开源软件控制日本顶级粒子加速器

KEK B的监测和控制中心跟踪波束的性能和碰撞频率，波束轨道偏差，并监测干扰因素和波束位置定位器。来源:日本设计新闻

2008年10月7日晚上7点一刻左右，瑞典皇家科学院宣布了诺贝尔物理学奖得主。日本高能加速器研究组织(KEK)是东京东北60公里处的一个大型研究机构，该组织的研究人员和工程师庆祝了这一消息，其中一名研究人员获得了奖项。在KEK工作了30年的名誉教授小林真和京都大学名誉教授Maskawa敏敏因发现对称性破缺的起源而获得了诺贝尔物理学奖。CP破缺预测了自然界中至少存在3个夸克族。KEK在验证物质-反物质不对称方面发挥了关键作用，Kobayashi-Maskawa理论在1973年首次发表后近30年成功预测了这种不对称。

KEKB-factory是一个带电粒子加速器和存储环系统，用于CP违例模型的实验验证。它由一个电子/正电子注入器(线性加速器或Linac)、一个双环加速器和一个贝尔探测器组成。加速器是一个不对称的双环对撞机，环上存储了一个8-GeV的电子束和一个3.5-GeV的正电子束流。光束以接近光速的速度向相反方向穿过埋在地下11米深的3公里隧道，并在贝尔探测器的中心相撞。贝尔探测器记录了b介子的衰变过程。正是贝尔实验在2002年坚定地确立了小林- maskawa CP违背理论的有效性，并使小林获得了诺贝尔奖。

在穿过加速器环时，光束会失去能量。

加速器控制和EPICS

在KEKB中央控制室，研究人员和工程师监控光束的位置和大小，检查反馈系统和真空水平的活动，分析轨道数据，并操作安装新程序的服务器。控制系统运行实验物理和工业控制系统(EPICS)应用软件。EPICS最初由洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)和阿贡国家实验室(ANL)联合编写，现在被世界各地的许多大型科学设施使用。

KEK加速器实验室负责运行控制的Noboru Yamamoto博士说:“EPICS首先在先进的大型研究机构和组织中被用于粒子加速器，然后在世界各地的天文台中得到应用。因为它采用了开源方案，用户可以在他们的社区中分享开发成果和技能。”

KEKB控制系统包括大约100个基于vme的I/O控制器(ioc)。对于现场接口，除VME帧外，还通过MXI-2接口安装200台VXI大型机，通过串行高速公路安装50台CAMAC板条箱，并安装200个ARCnet段。许多IEEE-488, RS232C设备和plc也被使用。

EPICS最初是与VxWorks实时操作系统一起引入的，但越来越多的IOCs现在运行在Linux、RTEMS、

电子/正电子直线加速器自1982年以来一直在运行。1991年至1993年，在KEKB项目获得批准之前，对其控制系统进行了修改。它运行在一个独立的控制系统上，包括30个vme, 170个plc, 15个camac, 30个vxi, 24个智能示波器，许多Unix计算机和冗余千兆以太网网络。本系统的设计是基于的使用实际标准，如Unix, VME和TCP/IP，所有设备控制器使用光以太网网络，没有任何特殊的现场网络。

古川指出，SADscript、Python和Tcl等脚本语言是KEK软件领域的重要组成部分。他说:“虽然硬件控制器是在IOCs上的实时环境中编程的，但许多操作算法是使用脚本语言实现的。研究人员和工程师非常依赖脚本语言来快速创建原型。”

SAD(战略加速器设计)脚本由KEK开发，用于计算加速器的光束操作。它包括类似数学的列表处理功能，可以快速开发在线操作软件。“SAD允许研究人员在基于模型的设计中测试波束调整的想法，”古川说。

KEKB有100多名工程师和研究人员，而百丽项目有200到300人。Furukawa说:“利用SADscript和EPICS的通用工具可以共享共同的项目概述。

偏离轨道的光束有跳入贝尔探测器的危险。每个环安装在两个地方的光束掩模设备可以防止这种情况。由Linux PLC控制该光束掩模的位置。来源:日本设计新闻

EPICS和plc

山本说:“为了有效地利用资源，节省成本和建造时间，KEKB的现有设施重复使用了以前名为Tristan的正负电子对撞机的多种I/O设备。当我们开始构建KEKB控制系统时，我们还在电源控制器中安装了ARCnet I/O板。对于这样一个大项目，管理层在选择现场通信系统时必须权衡成本性能和易维护性。”

“但从应用级别的角度来看，”他继续说道，“现场总线规格的所有差异都将在IOC级别上被吸收。EPICS将‘隐藏’所有差异，因此保持EPICS的整合是我们的首要任务。”

对于某些总线系统，如GPIB和Modbus, EPICS标准接口可从EPICS社区中的其他用户组获得。但是KEKB自己开发了其他接口，比如plc接口。

plc被引入KEKB环来控制电源系统，它们似乎不属于控制组，而是属于设备组。当KEKB引入一个保护工程师免受辐射暴露的系统时，又进行了额外的安装。“PLC的应用甚至扩展到不需要高速的领域的加速器控制，”Yamamoto报告说。

KEKB在其控制系统中加速采用plc有几个原因:

• plc的每通道成本低于VME板。“与VME板相比，我们节省了三分之一到四分之一的成本，”古川说。

• 工程师和研究人员认为，与VME板相比，PLC的软硬件结构更容易划分工作功能。他解释说:“PLC的安装和程序由设备组处理，而网络和上层EPICS连接由控制组负责。”

• 用plc测试程序和系统也更容易。他补充说:“由于几个原因，与PLC制造商相比，与电路板制造商合作测试VME板的软件并不那么容易。”

• 一些控制组引用plc通过触摸屏显示提供HMI功能的能力。

粒子绕3公里长的KEKB环运行需要10微秒。2000个电磁铁调节着这种循环。KEK B正在测试两组Linux plc来控制其中一个脉冲四极磁铁。来源:日本设计新闻

最近，日本先进的粒子碰撞加速器设施安装了EPICS plc，并采用以太网进行控制。这有助于降低成本和软件开发时间，但也存在一些问题，例如阶梯语言软件和上层软件之间的逻辑划分。Furukawa说:“工程师们会在ladder中开发PLC逻辑程序，但偶尔控制组工程师会在EPICS中设计逻辑功能，使控制系统维护复杂化。”

“编程学习成本的增加是另一个问题，因为你现在需要学习阶梯编程和EPICS。”

未来加速器控制

在网络协议方面，古川说:“当我们通过以太网连接阶梯cpu时，我们有一个两层通信系统;EPICS服务器软件底层与PLC协议通信，上层与EPICS协议通信。如果我们能做一个单层的网络，我们就可以简化开发工具和调试过程。”

Yamamoto补充说:“由于plc的cpu和处理协议交换的VME计算机(ioc)之间存在网络通信，设备/驱动程序支持的编程往往变得相当复杂。但很明显，整个控制系统应该集成在EPICS中。这就是为什么我们开始研究在嵌入式EPICS上运行plc。”

最近，自动化制造商横河(Yokogawa)推出了在Linux上运行CPU的PLC。使用该模型的beta版本，KEKB和其他两个EPICS用户启动了一个联合项目，开发一个可以作为EPICS IOC操作的PLC。

这种方法有几个优点。Linux遵循通用公共许可证(GPL)下的开源许可程序，而EPICS也是开源的。因此，合作者设想创建一个完全开源的系统。Linux PLC可以与传统的梯形PLC连接，允许用户重用硬件和软件资源。

如果用户尝试从头开始设计一个新的控制系统，这种功能共享的处理也是可能的，因为复杂的逻辑可以由Linux PLC处理，而简单的处理可以在Ladder中处理。epics嵌入式plc已经安装，并已用于测试和现场操作。“自7月底以来，”古川说，“我们一直在评估第一批嵌入epics的PLC。它控制KEKB环中的一个光束掩模。然后，我们添加了两个用于控制脉冲四极磁铁。一开始我们很谨慎，但到目前为止还没有发生任何麻烦。”

Furukawa说:“以太网连接将成为未来设备和组件中加速器控制的强制要求。我们希望设备工程师能够在不影响整个控制系统的情况下开发系统组件。”

“一旦他们完成了系统组件的开发，”他继续说，“最好是这些组件能够从整个控制系统接收服务。与此同时，组件将其新功能整合到整个控制系统也很重要。”

“为了实现这一点，”他说，“EPICS IOC软件应该在前端控制器上运行。因此，在远程I/O控制方面，Linux PLC的应用将在加速器领域扩展到毫秒级的相对较慢的控制领域。但同时，也可以开发出其他更快控制的解决方案。”

作者信息

Shin Kai是日本设计新闻。与他联络:s.kai@reedbusiness.jp

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