43

【摘要】：大科学装置是实现重要科学技术目标的大型基础研究设施,具有投入规模大、建设周期长、运行时间久等特点。控制系统是大科学装置的重要组成部分,是将装置各个子系统联系起来、协调工作的纽带,也是装置调试和运行的平台。系统架构是控制系统的基础,决定了控制系统的总体性能。数据存档系统是控制系统的重要组成部分,用于存储装置运行时产生的大量数据,这些存档数据可用于装置的性能分析和故障诊断,对装置的性能提升和运行维护具有重要意义。本文在调研国内外大科学装置相关技术领域最新进展的基础上,围绕大科学装置控制系统架构和历史数据存档技术开展了一系列研究工作。EPICS是大科学装置控制领域应用最为广泛的开发平台,目前有两个主要版本,分别是EPICS V3和EPICS7。EPICS V3是已经在大科学装置中得到广泛应用的发行版本,而EPICS7还处在开发中,只在一些装置上得到初步应用。本文基于EPICS7开展了控制系统架构方面的研究,描述了EPICS7的软件结构和主要模块的功能,结合中间件技术设计了三层的原型控制系统;对比测试了pvAccess和CA协议的通信性能,结果表明pvAccess性能明显优于CA;进行了pvData应用设计,表明pvData有助于应对更为复杂的控制要求;采用应用程序与配置文件分离的方式开发了Software Interlock Server中间件,可提升系统的维护性能。Archirver Appliance是EPICS社区最新发布的历史数据存档软件。本文基于Archiver Appliance开展了历史数据存档技术方面的研究。一方面,本文对该软件的设计原理、存储格式和数据接口进行了研究,优化了该软件的自动化部署过程,并对比测试了Archiver Appliance和RDB Channel Archiver的数据查询性能,结果表明前者(特别是其短期数据)的查询速度优于后者。另一方面,研究了存档软件的参数配置方式。针对目前存档参数集中配置的不足之处,提出了存档参数分布式自动配置的方法,完成了Auto Configurator软件的开发和测试,测试表明该技术可以显著提高存档软件的可维护性能。此外,本文使用前后端分离技术设计和开发了存档数据的可视化软件。大科学装置规模的增大带来了运行过程中历史数据量的激增,海量数据的处理已成为数据查询和数据分析性能的瓶颈。本文基于Hadoop生态系统设计了大科学装置的数据仓库,建立了Hadoop集群,开发了兼容不同数据存档软件的数据迁移程序,为未来开展基于数据仓库的数据分析提供了研究平台。目前国家同步辐射实验室正在开展HALS的预研工作,本论文的研究工作是“HALS控制技术研究”子项目的一部分,相关的研究成果为未来HALS的建设提供了技术储备。
【图文】：

控制系统,大科学,历史数据,新版本

系统架构是控制系统的基础，决定了控制系统的总体性能。大科学装置的逡逑体量不断增加对控制系统的性能提出了更高的挑战。因此，ＥＰＩＣＳ推出新版本逡逑ＥＰＩＣＳＶ４，新版本在功能的丰富性和数据传输速度方面有了非常大的提高Ｗ，并逡逑与ＥＰＩＣＳ邋Ｖ３合并发布，称为ＥＰＩＣＳ７。同时，中间件技术也应用于控制系统的设逡逑计和开发中，在ＯＰＩ层与ＩＯＣ之间加入了中间服务层。这一系列新技术的引入逡逑对提升控制系统整体水平有很大帮助［８］。逡逑在基于ＥＰＩＣＳ的控制系统中，ＩＯＣ内数据库为运行时数据库（ｎｍ－ｔｉｍｅ逡逑ｄａｔａｂａｓｅ），，数据库内只保留记录的实时值，不保留历史值。而大科学装置在逡逑其运行过程中会产生大量与装置运行相关的历史数据，这些存档数据可用于装逡逑置的性能分析和故障诊断，对装置的性能提升和运行维护具有重要意义，因而控逡逑制系统中需要有历史数据存档软件对记录的值进行采集和存储，并提供数据检逡逑索功能，这对大科学控制系统非常重要。大科学装置体量的增加也对历史数据存逡逑档软件提出更高的要求，如要求数据查询速度更快、单位数据点存储空间更少、逡逑数据查询功能更丰富、与其他应用软件更易集成、部署和管理更加便捷等。因此逡逑

架构图,架构,服务层,控制系统

逦第１章绪邋论逦逡逑以美国阿贡国家实验室（Ａｒｇｏｎｎｅ邋Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，邋ＡＮＬ）的先进光子逡逑源（Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｐｈｏｔｏｎ邋Ｓｏｕｒｃｅ，邋ＡＰＳ）为例，图１＿２是ＡＰＳ／ＡＰＳＵ控制系统软件架构逡逑图［２（）］，分为底层控制层、中层服务层和上层应用层。底层控制层运行着ＥＰＩＣＳ逡逑ＩＯＣ，与各类被控设备相连；中间服务层运行着各类服务层软件，包括数据存档逡逑系统、报警系统、日志系统等；上层应用层运行着与操作人员交互的各类应用逡逑软件，例如物理应用软件、束流研究工具和ＯＰＩ软件等。三层控制系统是基于逡逑ＥＰＩＣＳ７控制系统的典型架构，与基于ＥＰＩＣＳ邋Ｖ３的控制系统相比，增加了中间逡逑服务层，将一些繁重的计算和数据库操作交给服务层来完成，提高了性能，增加逡逑了上层应用软件的可移植性。逡逑ＥＰＩＣＳ新版本ＥＰＩＣＳ７中ｐｖＤａｔａ、ｐｖＡｃｃｅｓｓ、ｐｖａ２ｐｖａ等模块对丰富控制系逡逑统功能、提高控制系统性能很有帮助，尤其对未来国家同步辐射实验室兴建更大逡逑型粒子加速器装置有十分重要的意义，因此本论文中开展了基于ＰＥＩＣＳ７的原型逡逑控制系统架构方面的研究。逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL503.6

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