ADS注入器II强流质子RFQ加速器控制系统的研究

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中国科学院近代物理研究所目前承担了ADS直线注入器II的研制,用于该注入器的四翼型RFQ工作频率是162.5MHz,可将质子束从35keV加速到2.1MeV。由于高频腔一旦失谐,会引起反射功率的增加和功率馈送的效率下降,从而导致束流品质的变坏,所以RFQ运行的稳定性和可靠性关系到整个直线注入器的性能。因此需要搭建一套稳定并可靠的控制系统来确保RFQ的正常运行,提供对RFQ水路信息的准确采集和及时响应的联锁保护系统,高频以及水冷、真空控制系统。RFQ控制系统采用EPICS分布式架构,完成了对RFQ功率源、水冷和真空、水温联锁保护等系统的底层驱动开发。水温联锁保护系统使用冗余PLC实现所有控制功能,极大加强了系统的稳定性,降低了系统故障率,对RFQ加速器的稳定运行起到了关键作用。本论文实现了国内首套基于EPICS分布式控制系统并且具有PLC控制器冗余功能的强流质子RFQ加速器控制系统的研究开发。论文主要论述了基于EPICS的RFQ加速器控制系统和水温联锁保护系统的具体实现方法。其中,在基于EPICS的控制系统设计中,详细介绍冗余PLC以及功率源等设备EPICS底层驱动的解决方法,冗余PLC的EPICS驱动程序使用TCP/IP协议,可以从主备两个PLC处获取数据,并且不受故障PLC的影响。此外,使用Streamdevice,完成了水冷机、真空计、研华4068模块等设备EPICS底层驱动的编写,并且自行开发代码植入到Streamdevice模块内,完成了Streamdevice对新校验类型的支持,实现了水冷系统的控制,真空度的回读以及超限时的声光报警功能。由于ADS注入器II束诊和超导腔测试系统的控制由其内部人员独立开发,Labview被大量使用,论文还对Labview与EPICS数据接口问题进行了研究,使用DSC模块及CALab的方式完成了EPICS和Labview之间的数据交互和访问,实现了ADS控制系统所有数据的透明性和统一性。为进一步提高系统的可靠性,水温联锁保护系统的控制器使用了菲尼克斯的RFC460R PN3TX冗余PLC,与设备的通讯方式主要是模拟量和数字量信号,主备PLC通过千兆光纤进行数据同步。通过PC WORX软件完成对PLC进行编程,实现了RFQ所有水路流量、温度和压力信息的准确读入以及与EPICS系统的数据交互,并且通过实时判断采集的数据实现相应的报警提示和联锁保护功能。本地触摸屏通过OPC技术与PLC之间进行数据通讯,使用Visu+软件完成了触摸屏人机交互界面的设计。使用CSS完成了EPICS系统的上层界面开发,通过在线运行的结果表明,RFQ控制系统满足目前RFQ调束和运行的需要,达到设计要求。此外,基于PIC24单片机,实现了单片机与FPGA调节器的通讯以及对触摸屏的配置和控制工作,完成了数字电源监控系统的设计。
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