基于CAN總線的NSRL儲存環(huán)及光束線真空監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　(1)主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上只能有一個主節(jié)點，其余為從節(jié)點。其造成的潛在危害是：一旦主節(jié)點出現(xiàn)故障，則整個系統(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。在許多實時性要求較高的場合，這是致命的弱點。錯誤處理能力不強。

　　(3)不能提供類似LAN那樣的網(wǎng)絡(luò)管理(network management)功能，從而不能對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時、有效、方便的監(jiān)控和維護。

　　現(xiàn)場總線很好地解決上述問題。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、對響應(yīng)時間要求不太高的分布式控制系統(tǒng);而CAN則適用于小型的、實時要求高的系統(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。它是一種專門用于工業(yè)自動化領(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)議更強調(diào)自動化的底層監(jiān)測和控制。從物理結(jié)構(gòu)上看，它屬于總線式通訊網(wǎng)絡(luò)，但其獨特的技術(shù)和設(shè)計，可靠性及性能遠(yuǎn)高于BITBUS，RS-485等傳統(tǒng)現(xiàn)場控制技術(shù)。特點主要有：可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可分優(yōu)先級，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，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低，在錯誤嚴(yán)重的情況下節(jié)點可以自動關(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

　　合肥國家同步輻射實驗室(NSRL)的儲存環(huán)直徑為22 m，每條光束線的長度約15 m。用于環(huán)真空檢測的真空計約10臺，5條光束線平均5臺真空計，共計約35臺真空檢測裝置，另外每條光束線還利用一臺真空計作為傳感器用于真空聯(lián)鎖保護裝置。由于真空檢測裝置及聯(lián)鎖保護裝置必須靠近監(jiān)測點，它們遍布整個儲存環(huán)大廳。這些真空計是84年建立實驗室后逐年購進(jìn)的，基本沒有數(shù)據(jù)通訊接口，制造廠家也千差萬別。儲存環(huán)真空檢測主要有德國、日本、美國的真空計，光束線主要是國產(chǎn)真空計?？捎糜谡婵諜z測的模擬電平也不盡相同，另外儲存環(huán)大廳有很多電磁鐵和高功率電源，是典型的強噪聲環(huán)境，用模擬電平進(jìn)行監(jiān)測控制和組網(wǎng)是不切實際的，也是不可靠的。因此目前NSRL的環(huán)真空監(jiān)測是采用人工記錄的方法，光束線真空監(jiān)測基本不作記錄。目前光束線用于控制各種閥門的真空聯(lián)鎖保護裝置是模擬電路系統(tǒng)，為了提高響應(yīng)速度，直接從真空計的離子流放大器上取出0～10 V的模擬電平，與聯(lián)鎖保護裝置的連接電纜阻抗非常高，很容易造成閥門的錯誤關(guān)斷，也容易影響真空計的讀數(shù)，甚至損壞真空計的離子流放大器。所有這些關(guān)系到束流運行的穩(wěn)定和壽命，是迫切需要解決的。

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

　　該系統(tǒng)的工作原理是通過監(jiān)控計算機、真空傳感器(真空計)、真空聯(lián)鎖保護單元，對儲存環(huán)、光束線的真空狀態(tài)和各閥門的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。監(jiān)控計算機根據(jù)實測值與安全設(shè)定值進(jìn)行比較、分析和處理，及時提供語音、字符、圖形、各種報警信號及相應(yīng)的控制措施。由于儲存環(huán)、光束線實驗站的真空狀態(tài)要求相差很大，為了提高對真空事故的反應(yīng)速度和可靠性，儲存環(huán)和每個光束線實驗站有相應(yīng)的真空聯(lián)鎖保護單元。該單元直接接收來自真空傳感器的報警信號，可自動地或人為地作出相應(yīng)的安全控制措施。該單元也通過CAN控制器掛到CAN總線上，使各種不安全因素得以及時、有效地調(diào)整和控制。

　　2　系統(tǒng)硬件組成

　　如圖1所示，該系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)控計算機、真空傳感器和真空聯(lián)鎖保護單元等幾部分組成。

　　(1)監(jiān)控計算機由通用PC機加PC-CAN適配卡及多媒體外設(shè)構(gòu)成。PC-CAN適配卡采用國產(chǎn)的Hilon系列CAN總線工控產(chǎn)品，隨卡的軟件包可支持用戶開發(fā)專用的監(jiān)控和驅(qū)動程序。

　　(2)真空傳感器由規(guī)管和真空計組成。本實驗室大多使用熱陰極電離超高真空計和冷陰極磁控超高真空計。根據(jù)多年的使用經(jīng)驗，國外品牌性能較穩(wěn)定、可靠，而國內(nèi)品牌相比之下較差，返修率也非常高。為此根據(jù)不同規(guī)管特性要求和結(jié)合國外產(chǎn)品經(jīng)驗的基礎(chǔ)上開發(fā)出兩種類型的超高真空計：熱陰極電離超高真空計和冷陰極磁控超高真空計。

　　熱陰極電離超高真空計的內(nèi)核為51系列單片機。經(jīng)過細(xì)致的布線、制版和抗干擾設(shè)計，其A/D模塊可準(zhǔn)確測量300 fA～1 μA的離子流，已超出大多數(shù)熱陰極電離規(guī)正常工作時收集的離子流范圍。規(guī)管陰極燈絲電源設(shè)計為開關(guān)電源(100 kHz)，可提供0～5 A的電流，能有效驅(qū)動國外的大功率規(guī)管，保護性能極好。非易失性SRAM和時鐘芯片可提供真空報警閾值設(shè)定及時鐘。報警輸出采用20 mA電流環(huán)，便于光隔離和抗干擾。報警反應(yīng)時間小于200 ms，滿足除快閥外對一般閥門的控制。通訊接口有RS232C和CAN。CAN接口采用Philips公司的82C200通訊控制器和82C250總線收發(fā)器[2]。另外采用Watchdog技術(shù)和數(shù)字濾波以增加可靠性。軟件用工程C語言編寫。顯示采用6位高亮度數(shù)碼管。鍵盤功能包括：除氣、發(fā)射、報警閾值設(shè)定、時間顯示等功能。根據(jù)規(guī)管生產(chǎn)廠家提供的離子流與真空度曲線，目前該真空計適用于日本ANLVA公司的954-7902型規(guī)管，美國Varian公司的UHV-24型規(guī)管，以及國產(chǎn)的DL7和M001型規(guī)管。圖2的Gao.Hot是在本實驗室按照ISO/DIS3568國際標(biāo)準(zhǔn)建造的比對系統(tǒng)上為該真空計做的比對結(jié)果，使用的規(guī)管為954-7902型規(guī)管。圖中的橫坐標(biāo)為BALZERS公司的IMG040型真空計的測量值，相當(dāng)于二次標(biāo)準(zhǔn)。

　　冷陰極磁控超高真空計的設(shè)計除規(guī)管所需電源為高壓電源外，其它類似于熱陰極電離超高真空計。高壓電源采用為微通道板和光電倍增管設(shè)計的高精度電源模塊，其結(jié)構(gòu)緊湊、小巧。目前該真空計適用于BALZERS公司的IKR 020規(guī)管和國產(chǎn)M014型規(guī)管。比對結(jié)果如圖2的Gao.Cold所示，使用的規(guī)管為IKR 020型規(guī)管。圖中的彎曲是因為測試時的規(guī)管下限為1×10-7 Pa。

　　(3)將冷陰極磁控超高真空計的設(shè)計簡化后，用于光束線前端的快速關(guān)閉閥傳感器及控制器，該傳感器有兩個20 mA電流環(huán)輸出，一路用于關(guān)斷快閥，一路去真空聯(lián)鎖保護控制器，用于聯(lián)動光束線前端的水冷光屏和氣動閥門。傳感器所用規(guī)管位于光束線后端的實驗站附近，報警閾值在1×10-1～1×10-5 Pa之間。在去除各種可能的窄脈沖干擾后，報警響應(yīng)時間小于500 μs，最后快閥關(guān)斷應(yīng)小于7 ms[3]。

　　(4)真空聯(lián)鎖保護控制器的設(shè)計強調(diào)可靠性和抗干擾性。設(shè)計中采用全隔離技術(shù)。單片機系統(tǒng)的5 V電源直接由目前流行的AC/DC開關(guān)電源功率模塊得到，來自各種真空傳感器的報警信號通過光偶陣列輸入，數(shù)字系統(tǒng)的輸出通過光偶陣列驅(qū)動開關(guān)閥門的功率可控硅陣列。由于開關(guān)無觸點，使用壽命長。通訊接口CAN也通過兩片數(shù)字式光偶隔離。工作框圖如圖3。該裝置的工作方式分聯(lián)鎖控制和手控兩種方式。在儲存環(huán)、光束線實驗站正常工作情況下，裝置處于聯(lián)鎖狀態(tài);而在光束線調(diào)試的情況下，通常處于手控工作方式。需要手控工作時，必須敲入密碼方可進(jìn)入。由于手控工作時必須能任意開關(guān)控制各閥門，本設(shè)計最多可驅(qū)動24個閥門。一片8243用于擴展輸出口，一片可編程的GAL16V8可以在出現(xiàn)異常情況時進(jìn)行必要的邏輯處理和控制。由于開關(guān)閥門所需的組合邏輯完全是可編程的，因此同一設(shè)計可以適用于不同類型的光束線實驗站。

　　3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　基于PC的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)能夠利用PC機所有強大的數(shù)據(jù)運算、存儲能力和優(yōu)良的編程環(huán)境。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用NI公司的圖形化虛擬儀器平臺LabVIEW,另外現(xiàn)在眾多國內(nèi)廠家及NI公司也提供包括PC/CAN，RS232C/CAN，RS485/CAN等現(xiàn)場總線硬件產(chǎn)品。利用這些硬件產(chǎn)品，使用NI的編程平臺很容易構(gòu)筑專用的測控系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)在Win95平臺下構(gòu)造，可以充分利用其提供的各種多媒體功能，應(yīng)用多種手段實現(xiàn)良好的人機界面，從而容易實現(xiàn)強有力的分析和處理等功能。

　　整個監(jiān)控系統(tǒng)畫面結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，主要由六部分組成，其中控制和監(jiān)測子系統(tǒng)畫面中可以顯示該子系統(tǒng)的所有主要真空計、各閥門的開關(guān)狀態(tài)、重要參數(shù)以及各參數(shù)的實時曲線和歷史曲線;報警子畫面顯示整個系統(tǒng)順序發(fā)生的所有報警事件、時間;參數(shù)數(shù)據(jù)庫實時記錄整個系統(tǒng)所有重要參數(shù)變化。其中參數(shù)數(shù)據(jù)庫可通過DDE功能和利用Excel實現(xiàn)。

　　4　結(jié)語

　　目前，基于CAN總線的NSRL光束線及環(huán)真空監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計除聯(lián)鎖保護控制器尚未最后完成外，其余已基本結(jié)束。其中的兩種超高真空計設(shè)計將作為獨立項目進(jìn)行成果鑒定。兩種真空計的量程范圍分別為2.5×10-9～1.0×10-1 Pa和1.35×10-8～1.0×10-1 Pa。CAN以其卓越的特性及極高的可靠性，特別適合工業(yè)過程等監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)，受到工業(yè)及儀器、儀表領(lǐng)域的廣泛重視，并已經(jīng)被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一，且成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11898)[4]。本系統(tǒng)的最終完成和實施，必將提高NSRL真空監(jiān)測和聯(lián)鎖保護的可靠性及實時性，也將使NSRL的現(xiàn)場測控技術(shù)提高到一個新的水平，并向國際水平靠攏。作為現(xiàn)場總線的典型應(yīng)用，也將有極高的推廣價值。