[发明专利]一种基于双模冗余比较结构的加速器真空联锁系统

说明书

技术领域

本发明涉及对加速器真空联锁控制系统的设计及其实现方法。 

背景技术

加速器中为了避免高频场中的电击穿和残余气体对电子束的过度散射，波导系统和束流加速管真空室都必须工作在高真空状态。真空联锁系统维持束流所存在环境达到或保持的超真空状态，当发生真空泄漏时，采取适当的动作和隔离措施真空，发出停止束流的信号，避免损伤机器设备。 

加速器中参与真空联锁保护的部分包括注入器，直线加速器和波荡器。在加速器装置开机运行时，真空联锁保护系统提供远程开启阀门操作，并为每次电子枪的触发提供定时信号；在发现故障时，联锁保护系统可以按规定的顺序驱动执行部件进行自动保护。 

类似加速器这样规模大系统复杂的大科学装置，其真空联锁保护系统需要作为联锁保护系统内一个独立的子系统来设计实施，以确保机器联锁保护功能的有效设计实施，并降低整个控制系统的设计实施难度。国际上第三代同步辐射光源中，实验物理和工业控制系统EPICS(Experimental Physics and IndustrialControl System)和PLC(programmable logic controller)在控制系统中被广泛应用。如国内，欧洲和日本一些加速器联锁保护系统采用各种系列PLC，通过以太网上的TCP/IP协议来连接EPICS和PLC系统。同时选用的PLC主要是EPICS已经支持，采用开放系统现场总线的产品。 

为了提高系统的安全性和可靠性，常用的的技术有动态冗余，静态冗余技术以及混合冗余技术。混合冗余技术是将静态冗余和动态冗余相结合构成的一种新的冗余结构。这种系统中有N个正常工作的模块，有S个备用模块。N个正常工作模块经过表决后作为系统的输出，同时各模块的输出与系统的输出作比较，以监测任一模块是否有故障。如果检测出其中1个模块故障，则由切换电路切断故障模块，接通备用模块。 

对于加速器的真空联锁系统，安全性和可靠性是非常重要的指标。现有的技术多是采用硬件冗余和软件冗余。比如可靠性更高的硬件设备，如PLC以及采用用几种不同的软件处理数据，对处理结果进行比较，产生输出。单纯的软件或者硬件冗余技术，对提升系统的可靠性和安全性都有限。 

发明内容

本发明是在真空联锁控制系统中采用双模冗余比较技术，在不增加系统的硬件成本的同时，提高系统的安全性和可靠性。通过实验验证，本发明的优点是在硬件成本不增加的同时，大幅度的提高系统的高稳定性和可靠性。 

双模冗余比较系统由两个子系统和一个比较器组成。 

子系统：由两个具有逻辑综合模块和一个逻辑选择器组成。送入两个逻辑综合模块的信号采用由不同途径(不同真空规)获取，将逻辑综合结构送人逻辑选择器，通过预先设定的故障检测逻辑，判断是否出现系统故障。为了便于检修和维护，子系统的任何模块出现故障时都需要给出报警信息。 

比较器：在输出选择器的控制下对两个子系统的输出进行比较，根据比较的结果去控制被控对象。如果两个子系统的输出相同，则将子系统的输出作为系统的输出去控制被控对象，如果不同，则说明系统出现故障，发出报警并采取相应的应对措施。 

每台真空计送回预警信号和报警信号，预警信号设定的真空度阈值低于报警信号。由于这两个信号是两个不同的真空规分别获取的，所以获取方式上是相互独立的。所以提出一种软硬结合的冗余系统模型——双模冗余比较系统，并应用在设计中。 

PLC系统中分别使用报警和预警信号进行阀门控制信号与外连锁信号的综合，然后对综合的结果进行逻辑选择。根据事实可以假设：不会出现真空规(真空度的探测设备)、PLC、IOC(I/O controller)中两个或两个以上同时发生故障。阀门控制以及外触发的逻辑选择器检测到故障后，采取相应的故障处理并上报至OPI。这样有效的规避了由于单个真空规出现故障导致设备受到损害的风险。 

系统将IOC作为PLC的一个“备机”，从PLC内存读取连锁信号并进行逻辑综合。综合的逻辑与PLC相同。最后将IOC的综合结果与PLC的通过比较器进行比较，判断PLC和IOC是否运行正常，并将结果上报至 OPI。 

附图说明

图1是EPICS机构示意图； 

图2是系统硬件结构示意图； 

图3是系统双模冗余比较结构示意图； 

参阅图1，根据分布式控制系统标准模型，系统基于EPICS框架，分为三个层次：OPI(OperatorInterface)，IOC(I/O Controller)和设备控制器层。