一種環(huán)真空監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)(例如BITBUS，RS-485,RS-422等)其不足之處主要有：

　　(1)主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，其余為從節(jié)點(diǎn)。其造成的潛在危害是：一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)。

　　(2)數(shù)據(jù)通訊方式為命令響應(yīng)型。在許多實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，這是致命的弱點(diǎn)。錯(cuò)誤處理能力不強(qiáng)。

　　(3)不能提供類(lèi)似LAN那樣的網(wǎng)絡(luò)管理(network management)功能，從而不能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效、方便的監(jiān)控和維護(hù)。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線很好地解決上述問(wèn)題。其中較有代表性的有Motorola的LON(local operation network);Bosch公司的CAN(control area network)。其中LON適用于一些大型的、對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求不太高的分布式控制系統(tǒng);而CAN則適用于小型的、實(shí)時(shí)要求高的系統(tǒng)。

　　CAN協(xié)議規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由ISO-OSI七層結(jié)構(gòu)中的三層組成，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。它是一種專門(mén)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)，不同于以太網(wǎng)等管理及信息處理網(wǎng)絡(luò)，其物理特性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化的底層監(jiān)測(cè)和控制。從物理結(jié)構(gòu)上看，它屬于總線式通訊網(wǎng)絡(luò)，但其獨(dú)特的技術(shù)和設(shè)計(jì)，可靠性及性能遠(yuǎn)高于BITBUS，RS-485等傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)。特點(diǎn)主要有：可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可分優(yōu)先級(jí)，采用非破壞性總線裁決技術(shù)，直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(5 kb/s以下)，通訊速率最高可達(dá)1 Mb/s(距離40 m)，信息傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀信息都有CRC校驗(yàn)，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)關(guān)閉，切斷與總線的聯(lián)系，通訊介質(zhì)采用雙絞線。

　　1　系統(tǒng)組成和工作原理

　　合肥國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室(NSRL)的儲(chǔ)存環(huán)直徑為22 m，每條光束線的長(zhǎng)度約15 m。用于環(huán)真空檢測(cè)的真空計(jì)約10臺(tái)，5條光束線平均5臺(tái)真空計(jì)，共計(jì)約35臺(tái)真空檢測(cè)裝置，另外每條光束線還利用一臺(tái)真空計(jì)作為傳感器用于真空聯(lián)鎖保護(hù)裝置。由于真空檢測(cè)裝置及聯(lián)鎖保護(hù)裝置必須靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn)，它們遍布整個(gè)儲(chǔ)存環(huán)大廳。這些真空計(jì)是84年建立實(shí)驗(yàn)室后逐年購(gòu)進(jìn)的，基本沒(méi)有數(shù)據(jù)通訊接口，制造廠家也千差萬(wàn)別。儲(chǔ)存環(huán)真空檢測(cè)主要有德國(guó)、日本、美國(guó)的真空計(jì)，光束線主要是國(guó)產(chǎn)真空計(jì)?？捎糜谡婵諜z測(cè)的模擬電平也不盡相同，另外儲(chǔ)存環(huán)大廳有很多電磁鐵和高功率電源，是典型的強(qiáng)噪聲環(huán)境，用模擬電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制和組網(wǎng)是不切實(shí)際的，也是不可靠的。因此目前NSRL的環(huán)真空監(jiān)測(cè)是采用人工記錄的方法，光束線真空監(jiān)測(cè)基本不作記錄。目前光束線用于控制各種閥門(mén)的真空聯(lián)鎖保護(hù)裝置是模擬電路系統(tǒng)，為了提高響應(yīng)速度，直接從真空計(jì)的離子流放大器上取出0～10 V的模擬電平，與聯(lián)鎖保護(hù)裝置的連接電纜阻抗非常高，很容易造成閥門(mén)的錯(cuò)誤關(guān)斷，也容易影響真空計(jì)的讀數(shù)，甚至損壞真空計(jì)的離子流放大器。所有這些關(guān)系到束流運(yùn)行的穩(wěn)定和壽命，是迫切需要解決的。

　　經(jīng)過(guò)多方調(diào)研和比較，提出采用適合于高噪聲環(huán)境運(yùn)行的CAN總線組網(wǎng)。多個(gè)真空計(jì)及其聯(lián)鎖保護(hù)單元通過(guò)CAN控制器掛到CAN總線上，通過(guò)CAN總線與監(jiān)控計(jì)算機(jī)互聯(lián)，形成多主機(jī)局部控制網(wǎng)。目前NSRL的儲(chǔ)存環(huán)和光束線需要監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)約40個(gè)，二期改建工程完成后需要監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)將擴(kuò)大到80個(gè)，而一條CAN網(wǎng)絡(luò)可控制110個(gè)節(jié)點(diǎn)，完全能滿足要求。該分布式測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

　　該系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、真空傳感器(真空計(jì))、真空聯(lián)鎖保護(hù)單元，對(duì)儲(chǔ)存環(huán)、光束線的真空狀態(tài)和各閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)測(cè)值與安全設(shè)定值進(jìn)行比較、分析和處理，及時(shí)提供語(yǔ)音、字符、圖形、各種報(bào)警信號(hào)及相應(yīng)的控制措施。由于儲(chǔ)存環(huán)、光束線實(shí)驗(yàn)站的真空狀態(tài)要求相差很大，為了提高對(duì)真空事故的反應(yīng)速度和可靠性，儲(chǔ)存環(huán)和每個(gè)光束線實(shí)驗(yàn)站有相應(yīng)的真空聯(lián)鎖保護(hù)單元。該單元直接接收來(lái)自真空傳感器的報(bào)警信號(hào)，可自動(dòng)地或人為地作出相應(yīng)的安全控制措施。該單元也通過(guò)CAN控制器掛到CAN總線上，使各種不安全因素得以及時(shí)、有效地調(diào)整和控制。