加速器控制 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室

1、2014年年8月月2日日中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室加速器控制加速器控制主要參考文獻(xiàn)1.劉松強(qiáng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理與方法，北京：科學(xué)出版社，2007.1.2.趙籍九，尹兆生，粒子加速器技術(shù)，北京：高等教育出版社，2006.11.3.Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, 現(xiàn)代控制系統(tǒng)（第十一版），北京：電子工業(yè)出版社，2011.4.4.胡壽松，自動控制原理（第六版），北京：科學(xué)出版社，2013.3.5.Proceedings of ICALEPCS, PAC, IPAC, EPAC, etc. http:/www.jaco

2、/index.php?n=Main.Proceedings6.The materials from EPICS home page, /epics/7.Kuo-Tung Hsu (許國棟), Controls and Diagnostics, the lecture of the fifth OCPA Accelerator School.2內(nèi)容提要一控制系統(tǒng)的基本概念二加速器控制系統(tǒng)三EPICS四HLSII控制系統(tǒng)3自動控制和自動控制系統(tǒng) 自動控制：在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象和過程的某個(gè)或某些被控量自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)

3、行。 自動控制系統(tǒng)：由控制裝置和被控對象所組成，它們以某種相互依賴的的方式組合成為一個(gè)有機(jī)整體，并對被控對象進(jìn)行自動控制。4自動控制理論的發(fā)展 經(jīng)典控制理論 1940-50年代形成，其發(fā)展由二戰(zhàn)中自動火炮、雷達(dá)、飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究所推動 研究內(nèi)容：SISO、線性定常系統(tǒng) 研究目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 基本方法：主要為頻域方法，拉普拉斯變換，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的根軌跡法、頻率響應(yīng)法 現(xiàn)代控制理論 1960-70年代形成，其產(chǎn)生由冷戰(zhàn)時(shí)期的空間技術(shù)所驅(qū)動 研究內(nèi)容：MIMO 研究目標(biāo): 最優(yōu)控制 基本方法: 主要為時(shí)域方法，以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法、貝爾曼的 動態(tài)規(guī)劃法和龐特里亞金的極小值原

4、理5自動控制理論的發(fā)展（續(xù)） 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1970年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多以計(jì)算機(jī)控制為基礎(chǔ)的自動化技術(shù)，自動化技術(shù)發(fā)生了根本性的變化，相應(yīng)的自動控制科學(xué)研究也出現(xiàn)了很多分支，如自適應(yīng)控制、混雜控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。離散系統(tǒng)，Z變換。6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 組成： 輸入/輸出模塊，提供輸入/輸出通道 以微處理器（Microprocessor）為核心的處理機(jī) 人機(jī)界面（Human-Machine Interface， HMI）7人機(jī)界面處理機(jī)輸入通道輸出通道傳感器動作器被控對象（設(shè)備） 定義：利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的基本要求 穩(wěn)定性（穩(wěn)）穩(wěn)定性是

5、保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。考慮到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動,可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。 準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）準(zhǔn)確性是指系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。穩(wěn)態(tài)精度是系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后或系統(tǒng)對抗干擾重新恢復(fù)平衡后最終保持的精度，與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及輸入信號形式有關(guān)。 快速性（快）快速性指系統(tǒng)過渡過程的時(shí)間短。過渡過程是系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后或系統(tǒng)對抗干擾重新恢復(fù)平衡的過程。8控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程1. 確定控制目標(biāo)和受確定控制目標(biāo)和受控變量，并定義系控變量，并定義系統(tǒng)性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)統(tǒng)性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求。要求。9確定控制目標(biāo)確定控制目標(biāo)確定受控變

6、量確定受控變量定義系統(tǒng)性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求定義系統(tǒng)性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求2.系統(tǒng)系統(tǒng)定義和建模定義和建模3.系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)、仿真和分析和分析進(jìn)行系統(tǒng)配置進(jìn)行系統(tǒng)配置建立系統(tǒng)模型，包括受控建立系統(tǒng)模型，包括受控對象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器對象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器對控制器進(jìn)行描述說明，并選對控制器進(jìn)行描述說明，并選擇確定需要調(diào)整的關(guān)鍵參數(shù)擇確定需要調(diào)整的關(guān)鍵參數(shù)對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，并分析對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，并分析系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能如性能滿足要求，如性能滿足要求，則則設(shè)計(jì)任務(wù)結(jié)束設(shè)計(jì)任務(wù)結(jié)束如性能未達(dá)到規(guī)定要求，如性能未達(dá)到規(guī)定要求，則修改系統(tǒng)配置則修改系統(tǒng)配置控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)工作方式或信號流向：開環(huán)、

7、閉環(huán)按系統(tǒng)規(guī)模 嵌入式控制系統(tǒng) 機(jī)箱式控制系統(tǒng) 分布式控制系統(tǒng)按體系結(jié)構(gòu)：集中式、分布式按系統(tǒng)性能：線性和非線性、連續(xù)和離散、定常和時(shí)變按設(shè)定值變化規(guī)律：恒值控制、隨動控制和程序控制按元件類型：機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、生物按系統(tǒng)功用：溫度控制、壓力控制、位置控制 10嵌入式控制系統(tǒng) “嵌”在被控設(shè)備中的控制系統(tǒng)，處理能力和I/O數(shù)據(jù)吞吐量都較小。 硬件結(jié)構(gòu)：主體包含在一個(gè)電路模塊中甚至一個(gè)芯片中。（System-on-Chip, SoC） CPU 存儲器：RAM+ROM IO通道：ADC+DAC+DI+DO FPGA/ASIC 診斷端口 輔助系統(tǒng)：電源和風(fēng)扇 軟件結(jié)構(gòu)：“超循環(huán)”方法處理多任務(wù)

8、，或?qū)崟r(shí)系統(tǒng) 人機(jī)界面：小顯示屏/指示燈+按鍵/旋鈕 應(yīng)用范圍：單個(gè)設(shè)備，如家用電器、數(shù)碼產(chǎn)品等11機(jī)箱式控制系統(tǒng) 系統(tǒng)安裝在機(jī)箱內(nèi)，通常由若干模塊通過機(jī)箱背板總線構(gòu)成緊耦合系統(tǒng)，近年來出現(xiàn)了采用高速串行總線和交換式結(jié)構(gòu)的機(jī)箱式系統(tǒng)。 背板總線：并行的、所有模塊共享數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)傳輸方式，如VME、cPCI、PXI等 產(chǎn)品：PC/IPC/VME/cPCI/ATCA/TCA等 應(yīng)用范圍：各類小型系統(tǒng)，如工業(yè)控制、雷達(dá)、電信等12CPCICPCI分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），也稱分散控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)，是1970年代中期發(fā)展起來的

9、、以微處理器為基礎(chǔ)的、實(shí)行集中管理分散控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。多臺計(jì)算機(jī)構(gòu)成，基于網(wǎng)絡(luò)的中、大規(guī)模控制系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)為： 分散過程控制裝置 集中操作管理裝置 通信系統(tǒng)13不同規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的比較嵌入式控制系統(tǒng)機(jī)箱式系統(tǒng)控制分布式控制系統(tǒng)控制范圍單個(gè)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室范圍10-1000米控制半徑I/O通道數(shù)10100量級1001000量級102106量級硬件系統(tǒng)單個(gè)電路模塊或單個(gè)芯片緊耦合/背板總線系統(tǒng)松耦合/網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)系統(tǒng)軟件低端：無操作系統(tǒng)高端：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)OPI：桌面操作系統(tǒng)IOC：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)14內(nèi)容提要一控制系統(tǒng)的基本概念二加速器控制系統(tǒng)三EPICS四HLSII控制系統(tǒng)15加速器控制系統(tǒng)的

10、任務(wù) 控制系統(tǒng)是將加速器各個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)系起來、協(xié)調(diào)工作的紐帶，也是加速器調(diào)試和運(yùn)行的平臺。 監(jiān)控各種設(shè)備 調(diào)節(jié)束流以實(shí)現(xiàn)物理目標(biāo)，如對撞、打靶、儲存供光等 滿足不同使用者的需求運(yùn)行人員加速器物理學(xué)家/機(jī)器研究人員各個(gè)子系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)人員管理人員：信息化管理16加速器控制系統(tǒng)的功能 設(shè)備的監(jiān)測控制功能 在中央控制室或本地對各類設(shè)備實(shí)施開關(guān)、參數(shù)調(diào)整 設(shè)備參數(shù)的save/restore 在中央控制室監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)及參數(shù) 束流調(diào)節(jié)的手段，即調(diào)束軟件 Matlab/AT, XAL/OpenXAL, SAD 儲存環(huán)閉軌校正、插入件補(bǔ)償、BBA等 以數(shù)據(jù)庫為核心的信息管理系統(tǒng) 提供機(jī)器參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)的查詢 機(jī)

11、器性能分析：參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析、參數(shù)相關(guān)性分析 故障報(bào)警和故障診斷 報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)功能，確保人員和設(shè)備的安全 時(shí)間系統(tǒng)，提供定時(shí)信號和時(shí)間同步功能 電子日志elog 網(wǎng)頁方式 相關(guān)工作人員共享/交換信息：設(shè)備安裝、調(diào)試、維護(hù)，各種想法等17加速器控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) 基于網(wǎng)絡(luò)的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 規(guī)模龐大，如LHC主環(huán)周長達(dá)27km 控制對象種類繁多：帶電粒子源、磁鐵、電源、真空、微波高頻、束流注入引出、束流測量、輻射防護(hù)、冷卻水、儲存環(huán)插入件等 控制對象數(shù)量大，如LHC的控制點(diǎn)達(dá)106 107量級 部分區(qū)域電磁干擾強(qiáng) 多種技術(shù)的集成 計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、自動控制、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁設(shè)計(jì) 電子學(xué)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字

12、信號處理、抗干擾和容錯(cuò)技術(shù) 控制系統(tǒng)工作壽命比加速器裝置設(shè)計(jì)壽命短 加速器裝置設(shè)計(jì)壽命一般為2030年 控制系統(tǒng)的工作壽命一般為510年，因?yàn)橛?jì)算機(jī)等技術(shù)更新太快 在加速器裝置的運(yùn)行壽命內(nèi)，控制系統(tǒng)需要經(jīng)歷23次的升級改造18早期的粒子加速器控制室19The SNS Control Room20A storyDavid Gurd, SNS controls group leader，retired now “Accelerator Control Systems A Personal Recollection” Beam Dynamics Newsletter，No. 47，December

13、2008When I joined the controls group at TRIUMF in 1970, the director did not want computers used for control. Indeed when the first terminal and keyboard was approved for programming purposes at TRIUMF (for$5000), he personally wrote on the order: “Not to be brought into the Control Room!” (I kept t

14、hat document as a souvenir until it was destroyed in the Los Alamos fire.)21加速器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)22Power SupplyBeam Position MonitorVacuum GaugeComputer InterfaceComputer InterfaceComputer InterfaceProcess Variables:Channel Access ServerS1A:H1:CurrentAOS1:P1:xS1:P1:yS1:G1:vacuumChannel Access ClientServer &

15、; storageLANIOC加速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”23分布式控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：分布式控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：分散過程控制裝置分散過程控制裝置集中操作管理裝置集中操作管理裝置通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模型最早由B. Kuiper在ICALEPCS91上提出。B. Kuiper, “Issues in Accelerator Controls”，Proceedings of ICALEPCS 91, Tsukuba, Japan, November 1991, pp. 602-611.M. E. Thuot, L. R. Dalesio, “Control System Architectur

16、e: The Standard and Non-Standard Models”，PAC1993_1086加速器控制系統(tǒng)硬件 the operator interface/管理層 PC/Linux 服務(wù)器：數(shù)據(jù)/文件/網(wǎng)頁 存儲：SAN、NAS、RAID data communication/數(shù)據(jù)通信 網(wǎng)絡(luò)：100/1000/10000M Ethernet 現(xiàn)場總線：DeviceNet、profibus/profinet 經(jīng)典的串行通信：RS232/422/485， RS232 to Ethernet the front-end computers/前端控制器 VME/cPCI/ATCA/ T

17、CA/PLC/FPGA主要設(shè)計(jì)方法： 盡量購買商業(yè)化產(chǎn)品，并減少硬件種類 考慮硬件系統(tǒng)各個(gè)層次的可用性：服務(wù)器虛擬化、存儲RAID、UPS、網(wǎng)絡(luò)冗余等24加速器控制系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng) 服務(wù)器/OPI：桌面操作系統(tǒng)，Linux/Unix 前端控制器：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，VxWorks/Linux (RT or non-RT)/RTEMSdata communication/數(shù)據(jù)通信 統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，一般基于TCP/IP 唯一的變量名稱，系統(tǒng)內(nèi)自動查找，“透明性” 數(shù)據(jù)庫 關(guān)系數(shù)據(jù)庫：Oracle/MySQL，靜態(tài)參數(shù)、歷史數(shù)據(jù) 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)庫： runtime database編程語言 C/C+、Ja

18、va、Matlab、LabVIEW、Python、Perl主要設(shè)計(jì)方法： 選定軟件開發(fā)包及版本，選定操作系統(tǒng)并盡量減少其種類 軟件工程：面向?qū)ο蟆⒔Y(jié)構(gòu)化/模塊化 中間件（middleware）25粒子加速器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 可用性（Availability）高A=MTBF/（MTBF+MTTR）*100% 標(biāo)準(zhǔn)化（standardization）高盡量減少軟硬件的種類，盡量購買商業(yè)化的產(chǎn)品以節(jié)約開發(fā)和維護(hù)成本 擴(kuò)展性（Scalability）好 便于升級和擴(kuò)展 開放性（Openness）好便于交流、共享開發(fā)成果26加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)過程27初步初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)預(yù)預(yù)研制研制工程工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)系

19、統(tǒng)建設(shè)建設(shè)（1）用戶需求調(diào)查：控制功能、穩(wěn)定度、響應(yīng)速度、操作模式、控制流程、聯(lián)鎖邏輯、人機(jī)界面、接口信號表、命名規(guī)則（2）國內(nèi)外同類系統(tǒng)及市場調(diào)研（3）選擇開發(fā)工具并建立開發(fā)環(huán)境針對技術(shù)難點(diǎn)或新型非標(biāo)設(shè)備的控制開展預(yù)研和樣機(jī)試制以及同類產(chǎn)品的性能比較確定系統(tǒng)開發(fā)工具和技術(shù)路線、軟硬件結(jié)構(gòu)、硬件選型和批量采購、硬件布局圖、線纜連接圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、設(shè)備監(jiān)控界面、調(diào)束軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)離線測試、聯(lián)機(jī)調(diào)試、系統(tǒng)安裝、在線調(diào)試加速器控制系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的建立 選擇開發(fā)工具 EPICS（Experimental Physics and Industrial Control System） TANGO（

20、TAco Next Generation Objects ） DOOCS（The Distributed Object Oriented Control System） SCADA：commercial 購置Unix/Linux服務(wù)器 建立編譯/交叉編譯環(huán)境 安裝遠(yuǎn)程登錄軟件（Exceed、Xmanager、ssh客戶端等） 安裝版本管理軟件cvs、svn28加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)工具 EPICS：open source 主頁：/epics/ 用戶：非常廣泛，100 projects TANGO：open source 主頁：http:/www.tang

21、/ 主要用戶：pESRF - European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, FrancepSOLEIL - Soleil Synchrotron, Paris, FrancepELETTRA - Elettra Synchrotron, Trieste, ItalypALBA - Alba Synchrotron, Barcelona, SpainpDESY - Petra III Synchrotron, Hamburg, Germany DOOCS：open source 主頁：http:/tesla.de

22、sy.de/doocs/doocs.html 主要用戶： DESY FLASH/European XFEL SCADA：commercial29EPICS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 30TANGO控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖31Andy Gtz etc， “THE TANGO CONTROL SYSTEM” Beam Dynamics Newsletter，No. 47，December 2008DOOCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖32http:/tesla.desy.de/doocs/doocs.html系統(tǒng)的可用性概念33 MTBF： Mean Time Between Failure，平均無故障時(shí)間用于度量系統(tǒng)的可靠性，可靠

23、性越高， MTBF值越大 MTTR： Mean Time To Restoration，平均維修時(shí)間用于度量系統(tǒng)的可維護(hù)性，可維護(hù)性越好，MTTR值越小 Availability：可用性, AA=MTBF/(MTBF+MTTR) * 100%。系統(tǒng)的可靠性越高，可維護(hù)性越好，則可用性越高加速器的可用性指標(biāo)早期的高能粒子加速器，設(shè)計(jì)時(shí)很少關(guān)注可用性指標(biāo)，甚至沒有這個(gè)指標(biāo)，如德國DESY的HERA。從實(shí)際運(yùn)行的情況分析，高能粒子加速器的可用性一般為75%-85%。現(xiàn)在設(shè)計(jì)的高能加速器，不但有可用性指標(biāo)，而且很有挑戰(zhàn)性，如計(jì)劃中的ILC（其總長度為31km）。 總可用性指標(biāo)為85% 其控制系統(tǒng)的可用

24、性指標(biāo)為99%可用性指標(biāo)對用戶裝置尤其重要 日本spring-8, 可用性： 99% 瑞士SLS，可用性：99% HLS，可用性：95%ARW（Accelerator Reliability Workshop） ARW2002、ARW2009、ARW2011 、ARW2013， 兩年一次 /workshops-1/arw/34提高系統(tǒng)可用性的基本方法35 防障防障：Fault Prevention or Fault Avoidance，防止或避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障。 硬件：高可靠性元件、設(shè)備，防干擾措施 軟件：嚴(yán)格的故障模式及

25、影響分析、高可靠性軟件技術(shù)等 容障容障： Fault Tolerance，使系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)仍能正常工作，即容忍故障。容障的基本技術(shù)是冗余。 空間冗余，又稱物理冗余，外加冗余資源減少故障帶來的損失 時(shí)間冗余，通過多執(zhí)行一遍代碼，可以消除暫態(tài)故障。此外還有信息冗余，例如通信協(xié)議中的冗余碼 排障排障： Fault Removal，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)或故障發(fā)生時(shí)，采用核查、驗(yàn)證等技術(shù)手段來排除故障。 核查（Verification），在系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的各個(gè)階段中實(shí)施 驗(yàn)證（Validation），在系統(tǒng)完成階段實(shí)施加速器可用性的相關(guān)因素J. Carwardine, C.Saunders, N.Arnoid

26、, et al. The ILC Control System, Proceedings of ICALEPCS07, Knoxville, Tennessee, USA, p271-275.36提高服務(wù)器可用性的方法 傳統(tǒng)的雙機(jī)熱備份系統(tǒng)或稱cluster系統(tǒng) 服務(wù)器的工作負(fù)載低，一般20% 空間、電源和冷卻成本高 虛擬化方法 服務(wù)器硬件資源（CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等）的邏輯抽象和統(tǒng)一表示 降低管理復(fù)雜度、提高資源利用率、降低運(yùn)營成本 虛擬化產(chǎn)品 Xen：開源，支持Windows、Linux VMware：VMware vSphere數(shù)據(jù)中心虛擬化 ，企業(yè)版 IBM：system Z系列（大型機(jī)

27、）、system P系列（小型機(jī)） Microsoft：Windows Server 2008的Hyper-V37服務(wù)器虛擬化的兩個(gè)方向38一變多將一臺服務(wù)器虛擬化成更多的虛擬機(jī)大型機(jī)的虛擬化：IBM的LPARUNIX服務(wù)器： IBM的LPAR HP的nPAR，vPAR Sun的Domain、ContainerIntel架構(gòu)服務(wù)器： VMware的vSphere多變一將多臺服務(wù)器虛擬化成一臺虛擬機(jī)并行計(jì)算（Parallel Computing）高性能運(yùn)算（HPC）分布式運(yùn)算（Distributed Computing）網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）云計(jì)算（Cloud Computin

28、g）vSphere虛擬計(jì)算中心的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)39FC存儲陣列存儲陣列iSCSI存儲陣列存儲陣列NAS存儲陣列存儲陣列VirtualCenter管理服務(wù)器管理服務(wù)器VIClient圖形終端圖形終端FC交換機(jī)交換機(jī)Fabric IP網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)ESX/ESXiVMVMVMVMVM服務(wù)器群服務(wù)器群1服務(wù)器群服務(wù)器群2服務(wù)器群服務(wù)器群3Web瀏覽器瀏覽器虛擬化實(shí)現(xiàn)機(jī)制40虛擬化前虛擬化前虛擬化后虛擬化后服務(wù)器虛擬化將硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序一同裝入服務(wù)器虛擬化將硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序一同裝入一個(gè)可遷移的虛擬機(jī)檔案文件中一個(gè)可遷移的虛擬機(jī)檔案文件中軟件必須與硬件相結(jié)合軟件必須與硬件相結(jié)合每臺機(jī)器上只有單一

29、的操作系統(tǒng)每臺機(jī)器上只有單一的操作系統(tǒng)鏡像鏡像每個(gè)操作系統(tǒng)只有一個(gè)應(yīng)用程序每個(gè)操作系統(tǒng)只有一個(gè)應(yīng)用程序負(fù)載負(fù)載每臺機(jī)器上有多個(gè)負(fù)載每臺機(jī)器上有多個(gè)負(fù)載軟件相對于硬件獨(dú)立軟件相對于硬件獨(dú)立未更改過的應(yīng)用未更改過的應(yīng)用未更改過的未更改過的OS虛擬硬件虛擬硬件用VMotion減少計(jì)劃內(nèi)宕機(jī)時(shí)間41VMotion的優(yōu)點(diǎn) 零宕機(jī)時(shí)間: 進(jìn)行有計(jì)劃的服務(wù)器維護(hù)和升級遷移工作負(fù)載，資源利用率最大化 服務(wù)器的持續(xù)可用性, 完整的交易集成 支持Fibre Channel和iSCSI SAN環(huán)境以及NASSAN/NASSAN/NASVMware HA切換過程演示42時(shí)間系統(tǒng)的分類定時(shí)系統(tǒng)： 傳遞的時(shí)間信息基于相對

30、時(shí)間，即基于某個(gè)時(shí)間參考點(diǎn)的時(shí)間值。 定時(shí)系統(tǒng)是現(xiàn)代電子學(xué)和計(jì)算機(jī)的核心，從芯片級（CPU芯內(nèi)的定時(shí)）、電路板級（處理機(jī)模塊內(nèi)的定時(shí)）、設(shè)備級（計(jì)算機(jī)內(nèi)的定時(shí)）直到分布式系統(tǒng)的定時(shí)，其原理和遇到的問題都是相同或相近的。 在分布式控制系統(tǒng)中，若干分布在不同位置的設(shè)備，需要通過定時(shí)系統(tǒng)從主時(shí)鐘獲得相對時(shí)間信號，用于觸發(fā)（或延時(shí)觸發(fā)）執(zhí)行特定的控制（或測量）。這種系統(tǒng)級的定時(shí)/觸發(fā)系統(tǒng)所需要的時(shí)間精度因設(shè)備的功能而異，從ms到ps量級不等。時(shí)間同步系統(tǒng)： 傳遞的時(shí)間信息基于絕對時(shí)間，即基于日期（年月日時(shí)分秒）。 分布式控制系統(tǒng)中，不同計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行的進(jìn)程之間往往需要保證同步/互斥關(guān)系，所進(jìn)行的測量

31、或控制也需要滿足時(shí)間因果關(guān)系。為此，需要通過網(wǎng)路通信建立時(shí)間同步系統(tǒng)，由主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)向所有其它節(jié)點(diǎn)傳送稱為時(shí)間戳（time stamp）的短數(shù)據(jù)包，提供統(tǒng)一的參考時(shí)間，用來校正各節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。43定時(shí)系統(tǒng) 定時(shí)系統(tǒng)的任務(wù)為加速器設(shè)備提供一系列時(shí)序信號，完成從粒子產(chǎn)生、注入、引出、加速、積累到物理目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程。為束流測量系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)線站設(shè)備提供各種定時(shí)信號。為增強(qiáng)器磁鐵電源提供同步信號，要求較前2項(xiàng)低，在增強(qiáng)器回旋周期量級（ s）。 技術(shù)路線的選擇依據(jù)性能需求：穩(wěn)定性、精度、分辨率運(yùn)行需求：運(yùn)行模式（patterns of operation）的復(fù)雜度傳輸方式：性能、價(jià)格、復(fù)雜度4

32、4定時(shí)系統(tǒng)按傳輸方式分類 模擬定時(shí)系統(tǒng)通過同軸電纜或光纜直接（不加調(diào)制、不編碼）傳輸定時(shí)脈沖信號。時(shí)間分辨率高，但靈活性不高，動態(tài)范圍受計(jì)數(shù)器位數(shù)的限制。 數(shù)字定時(shí)系統(tǒng)時(shí)間信息經(jīng)過編碼之后以數(shù)字信號的方式發(fā)送，如廣泛用于粒子加速器的事件定時(shí)系統(tǒng)。靈活性高，易于擴(kuò)展?？商峁┒喾N定時(shí)信號，如高頻頻率、增強(qiáng)器回旋頻率、儲存環(huán)回旋頻率等。45模擬定時(shí)系統(tǒng)46HLS 定時(shí)系統(tǒng)：模擬定時(shí)系統(tǒng)18路輸出，提供給電子槍、微波源、沖擊磁鐵、切割磁鐵、能譜靶、開關(guān)磁鐵及調(diào)制器1 6 各1路，另有6 路備份。脈沖周期、延時(shí)及脈寬均可步進(jìn)調(diào)節(jié), 最小步長為0.1 s, 抖動小于10 ns，注入頻率0.5Hz。時(shí)間范圍

33、，0.05 s2s，4107，對應(yīng)計(jì)數(shù)器26位（226=6.4107）47事件定時(shí)系統(tǒng)（event system）利用Gigabit以太網(wǎng)物理層協(xié)議，事件發(fā)生器（Event Generator，EG）將輸入的觸發(fā)定時(shí)信號轉(zhuǎn)換為16bit的編碼發(fā)送出去，事件接收器（Event Receiver，ER）從編碼中提取并輸出信號。各種設(shè)備使用同樣的事件接收器，它根據(jù)事件碼所指定的內(nèi)容（延遲時(shí)間和脈沖寬度等）輸出各種定時(shí)信號。時(shí)間分辨率： 2.5Gbps，16bit，8B10B，則傳輸20bit用時(shí)8ns，即時(shí)間分辨率為8ns。48上海光源定時(shí)系統(tǒng)定時(shí)系統(tǒng)的模式A：單束團(tuán)B：多數(shù)團(tuán)模式C：混合束團(tuán)模式4

34、91.44usSingle BunchAMulti BunchB150300ns2ns1.44usC1501.44usMixed BunchStorageRingLINAC BoosterK1K2K3StorageRingLINAC BoosterK2K3StorageRingLINAC BoosterK2K3K1K1 7.2usCoincidence ClockSR Rev Clock1.44usBooster Rev Clock0.6usRF Clock0.5sGUN trigger Syn.with Booster Rev FreqLinac Modulator3us300ns/150B

35、eam pulse in linac300ns/150Beam pulse in boosterBooster Inject SEP60usBooster Inject Kicker350ns150ns100MeV3.5GeVBoosterc Magnet Field3.5GeV100MeVBooster RampingBooster Inject SEPBooster Extract Kicker300ns/150Beam pulse in SR60usSR Inject SEP4usSR Inject Kicker主定時(shí)系統(tǒng)的邏輯時(shí)序高頻頻率：499.654MHz儲存環(huán)回旋周期：1.44u

36、s（ 回旋頻率為0.69444 Mhz）儲存環(huán)諧波數(shù)：720增強(qiáng)器回旋周期：0.6us (回旋頻率為1.666Mhz)增強(qiáng)器諧波數(shù)：300直線高頻工作頻率：2997.924MHz注入重復(fù)頻率：2Hz直線工作模式：單束團(tuán)模式(1ns脈沖寬度) 多束團(tuán)模式(間隔2ns的150個(gè)連續(xù)束團(tuán))趙黎穎, 殷重先, 劉德康上海光源定時(shí)系統(tǒng)（續(xù)）50定時(shí)系統(tǒng)的布局圖定時(shí)系統(tǒng)的硬件框圖FEL的定時(shí)與同步 FEL同步系統(tǒng)的任務(wù)是保證系統(tǒng)基準(zhǔn)信號（主時(shí)鐘信號）能夠準(zhǔn)確而穩(wěn)定地發(fā)布到包括注入器、加速器、波蕩器、種子激光器以及用戶激光器中，使各個(gè)子系統(tǒng)與主時(shí)鐘之間保持良好的鎖相關(guān)系，以保證束流品質(zhì)和用戶實(shí)驗(yàn)的完成 目前

37、對同步系統(tǒng)的要求主要取決于pump-probe（泵浦-探測）實(shí)驗(yàn)pump-probe實(shí)驗(yàn)原理：用戶激光用于激發(fā)（pump）樣品，來自FEL的激光用作探針（probe），改變兩束激光的時(shí)間差，可以測得樣品在原子尺度的動態(tài)圖像（movie）目前的最高時(shí)間分辨可達(dá)到0.1fs量級需要嚴(yán)格控制兩束激光脈沖間的時(shí)間抖動（jitter），使之小于FEL激光脈沖長度51穩(wěn)相傳輸方案對比技術(shù)方案技術(shù)方案抖動抖動漂移漂移基本原理基本原理造價(jià)造價(jià)RF/同軸電纜fs量級psRF源，高頻穩(wěn)相電纜低RF/同軸電纜（溫控+穩(wěn)相）fs量級100fsRF源，高頻穩(wěn)相電纜高頻鑒相，溫度控制高脈沖激光5fs10fs激光主振，光學(xué)

38、互相關(guān)很高連續(xù)激光（干涉）fs量級20fsRF調(diào)制的連續(xù)激光，光學(xué)干涉法鑒相很高連續(xù)激光（RF鑒相）10fs CC: 10SCAN: 10 secondAnalog InL1:water:temp1EGU: deg CVALINPEGU: deg CVALINPINPBINPAVALDOLOUTT2SensorSensorT1IOCDatabaseADCADCBinary I/OChillerAnalog InL1:water:temp2Inside an IOC95LANI/O HardwareIOCThe major software components of an IOC (IOC C

39、ore)DatabaseRecord RecordSequencerDevice SupportChannel AccessThe Sequencer96Runs programs written in State Notation Language (SNL)SNL is a C like language to facilitate programming of sequential operationsFast execution - compiled codeProgramming interface to extend EPICS in the real-time environme

40、ntCommon uses Provide automated start-up sequences like vacuum or RF where subsystems need coordination Provide fault recovery or transition to a safe state Provide automatic calibration of equipmentSNL implements State Transition Diagrams97State AState BEventActionTransitionA to BSTD Example98Start

41、lowhighv 5.0print sncExample: Changing to highv 5.0) printf(sncExample: Changing to highn); state high state high when (v 40臺 softIOC：22+2 （C/S） OPI：2+1（C/S） HLA：3 存儲：2 網(wǎng)頁：2 開發(fā)/測試等：10HLSII服務(wù)器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接113HLSII虛擬化服務(wù)器的管理界面114HLSII的中央控制室115HLSII控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)開發(fā)工具：EPICS base：R modules：seq-2.1.6、asyn4-1

42、8 、streamDevice-2-5、s7plc、tds3000-2.4、iocStats-R3-1-9 、autosave-4-7 Extensions：edm-1-12-75、SNS_CSS_3.1.4、pyepics-3.2.0、procServ 操作系統(tǒng) 服務(wù)器/OPI：CentOS 6 SoftIOC：CentOS 6 NI cRIO 9073: vxWorksIOC：15000 records數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) RDB Channel Archiver OracleJSP 歷史數(shù)據(jù)：10GB/week編程語言 C/C+、Java、MatLab、Python、LabVIEW116LabVIEW PCAS Interface117The concept: a C+ library which provides channel access serve