实时以太网POWERLINK在加速器控制系统中的应用研究
发布时间：2020-11-05 19:23
加速器控制系统一般是基于网络的分布式控制系统,遵循所谓的“标准模型”(Standard Models),由三部分组成:the Operator Interface、Data Communication、the Front-end Computers。数据通信在加速器控制系统中起着纽带的作用。随着加速器规模的增大和复杂度的提高,对数据通信性能的要求越来越高,而实时性是影响控制系统的关键因素,开展这方面的应用研究具有非常重要的工程应用价值。Ethernet POWERLINK(简称POWERLINK)作为一种开源实时以太网技术已广泛应用于工业控制领域,特别是有高实时性需求的场合,例如高性能的同步运动控制应用,但是在加速器控制领域,与POWERLINK相关的研究和应用还很少。EPICS作为加速器控制领域中应用最广泛的开发平台,目前还未见与POWERLINK相关的应用与研究。本论文将POWERLINK实时以太网技术和EPICS结合起来,开展了一系列的应用研究工作。首先对POWERLINK通信协议进行了分析和性能测试。基于POWERLINK协议栈的开源实现版本openPOWERLINK,我们分别搭建了基于RT-Linux PC和FPGA软核的两套测试系统。采用网络分析仪netANALYZER和Wireshark软件抓取并分析了 POWERLINK数据帧,掌握了 POWERLINK协议的数据帧结构和通信机制,并测试了两套系统的通信周期。我们还根据测试系统的实测通信参数,发展了理论计算和仿真建模两种方法来估算POWERLINK系统的通信周期。其次设计了 EPICS环境下基于千兆POWERLINK的分布式IO系统。系统从站采用基于Zynq的控制器,主站是一台RT-Linux PC,PC上运行了 IOC应用程序和内核空间下的openPOWERLINK主站程序,基于进程间Socket通信开发了相应的EPICS设备驱动程序。我们搭建了 1个主站和10个从站组成的测试系统,测试系统的通信周期最快可到275μs,控制器本地响应时间约为400μs,系统全局响应时间为870μs。通过对系统测试结果的分析,发现从站的光耦延时和主站响应延时是影响系统性能的主要因素。针对这两点,我们设计了相应的改进方案,改进方案的主从站均采用Zynq控制器来实现,从站控制器的输入/输出接口电路采用ADuM1400高速数字隔离器。基于改进方案我们搭建了由1个主站和5个从站组成的测试系统,系统的通信周期最快可到50μs,从站的本地响应时间为5μs,系统全局响应时间为160μs,测试结果表明改进方案的实时性能明显得到了提升。根据改进方案的实测结果,我们进一步完善了理论计算和仿真建模方法,从而为POWERLINK的应用设计提供了依据。最后基于千兆POWERLINK设计了合肥先进光源设备保护系统(Hefei Ad-vanced Light Facility Equipment Protection System,HALF EPS)。HALF 是由国家同步辐射实验室提出的第四代基于衍射极限储存环的同步辐射光源,目前正在开展HALF预研工程建设。HALF EPS由注入器分总体EPS和储存环分总体EPS组成,各分总体EPS基于独立的千兆POWERLINK设计,联锁控制器采用Zynq控制器。我们对HALF EPS的联锁保护逻辑进行了描述,统计了联锁信号的数量。通过理论计算和仿真建模两种方法估算了注入器EPS的响应时间分别为802.100μs和798.184μs,储存环EPS的响应时间分别为1.643ms和1.634ms,均满足10ms响应时间的设计指标。最后基于Archive Appliance设计了 HALF EPS的历史数据存档与查询系统,基于Phoebus/Alarms设计了 HALF EPS报警系统。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TL503.6
【部分图文】：
工程项目都采用ＥＰＩＣＳ作为控制系统的软??件开发平台＆１２］。在国内，ＥＰＩＣＳ己成功应用于近年来相继完成的ＨＬＳ－ＩＩ、北京??正负电子对撞机重大改造项目（ＢＥＰＣ＿ＩＩ）、上海同步辐射光源（ＳＳＲＦ）、中国散??列中子源（ＣＳＮＳ）等大型科学工程项目［１３“６］，目前正在建设中的上海硬Ｘ射线??自由电子激光装置（ＳＨＩＮＥ）和髙能同步辐射光源（ＨＥＰＳ）等项目也采用ＥＰＩＣＳ??作为控制系统的软件开发平台［１７＿１８］。ＥＰＩＣＳ控制系统是基于网络的分布式控制??系统，其架构如图１．１所示，遵循所谓的“标准模型”（ＳｔａｎｄａｒｄＭｏｄｅｌｓ＾１９１，从??上到下分为三层，分别为管理层（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ?ｃｏｎｔｒｏｌｓ）、前端控制层（Ｆｒｏｎｔ?Ｅｎｄ??Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）和设备控制层（Ｄｅｖｉｃｅｓ?Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）。??数据库?文件服务器?ＯＰＩ?ＯＰＩ?ＯＰＩ??、一?…彳?｜管理层??ｉ４ｌｉｒ?＊＊＊??ＩＯＣ?ＩＯＣ?ｔｏｅ??１１?ＵＬｐ?ｌｉ?ＩＱＤＤ—ｌｉｉ?１ｊ?????Ｑｊ?Ｄｊ?！?？？？?ＶＭＥ／ｃＰＣＩ?｜?前端控制层??ｊ?Ｉ?１?丨?ＰＬＣ／ＦＰＧＡ??现场总线????????ｍｉ?｜?ＰＬＣ?设备控制层??设各?ｌｌ?■?１??ｌｌ?＾??控制器??＝題…?画…??图１．１基于ＥＰＩＣＳ的控制系统基本结构图??？管理层（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ?ｃｏｎｔｒｏｌｓ）??位于系统最上层是管理层，由ＯＰＩ和服务器系统组成。其中，ＯＰＩ给操作人??员提供了交互界面，操作人员通过ＯＰＩ监控系统状态，发送控制命令。服??务器系
第１章绪?论???扩展从而提高实时性能，这就是实时以太网（Ｒｅａｌ?Ｔｉｍｅ?Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ＲＴＥ）。??实时以太网是指在不改变ＩＳＯ／ＩＥＣ８８０２－３的通信特征、相关网络组件或??ＩＥＣ１５８８的总体行为基础上，通过一定程度的修改，使之满足实时行为。实时??以太网既保持了普通以太网高通信速率等优势，又提高了其实时性、确定性、可??靠性［２１］。根据实现机制和工业控制领域的实时性等级，实时以太网可以划分为??ｃｌａｓｓ?Ａ、ｃｌａｓｓ?Ｂ和ｃｌａｓｓ?Ｃ三类［２２］，如图１．２所示，一种实时以太网可以同时支持??不同的技术实现方案，例如Ｅｔｈｅｍｅｔ／ＩＰ既有支持Ｃｌａｓｓ?Ａ的方案，也有支持Ｃｌａｓｓ??Ｃ的方案。Ｃｌａｓｓ?Ａ类别的实时以太网保持ＴＣＰ／ＩＰ协议簇不变，保留传输层及??以下的协议，只在应用层做了实时性修改，所以这种协议虽然可以直接接入普??通以太网，但是并未克服普通以太网的原有缺陷，实时性不高，Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ和??￡１１＾１＂１＾１／＾实时以太网属于（：１３５５人类型的协议。＜：１３５５?８类别实时以太网弃用了??ＴＣＰ／ＩＰ的传输协议，在数据链路层及以上使用自定义的数据通信机制，物理层??使用标准以太网的通信硬件，该类别实时以太网的实时性较强，一般可满足高性??能的同步运动控制应用的实时需求，ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ和ＰＲＯＦＩＮＥＴＲＴ等实时以太??网属于Ｃｌａｓｓ?Ｂ类型的协议。Ｃｌａｓｓ?Ｃ类别的实时以太网在数据链路层使用自定义??的数据通信机制的同时，在物理层使用了专用的网络通信硬件，该类别实时性能??最好，ＥｔｈｅｒＣＡＴ和ＰＲＯＦＩＮＥＴ?ＩＲＴ等实时以太网属于这类协议，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??图１．３?ＡＬＢＡ设备联锁保护系统架构图??ＡＬＢＡ的设备保护系统主要包括六个子系统，分别是：真空、磁铁、射频、??插入件、前端设备和光束线。每条光束线都有一个独立的设备保护系统系统，并??全部接入到加速器的设备保护系统中。每个子系统除了本地保护逻辑之外，当子??系统中某些设备状态异常时时，设备保护系统应立即通知其他相关子系统做出??保护动作。例如，当真空阀由于真空管道中的压力超过阈值而关闭时，设备保护??系统应立即关闭高频系统并切断束流。每个子系统由相关ＰＬＣ负责，子系统之??间的联锁信号都是通过ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ进行传输。??１．２．２?ＣＥＲＮ在辐射区域关于ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ的应用研究??欧洲核子中心（Ｃｏｎｓｅｉｌ?ＥｕｒｏｐＳｅｎｎ?ｐｏｕｒ?ｌａ?Ｒｅｃｈｅｒｃｈｅ?Ｎｕｃｌｄａｉｒｅ，ＣＥＲＮ）位于瑞??士日内瓦，是世界上最大的粒子物理实验室，建设了包括周长２６．７千米的大型??强子对撞机（Ｌａｒｇｅ?Ｈａｄｒｏｎ?Ｃｏｌｌｉｄｅｒ，ＬＨＣ）、周长６．９千米的超级质子同步加速器??（Ｓｕｐｅｒ?Ｐｒｏｔｏｎ?Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏ
【参考文献】
本文编号：2872074
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TL503.6
【部分图文】：
工程项目都采用ＥＰＩＣＳ作为控制系统的软??件开发平台＆１２］。在国内，ＥＰＩＣＳ己成功应用于近年来相继完成的ＨＬＳ－ＩＩ、北京??正负电子对撞机重大改造项目（ＢＥＰＣ＿ＩＩ）、上海同步辐射光源（ＳＳＲＦ）、中国散??列中子源（ＣＳＮＳ）等大型科学工程项目［１３“６］，目前正在建设中的上海硬Ｘ射线??自由电子激光装置（ＳＨＩＮＥ）和髙能同步辐射光源（ＨＥＰＳ）等项目也采用ＥＰＩＣＳ??作为控制系统的软件开发平台［１７＿１８］。ＥＰＩＣＳ控制系统是基于网络的分布式控制??系统，其架构如图１．１所示，遵循所谓的“标准模型”（ＳｔａｎｄａｒｄＭｏｄｅｌｓ＾１９１，从??上到下分为三层，分别为管理层（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ?ｃｏｎｔｒｏｌｓ）、前端控制层（Ｆｒｏｎｔ?Ｅｎｄ??Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）和设备控制层（Ｄｅｖｉｃｅｓ?Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）。??数据库?文件服务器?ＯＰＩ?ＯＰＩ?ＯＰＩ??、一?…彳?｜管理层??ｉ４ｌｉｒ?＊＊＊??ＩＯＣ?ＩＯＣ?ｔｏｅ??１１?ＵＬｐ?ｌｉ?ＩＱＤＤ—ｌｉｉ?１ｊ?????Ｑｊ?Ｄｊ?！?？？？?ＶＭＥ／ｃＰＣＩ?｜?前端控制层??ｊ?Ｉ?１?丨?ＰＬＣ／ＦＰＧＡ??现场总线????????ｍｉ?｜?ＰＬＣ?设备控制层??设各?ｌｌ?■?１??ｌｌ?＾??控制器??＝題…?画…??图１．１基于ＥＰＩＣＳ的控制系统基本结构图??？管理层（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ?ｃｏｎｔｒｏｌｓ）??位于系统最上层是管理层，由ＯＰＩ和服务器系统组成。其中，ＯＰＩ给操作人??员提供了交互界面，操作人员通过ＯＰＩ监控系统状态，发送控制命令。服??务器系
第１章绪?论???扩展从而提高实时性能，这就是实时以太网（Ｒｅａｌ?Ｔｉｍｅ?Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ＲＴＥ）。??实时以太网是指在不改变ＩＳＯ／ＩＥＣ８８０２－３的通信特征、相关网络组件或??ＩＥＣ１５８８的总体行为基础上，通过一定程度的修改，使之满足实时行为。实时??以太网既保持了普通以太网高通信速率等优势，又提高了其实时性、确定性、可??靠性［２１］。根据实现机制和工业控制领域的实时性等级，实时以太网可以划分为??ｃｌａｓｓ?Ａ、ｃｌａｓｓ?Ｂ和ｃｌａｓｓ?Ｃ三类［２２］，如图１．２所示，一种实时以太网可以同时支持??不同的技术实现方案，例如Ｅｔｈｅｍｅｔ／ＩＰ既有支持Ｃｌａｓｓ?Ａ的方案，也有支持Ｃｌａｓｓ??Ｃ的方案。Ｃｌａｓｓ?Ａ类别的实时以太网保持ＴＣＰ／ＩＰ协议簇不变，保留传输层及??以下的协议，只在应用层做了实时性修改，所以这种协议虽然可以直接接入普??通以太网，但是并未克服普通以太网的原有缺陷，实时性不高，Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ和??￡１１＾１＂１＾１／＾实时以太网属于（：１３５５人类型的协议。＜：１３５５?８类别实时以太网弃用了??ＴＣＰ／ＩＰ的传输协议，在数据链路层及以上使用自定义的数据通信机制，物理层??使用标准以太网的通信硬件，该类别实时以太网的实时性较强，一般可满足高性??能的同步运动控制应用的实时需求，ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ和ＰＲＯＦＩＮＥＴＲＴ等实时以太??网属于Ｃｌａｓｓ?Ｂ类型的协议。Ｃｌａｓｓ?Ｃ类别的实时以太网在数据链路层使用自定义??的数据通信机制的同时，在物理层使用了专用的网络通信硬件，该类别实时性能??最好，ＥｔｈｅｒＣＡＴ和ＰＲＯＦＩＮＥＴ?ＩＲＴ等实时以太网属于这类协议，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??图１．３?ＡＬＢＡ设备联锁保护系统架构图??ＡＬＢＡ的设备保护系统主要包括六个子系统，分别是：真空、磁铁、射频、??插入件、前端设备和光束线。每条光束线都有一个独立的设备保护系统系统，并??全部接入到加速器的设备保护系统中。每个子系统除了本地保护逻辑之外，当子??系统中某些设备状态异常时时，设备保护系统应立即通知其他相关子系统做出??保护动作。例如，当真空阀由于真空管道中的压力超过阈值而关闭时，设备保护??系统应立即关闭高频系统并切断束流。每个子系统由相关ＰＬＣ负责，子系统之??间的联锁信号都是通过ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ进行传输。??１．２．２?ＣＥＲＮ在辐射区域关于ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ的应用研究??欧洲核子中心（Ｃｏｎｓｅｉｌ?ＥｕｒｏｐＳｅｎｎ?ｐｏｕｒ?ｌａ?Ｒｅｃｈｅｒｃｈｅ?Ｎｕｃｌｄａｉｒｅ，ＣＥＲＮ）位于瑞??士日内瓦，是世界上最大的粒子物理实验室，建设了包括周长２６．７千米的大型??强子对撞机（Ｌａｒｇｅ?Ｈａｄｒｏｎ?Ｃｏｌｌｉｄｅｒ，ＬＨＣ）、周长６．９千米的超级质子同步加速器??（Ｓｕｐｅｒ?Ｐｒｏｔｏｎ?Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏ
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本文编号：2872074
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