HIMM离子源测试平台控制软件设计与调试
宿建军，王彦瑜，周德泰，李运杰，张建川
中国科学院近代物理研究所，兰州 730000

    摘要：LAPECR3-01离子源是为医用重离子加速器HIMM(Heavy Ion Medical Machine)提供所需离子束流的装置，为全永磁电子回旋共振(ECR)离子源。离子源控制系统基于以太网分布式控制，本文详细介绍控制系统的基本结构、工作原理、联锁设计、图形界面的设计方法。针对真空、电源、冷却水等子系统联锁要求，设计实现了联锁保护功能。该控制系统已经投入使用，工作稳定可靠，在离子源测评平台调试过程中得到验证。 
    关键字：HIMM；控制系统；离子源

    HIMM是我国第一台具有自主知识产权的医用重离子加速器[1]，该加速器规模庞大，设备众多，离子源作为同步环注入器，除了束流指标要求，在系统长期工作稳定性、设备安全性等方面也有很严格的要求[2]。
    控制系统采用加速器控制主流的分布式控制结构。控制系统对加速器设备工作状态进行自动监测和自动控制，并为操作人员提供设备运行参数和调束手段，使各设备间协调运行，以得到理想束流。加速器运行状况的优劣与控制系统的实时性、稳定性、可靠性和控制精度密切相关。通过工业以太网实现控制室和现场之间的数据通信，为了加强网络电磁抗干扰能力，部分系统采用光纤作为网络传输介质。联锁保护功能针对设备安全和人身安全设计，在加速器这样需要长期运行的大型设备中，尤其是医疗设备中，联锁保护功能显得尤为重要。

1 测试平台

测试平台包括离子源、Glaser透镜、双向校正磁铁、双90度分析磁铁、四极透镜以及束流诊断设备，而诊断设备包括狭缝、法拉第筒及发射度探测器，如图1所示。狭缝用于限制某个位置束流包络的大小，安装在水平方向可以限制该位置束流水平方向包络，安装在垂直方向就可以限制该位置束流垂直方向包络，位置分辨率为0.1mm。法拉第筒利用导体收集离子束来测量束流大小，采用锥型圆桶铜导体并外加抑制负偏压以减少离子溅射产生的二次电子逃逸，提高测量的精度，分辨率为0.1μA。发射度探测器为Allison型发射度探测器,该探测器是一种双狭缝法，采用电扫描取样束流，分别测量水平和垂直两个方向的发射度，位置分辨率0.1mm，角度分辨率约为1.2mrad，系统机械误差小于2%。

2 控制系统设计

    离子源形成的低能离子束流通过回旋加速器加速后得到中能离子束流，并注入到中能束线。离子源控制系统中，具体需要控制的模块主要包括真空监控模块，分子泵电源测控模块，阀门测控模块，冷却水状态监测模块，偏压电源测控模块，气体测控模块，微波机测控模块，信号源测控模块，高压测控模块，引出高压监测模块，干泵测控模块，机械泵测控模块和进气控制等模块。离子源设备根据工作环境分为高压平台和低压平台，因此控制设备也分为高压平台控制硬件设备和低压平台控制硬件设备，离子源控制系统的硬件结构如图2所示。

图1. HIMM在线测试平台

图2 控制硬件设备结构

    控制系统由多台控制主机控制多个子系统，由过程控制级和过程监控级组成以通信网络为纽带的多级子系统，基本思想是分散控制、集中操作、分级管理，实现集中管理和逻辑控制的分散。被控设备可达数十台，硬件信号量可达上百个，控制系统需要较高的可靠性、控制精度和实时响应速度。中央控制计算机与各子系统计算机采用RS485、RS232、LAN通讯模块来完成现场的数据传输[3]。
    从离子源设备控制系统角度来分析，控制软件面向硬件设备及操作人员。控制软件逻辑上进行分解，可分解成用户层、设备层、功能层。系统框架按照其逻辑功能不同分为五个部分，包括用户交互界面层、系统交互层、逻辑操作层、数据管理层、通用模块调用层。 
    1）用户交互界面层为直接跟用户打交道的窗口界面，即操作人员直接从界面上看到的最直观部分。主要是图形图像、参数设置、控件组件等组成的界面。
    2）系统交互层是软件程序内部与开发平台系统之间的通信交互层。控制软件设计基于窗口，采用基于Windows系统消息响应机制处理串口、网络以及窗口间的通信事件。同时也调用API函数，帮助完成软件相关功能。
    3）逻辑操作层是实现控制操作的部分，根据操作对象可划分为设置参数程序、系统工具程序、子系统数据解析和显示程序、图形图像程序、联锁保护程序，数据库相关操作程序。这些程序在用户界面层都有对应控制界面，能与其他各个层进行通信。
    4）数据管理层完成数据库与控制系统数据的交互与管理功能，为操作人员方便高效地获取、查询和操作数据。数据管理层部分与逻辑操作层进行交互，主要针对数据存储及数据联锁保护。嵌入式控制系统数据管理功能可以提高数据管理效率，方便查询、导出数据，使数据管理与控制系统整体性更好。
5）通用模块层指逻辑操作层各系统以及其他各部分经常调用的通用类，其中网络类和串口类还需调用系统交互层里面的I/O实现同硬件通信。 
    五部分相互融通、相互调用，每部分的运行过程需要与其他模块进行信息交互。控制系统软件调度按照自上而下的模式，各子系统作为主控制软件所调度的子程序由主控制软件按需求读写或者动作。
加速器控制中硬件结构的频繁变化要求控制软件具有较高的重构性，模块机制保证了重构的灵活性。控制软件由各功能模块及其通信部分组成，模块可以从软件中方便地添加或删除，以满足特定要求。功能模块用于通信链接、命令编码、信息解码、数据存储和联锁保护功能。交互模块由文本显示、图形图像显示、控制和动态显示等组成，模块接口与制约关系如图3。
    一般地，应用程序控制流程基本上是顺序执行的，按照预先逻辑设定，从开始到结束顺序地执行。如果有异常事件发生，标准执行流程将会被改变，事件驱动的GUI程序其驱动为命令和选择。为了满足控制系统的要求，在控制软件设计中采用了反馈机制、容错机制、心跳机制和模块机制。心跳机制保证了通信链路有效性检测。消息缓存重发和数据延迟测试保证了噪声数据的检测以及报警联锁机制可靠性。容错机制包括中断重连机制和重复握手通信

3 联锁保护设计

加速器作为一个系统整体，根据功能划分成多个系统，不同系统之间也存在互相联系和相互制约，因此系统间也存在联锁保护，子系统联锁对系统正常运行中的重要参数都有相应的范围限制，子系统会实时反馈各系统参数值，当参数值超出规定范围，触发子系统联锁保护信号，子系统联锁保护程序状态如图4所示。
    针对离子源系统，其设备联锁的主要基础条件有电源电压、真空度、水流状态、水温、水压、主磁场等。设计中对要求严格的条件或者阈值实现联锁，对部分条件只实现报警提示功能。从联锁反应时间考虑，对于水流状态、水压、真空、主磁场等快变化条件，需要实现快反应时间的硬联锁；而对于温度等慢变化的基础条件，可以用软联锁实现[4]。从设备安全和人员安全方面考虑，涉及易损坏设备和防护相关的都要做硬件联锁。真空系统内部需要联锁的设备主要是不同位置的阀门，主要用于保护相邻真空管道的真空度；HIMM离子源使用的真空计自带触点设置功能，利用此功能能实现针对真空度条件的联锁要求，针对无法实现触点硬连接的设备，通过程序软联锁方式实现[5]。

<<RangeData>>

<<Set Range>>

<<Set Range>>

 Graphical Module
module 

Parameter Module

Subsystem data Module

System Tools Module

Interlock Module

Data Store Module

Data Interlock Module

Data Query

Sockets Class

Serial ports Class

Graphical Class

Data analysis Class
analysis

Data Export

Authority Management

Historical Data Management

Graphical Interfaces 

Parameter Interfaces

Data Interfaces

System Tools Interfaces

  Interlock Interfaces

Data Admin Interfaces

<<Data>>

  <<Data>>

System API
API

Message Mechanism
API

Registers

图3. 模块接口与接口制约关系图.

处理子系统状态

故障处理状态

启动故障处理状态

故障报警状态

关闭故障处理状态

工作运行状态

回读显示状态

参数范围判断状态

关闭逻辑运行状态

故障关闭设备状态

启动逻辑状态

启动故障，如通信

启动正常

参数超范围

参数正常
(故障恢复正常首次处理)

紧急故障

总控制

启动故障，如通信

子系统控制

图4 子系统内联锁保护的程序状态图

    针对离子源系统，其设备联锁的主要基础条件有电源电压、真空度、水流状态、水温、水压、主磁场等。设计中对要求严格的条件或者阈值实现联锁，对部分条件只实现报警提示功能。从联锁反应时间考虑，对于水流状态、水压、真空、主磁场等快变化条件，需要实现快反应时间的硬联锁；而对于温度等慢变化的基础条件，可以用软联锁实现[5]。从设备安全和人员安全方面考虑，涉及易损坏设备和防护相关的都要做硬件联锁。真空系统内部需要联锁的设备主要是不同位置的阀门，主要用于保护相邻真空管道的真空度；HIMM离子源使用的真空计自带触点设置功能，利用此功能能实现针对真空度条件的联锁要求，针对无法实现触点硬连接的设备，通过程序软联锁方式实现[6]。

4 实验测试及分析

    系统运行以来无故障稳定运行，经过长时的运行检验，系统功能正常，稳定可靠，达到了设计要求。运行在控制室IPC上的控制软件界面如图5所示。

图5 控制系统界面图

    离子源引出高压HV=22.3kV；工作气体C2H2(乙炔)，进气量57(伺服电机进气阀旋转角度)；微波频率14.5GHz，功率140W，反射功率7W；偏压盘电压-17.1*4V；负载电流1.86emA，C5+束流114eμA；分析铁电流设定为161.9A，回读值为161.2A，对应C5+离子束流；Glaser透镜电流设定为330A；四级透镜电流未加载；校正磁铁电流X及Y方向均为加载；束流狭缝X=12mm，Y=40mm；真空度Pinj=1.8×10-7mbar，Pext=1.2×10-7mbar，Pline=4.3×10-8mbar。
   24h束流稳定性：112.0±1.4eμA；C5+束流突变次数：大突变4次，小突变17次；束流突变恢复时间：基本都在百毫秒良级，个别的完全恢复需1～2秒。
    束流发射度测试中离子源狭缝X方向X=12mm，Y方向Y=40mm；引出高压加载至22.3kV；馈入C2H2气体，伺服电机旋转至74°；偏压电源电压-20.6×4V；微波机频率14.5GHz，功率为150W，反射功率12W；分析磁铁电流设定为161.5A；Glaser透镜电流设定为320A；四级透镜电流未加载；X校正电流设定为6A，Y校正电流未加载；负载电流为2.203emA，C5+束流109eμA；真空度Pinj=2.4×10-7mbar，Pext=1.4×10-7mbar，Pline=6.8×10-7mba。
分析磁铁扫描范围：80A～350A；扫描时间30秒；数据采集频率10次/秒。选取H2+作为标准参考峰，找出其峰值对应的分析磁铁电流值为147.1A，C5+对应的分析铁电流值为161.1A，分析铁电流值调节至161.1A，该电流值为对应的束流峰值为C5+离子束，扫谱结果如图6所示。

图6 扫谱结果示意图

5结 论

控制系统上线运行以来，为HIMM离子源测试实验提供了有力技术支撑，实现了离子源平台的测试与调束。另外，本项目还研究了在高压打火、强磁场、强电场等恶劣环境下的控制可靠性、数据传输稳定性、控制软件鲁棒性问题，如何安全、可靠地与硬件交互的技术与方法。

6参考文献

  [1] 肖国青, 张红, 李强, 等. 中国科学院近代物理研究所重离子束治癌进展[J]. 原子核物理评论. 2007,24(2):116-119.
  [2] Y. Y. Wang, W. X. Zhou, J. F. Luo et al. Upgrade of a kicker control system for the HIRFL.  Nucl. Instrum. Meth. A 20174,738:50-53.
  [3] W. X. Zhou, Y. Y. Wang, L. M. Pan et al. Control strategies used in the control software for the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou. Nucl. Instrum. Meth. A 2016,823:20-25.
  [4] 张建川, 周德泰, 李运杰等. HIMM回旋加速器控制系统中联锁保护功能设计与实现[J]. 强激光与离子束. 2016, 28(12):125107.
  [5] W.X. Zhou, Y.Y. Wang, D.T. Zhou et al., Design of a control sysytem for the LECR3. Nucl. Instrum. Meth. A 2013,728: 112-116.

Design and Test of Control Software for Ion Source Test Platform of HIMM
Jian-jun Su , Yan-yu Wang, De-tai Zhou, Yun-Jie Li, Jian-chuan Zhang
Institute of modern physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000

Abstract: LAPECR3-01 ion source, the permanent magnet electron cyclotron resonance (ECR) ion source, provides ion beam for HIMM(Heavy Ion Medical Machine). The control system for ion source are based on Ethernet distributed framework. The hardware structure, working principle, interlock design and graphics interface design are introduced and stated in this paper. Interlock protection are designed and implemented for vacuum system, power supplies system and cooling water system. The control system have already been put into use, running steadily and reliably.
Keywords：HIMM, control system, ECR