PXI在重离子加速器－冷却存储环控制系统的应用

HIRFL-CSR工程
兰州近代物理所HIRFL-CSR（重离子加速器－冷却存储环）工程是国家九五重点国家重大科学工程。HIRFL-CSR是一个集加速、累积、冷却 、储存、内靶实验及高分辨测量于一体的多功能实验装置。
兰州近代物理所HIRFL-CSR包括：主环（CSRm）、实验环(CSRe)、束运线、放射性束(RIB)分离器、实验探测装置。主环周长161米，最高加速能量为900MeV/u(12C6+)和400MeV/u(238U72+)，试验环周长129米，最大接收能量为600MeV/u (12C6+)和400MeV/u(238U90+)，束线总长473米，磁铁总重量1451吨，磁铁电源总功率8234千伏安，建筑面积约17000平方米。
兰州近代物理所HIRFL-CSR系统平面结构示意图示于图1。

图1 兰州近代物理所HIRFL-CSR系统平面结构示意图
HIRFL－CSR控制系统包括磁铁系统、电源系统、高频系统、注入引出系统、电子冷却系统、内靶系统、真空系统、束流诊断系统、控制系统和准直与测量系统。HIRFl-CSR系统的架构图示于图2。

图2 HIRFL-CSR控制系统结构图

HIRFL-CSR控制系统对数据采集平台的需求
HIRFL－CSR控制系统
兰州HIRFL-CSR控制系统是基于WEB的分布式控制系统。系统主要包括前端控制服务器和HIRFL-CSR系统整体控制。控制系统结构图示于图3。

图3 兰州HIRFL-CSR控制示意图
前端控制服务器用来提供对受控目标和装置的完全控制。 它们可以接收命令和数据，运行算法，向设备送出控制信号，返回设备的状态和数据，提供人机界面等。按照现场要求执行开环或闭环控制。通过HIRFL-CSR的网站服务器和用户浏览器，HIRFL-CSR操作人员能够通过WEB形式发出指令并接收设备状态信息。同时，它能够和运行在intranet上的数据库自动交换数据。
在图3中，除了前端控制服务器的其余部分为HIRFL-CSR整体控制。HIRFL-CSR的整体控制包括：网络通讯系统，数据库系统，集群服务器系统。所有HIRFL-CSR控制和束流诊断所需的数据，都存放在整体控制数据库中，HIRFL-CSR装置按照数据库中的命令和数据操作。这个解决方案控制所有的前端服务器，确保HIRFL-CSR装置工作良好。它也为HIRFL-CSR各控制部件之间提供高速数据交换。同时为HIRFL-CSR操作人员提供接口和信息。
HIRFL-CSR控制系统需要采集非常之多的I/O点，因此会用到数量非常多的数据
采集设备。对于控制系统中的现场的高速信号如：束流诊断、高频系统中的信号主要用基于PXI数据采集子单元实现。对于加速器控制系统上数量非常多的（数千个点）磁铁、电源、温度等慢速信号点，兰州近代物理所的科学家自己设计了基于RS－485总线数据采集模块。这些数据采集模块的核心是一个相当于Intel Pentium CPU级别的嵌入式CPU，运行嵌入式操作系统。这些模块可以独立的采集A/D，I/O信号，并具有D/A，I/O控制功能。通过先进的分布式控制算法(神经元算法，模糊控制)，可以让整个HIRFL-CSR控制系统中的上千个模块协同工作，保证系统数据获取的实时性。兰州近代物理所的科学家设计了485转以太网的网关模块。每个网关模模块最多可以挂接128个485模块。这样通过网关模块可以将现场的所有的485模块连接到整个HIRFL-CSR控制网。
PXI数据采集子单元和基于RS－485的数据采集模块最后都通过千兆以太网将数据汇集给多个高性能服务器。这些高性能服务器通过通过SCI总线完成高速互联(5Gbps)，形成服务器集群(cluster)，以满足大数据量处理和记录。整个控制系统的拓扑图示于图4。

图4 HIRFL-CSR控制系统拓朴图
目前世界上现有加速器控制系统中，对于高速信号的数据获取，通常选用的硬件平台为VME总线。为了提高HIRFL－CSR系统的总体性能，他们经过反复论证，决定采用PXI总线做为HIRFL－CSR控制系统中高速信号获取的硬件平台。这在全世界HIRFL－CSR工程中是首次使用。
选用PXI总线做为高速信号数据获取平台的原因
PXI总线是CompactPCI总线在仪器测量领域的扩展，它继承了CompactPCI总线稳定性并吸收了VXI总线中的仪器总线优点，非常适合数据采集应用。和VME总线相比，PXI总线具有如下优点：