基于EPICS的KSTAR集成控制系统外文翻译资料

 2022-03-12 15:42:32

The KSTAR integrated control system based on EPICS

K.H. Kim , C.J. Ju, M.K. Kim, M.K. Park, J.W. Choi, M.C. Kyum, M. Kwon,

the KSTAR Control Team

National Fusion Research Center, 52 Eoeun-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-806, Republic of Korea

Available online 23 May 2006

Abstract

The Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) control system will be developed with several subsystems, which consist of the central control system (e.g. plasma control, machine control, diagnostic control, time synchronization, andinterlock systems) and local control systems for various subsystems. We are planning to connect the entire system with several networks, viz. a reflective-memory-based real-time network, an optical timing network, a gigabit Ethernet network for generic machine control, and a storage network. Then it will evolve into a network-based, distributed real-time control system. Thus, we have to consider the standard communication protocols among the subsystems and how to handle the various kinds of hardware in a homogeneous way. To satisfy these requirements, EPICS has been chosen for the KSTAR control. The EPICS framework provides network-based real-time distributed control, operating system independent programming tools, operator interface tools,archiving tools, and interface tools with other commercial and non-commercial software. The most important advantage of the use of the EPICS framework is in providing homogeneity of the system for the control system developer. The developer does not have to be concerned about the specifics of the local system, but can concentrate on the implementation of the control logic with EPICS tools. We will present the details of the integration issues and also will give a brief summary of the entire KSTAR control system from an integration point of view.

Keywords: Tokamak control; Plasma control system; Real-time network; Distributed control system; EPICS; KSTAR

1. Introduction

The integrated control system for KSTAR [1] should be categorized as a network-based distributed control system, since the entire control system for KSTAR will be composed of several subsystems classified by their functions in the entire system. The subsystems will be connected through networks and will make highly sys-temized interaction with one another. The integrated control system will be realized by the connections and by the interactions among subsystems as mentioned above. To develop an extensible and reliable control system, the use of verified development tools and mid-dleware is required. These can provide us with a frame-work for making a distributed control system and can provide software facilities such as a standard commu-nication protocol, processing databases, bundled hard-ware drivers, etc. We have chosen EPICS [2] as the standard development tool and middleware for the KSTAR control system. It has the channel access (CA) commu-nication protocol to make TCP/IP connections between EPICS systems and to transfer processing variables (PVs) through the protocol. The EPICS also provides us with a processing database, which is a set of PVs, and we can implement control algorithms through configu-rations of the processing database. Some of Graphical User Interface (GUI) Tools can be used for the config-urations of databases and they can be used as a kind of graphical programming language. EPICS has the State Notation Language (SNL), which is very similar to the C language and can easily make a Finite State Machine (FSM) model. There are many tools that can be used to make Operator Interface (OPI) and to make an archiv-ing system. The CA gateway can be used for access control and for configuration of the network topology. We have studied how the EPICS system can be used for the KSTAR control system and which features in EPICS can be used for specific requirements in the KSTAR control system.

2. Structure of the KSTAR control system

The KSTAR integrated control system (Fig. 1) is composed of the central control system(CCS), which provides us with the capability of performing supervi-sory control for the entire system and many local sys-tems. The central control system contains the plasma control system (PCS), machine control system (MCS), diagnostic control system (DCS), time synchronization system (TSS), and interlock system (ILS). These sys-tems are connected by several network systems: the machine control network-based on Ethernet, the tim-ing network-based on optical fibers with KSTARrsquo;s own timing network protocol, the reflective-memory-based real-time network (RTNet), and an interlock network-based on optical ControlNetTM [3].

Fig. 1. Structure of KSTAR control system.

2.1. Supervising the entire system

The system provides OPIs for man–machine inter-face (MMI) and for performing the continuous moni-toring and control for entire systems. EPICS OPI tools can be used to develop machine operation MMIs. The OPI tools provide many advantages to develop MMI for plant operation, such as alarm handling, visual-ization for system and operation status, etc., but they are inadequate to display scientific data. Hence, we are going to use MDSplus tools such as JScope to display plasma physics oriented parameters. The system also provides the supervisory functions for machine control and plasma control. The supervisory functions provide the information exchange between entire underly-ing systems and operating procedure for autonomous plant operation. The CA protocol will be the stan-dard protocol for the information exchange and the SNL will be the solution to implement operation pro-cedures for the autonomous sequential operation. The core of the supervisory control is the SNL code and it is located in one of the Input/Output Controllers (IOC) in the CCS.lt;

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基于EPICS的KSTAR集成控制系统

K.H. Kim , C.J. Ju, M.K. Kim, M.K. Park, J.W. Choi, M.C. Kyum, M. Kwon,

the KSTAR Control Team

摘要

韩国超导托卡马克高级研究（KSTAR）控制系统将由几个子系统组成，这些子系统由中央控制系统（如等离子控制，机器控制，诊断控制，时间同步和联锁系统）以及各子系统的本地控制系统组成。我们计划将整个系统连接到几个网络， 基于反射存储器的实时网络，光学定时网络，用于通用机器控制的千兆以太网网络和存储网络。然后它将演变成一个基于网络的分布式实时控制系统。因此，我们必须考虑子系统之间的标准通信协议以及如何以均匀的方式处理各种硬件。为了满足这些要求，EPICS已被选择用于KSTAR控制。EPICS框架提供基于网络的实时分布式控制，独立于操作系统的编程工具，操作员界面工具，归档工具以及与其他商业和非商业软件的接口工具。使用EPICS框架最重要的优势在于为控制系统开发人员提供了系统的同质性。开发人员不必关心本地系统的具体情况，但可以专注于使用EPICS工具实现控制逻辑。我们将介绍集成问题的细节，并从集成角度对KSTAR整个控制系统进行简要总结。

关键字：托卡马克控制; 等离子控制系统; 实时网络; 分布式控制系统;EPICS;KESTAR

1.简介

KSTAR集成控制系统[1]应归类为基于网络的分布式控制系统，因为KSTAR的整个控制系统将由在整个系统中按功能分类的多个子系统组成。子系统将通过网络进行连接，并将进行高度系统化的互动。如上所述，集成控制系统将通过连接和子系统之间的交互来实现。为了开发可扩展和可靠的控制系统，我们需要使用经过验证的开发工具和中间件。这些可以为我们提供一个制作分布式控制系统的框架，并且可以提供软件设施，如标准通信协议，处理数据库，捆绑的硬件驱动程序等。我们选择EPICS [2]作为标准 KSTAR控制系统的开发工具和中间件。它具有通道访问（CA）通信协议，用于在EPICS系统之间建立TCP / IP连接并通过协议传输处理变量（PV）。EPICS还为我们提供了一个处理数据库，它是一组PV，我们可以通过配置处理数据库来实现控制算法。

2.KSTAR控制系统的结构

KSTAR集成控制系统（如图1所示）由中央控制系统（CCS）组成，它为我们提供了对整个系统和许多本地系统进行超级控制的能力。中央控制系统包括等离子控制系统（PCS），机器控制系统（MCS），诊断控制系统（DCS），时间同步系统（TSS）和联锁系统（ILS）。这些系统通过多种网络系统连接：基于以太网的机器控制网络，基于光纤的定时网络，采用KSTAR自己的定时网络协议，基于反射存储器的实时网络（RTNet），以及基于光学ControlNetTM的联锁网络[3]。

图1 KSTAR控制系统的结构

2.1整个系统的监督部分

该系统为人机界面（MMI）提供OPI，并对整个系统进行连续的监控和控制。 EPICS OPI工具可用于开发机器操作MMI。OPI工具为工厂运行开发MMI提供了许多优势，如报警处理，系统可视化和运行状态等，但它们不足以显示科学数据。因此，我们将使用JSSpy等MDSplus工具来显示等离子体物理导向参数。该系统还提供机器控制和等离子控制的监督功能。监督职能提供整个基础系统之间的信息交换和自主工厂操作的操作程序。 CA协议将成为信息交换的标准协议，SNL将成为执行自主顺序操作操作程序的解决方案。 监督控制的核心是SNL代码，它位于CCS中的一个输入/输出控制器（IOC）中。

2.2等离子放电控制部分

三个系统将参与参与等离子体放电控制。 DCS为PCS提供有关血浆的诊断信息。 PCS可以实现实时等离子体控制算法，并将控制算法的结果提供给MCS。 MCS激活执行器，如磁电流，加热系统和膨化系统。这些需要专用且非常低延迟的通信。我们将在放电控制中使用RTNet进行通信。

2.3数据采集部分

这里需要两种归档系统。一个是机器操作的存档器。 它将用于低数据/事件率和大量的通道。最重要的是，它需要一个连续的存档功能，因为它将用于工厂操作和监测，例如氦低温系统，真空和每天24小时运行的超导磁体。实际上，CA归档人员似乎是此归档系统的最佳解决方案。CA存档器提供基本的存档引擎，检索工具以及API。

另一个存档器用于诊断和实验数据。与机器操作相比，它将用于大量数据和更少数量的通道。 与CA归档人员最重要的区别在于诊断系统和等离子体控制系统所需的基于镜头的归档。我们正在考虑MDSplus [4] 为这个归档器，因为MDSplus已经用于融合社区，它也支持许多遗留代码。实际上，MDSplus具有归档功能以及其他功能（例如，可用于在诊断系统中控制和设防数字化仪的调度程序）。但我们不在MDSplus中使用这些功能; 只会使用其中的归档功能。EPICS将直接控制诊断数字化仪以简化系统的结构。我们计划开发EPICS上的MDSip支持功能，这些支持功能通过以太网执行从数据采集设备到MDS服务器的数据传输，以存档诊断数据并按EPICS驱动程序来支持工作。

2.4网络和接口部分

机器控制网络是基于以太网的。它提供CA协议，这些协议是KSTAR控制系统中的标准协议，用于传输机器控制数据。OPI和机器控制数据存档器也使用CA协议。CA网关将涉及机器控制网络。CA网关作为代理服务器工作，因此它减少了单个IOC的CA连接数。CA网关还提供访问控制功能。我们计划使用主机访问控制来为控制系统提供安全保障。CA网关还提供CA服务器和客户端之间的虚拟连接。 通常，许多CA连接将建立在IOC和OPI之间。CA网关在内部制作虚拟电路以减少服务器（IOC）端的CA连接数。这是节省CPU功率的一个非常有用的技巧，因此它将用于更高优先级的任务，而不是实时系统中的通信任务。

诊断系统通过与机器控制网络分离的以太网连接到MDS服务器，以将实验数据存档到MDS服务器中。

光定时网络提供100MHz的定时时钟和事件信息。RTNet是基于光环网络和VMIC5565反射式内存模块的。它具有非常低的延迟（lt;0.4 ms/节点）和高数据吞吐量（gt;174 MB/s）。因此，我们计划使用PCS网络来提供等离子诊断数据和执行器控制数据。

基于PLC的互锁系统使用独立的互锁网络 - 光控NetTM。EPICS可以通过EtherIP通信模块访问该网络，该模块可以在Control NetTM和基于UDP的EtherIP之间进行转换。EPICS具有驱动器支持用于EtherIP协议。 所以我们可以很容易地将联锁系统组合成集成控制系统。

3. 技术实施

3.1用于快速监测的PXI支持

我们正在考虑用于磁体和结构监测系统的PXI系统。尽管它们不需要实时功能，但它们必须处理快速数据速率和大量带有各种I/O模块的通道。PXI系统可以提供各种I/O以及各种商业信号调理模块，如SCXI。

为了支持EPICS中的PXI硬件，我们开发了通用PXI，该PXI支持几乎所有的PXI硬件，专为通用机器控制和监控而设计。genericPXI接受多种设备支持，所以我们也可以将它用于诊断系统。我们可以采用作为MDS的归档设备支持的MDSip支持，作为genericPXI的设备层。

3.2用于远程I/O的cFP支持

许多KSTAR本地控制系统，例如真空和低温恒温器控制器需要坚固且低成本的I/O模块，这些模块不一定快。 这些要求指定使用远程I/O模块。 Compact-FieldPoint（cFP）解决方案满足该要求。该cFP在PharLab RTOS上有一个用于RT-LabView程序的小型CPU模块，并且还具有各种I/O模块 - ai，ao，di和do。我们开发了一个基于TCP / IP的小型协议，以实现EPICS和cFP之间的通信。

4.整合策略

有一些策略可以选择软件和硬件平台来简化与EPICS的集成。对于所需的读取时间功能，vxWorks/VMEbus系统是无可挑剔的选择。我们已经选择了磁力电源（MPS）和TSS的平台。该解决方案将允许我们在EPICS中使用各种捆绑的硬件驱动程序。但是，VME总线速度有限（单字传输的最坏情况为13 MB/s），使其不适合处理高数据速率。cPCIbus和PXI总线是可以接受的选择。

使用EPICS开发控制系统有一些技术事项：

bull;在EPICS数据库上实施基本控制算法：数据转换，PID控制，简单计算和控制。

bull;使用SNL程序进行更复杂的控制：顺序控制，复杂控制算法和C嵌入式编程。

bull;利用事件驱动功能：EPICS为数据库和SNL中的事件驱动编程提供了有用的功能。 我们可以用它来制作更高效的代码。

与EPICS数据库相比，使用SNL程序有一些限制。通常，EPICS数据库程序使用dbAccess例程，这是一种在数据库中的记录（PV）之间进行通信的存储器访问，但SNL使用CA来访问PV。但是，SNL程序在包含要访问的PV的相同IOC上运行。dbAccess比CA有更少的开销。 因此，当我们将SNL程序应用于实时任务时，我们必须谨慎行事。我们为KSTAR真空系统开发了SNL自动控制系统。 通常，该系统中的SNL在7ms内对外部事件做出响应。这足以用于真空系统，但延迟时间既不短也不可预测。

5.总结与展望

在选择EPICS作为KSTAR控制的中间件之后，我们开发了低级硬件支持以适应系统需求和集成策略。我们已经做出了各种硬件支持，但仍需开发用于PCS的cPCI支持和用于实验存档的MDSip支持。我们还需要更清楚地了解托Tokamak操作，以实现KSTAR的集成控制系统。

致谢

这项工作得到了韩国科技部的支持。我们也感谢与A.C. England，NFRC，KBSI进行实质性的技术讨论。

参考文献

[1] G.S. Lee, J. Kim, S.M. Hwang, C.S. Chang, H.Y. Chang, M.H. Cho, The design of KSTAR tokamak, Fusion Eng. Des. 46 (1999) 405–411.

[2] http://www.aps.anl.gov/epics.

[3] M. Kwon, I.S. Choi, J.W. Choi, J.S. Hong, M.C. Keum, K.H. Kim, The control system of KSTAR, Fusion Eng. Des. 71 (2004) 17–21.

[4] T.W. Fredian, J.A. Stillerman, MDSPlus. Current develop-ments and Future directions, Fusion Eng. Des. 60 (2002) 229– 233.

堆垛机起重机神经网络控制方法研究

Xinguo Wang ，Jingui Lu

摘要

本文分析了堆垛机速度的制约因素，提出了堆垛机变速自适应控制方法。利用神经网络的方法，我们建立了最高允许速度和承载重量，堆垛机运载高度之间的关系。最后设计了基于神经网络的堆垛机控制系统。该方法可以提高堆垛机的运行速度和效率。

关键字：堆垛机; 神经网络;AS / RS; 智能优化;

I．简介

堆垛机起重机是自动化仓库的主要接入设备。随着国民经济的发展和科学技术的进步，用户对堆高机性能提出了更高的要求：高度大，速度快，寿命长，噪音低，成本低等[1]。

自动仓库工作效率的最大瓶颈就是堆垛机的工作效率。提高堆垛机工作效率的关键是提高其运行速度。随着运行速度的增加，会增加堆垛机的振动和噪音。 过度振动会导致位置不准确，性能不稳定等问题。这些问题会影响安全运行，大大降低堆垛机的系统使用寿命。为了在一定范围内控制振动，我们必须限制堆垛机的运行速度。在实际应用中，堆垛机通常使用恒定速度。[2]

对于已经设计和安装的堆垛机，其最高速度是固定的，很难改善。我们能否通过其他方式提高堆垛机的工作效率？相关研究人员建议使用智能算法来优化堆垛机性能。他们通常优化堆垛机的位置精度和运行稳定性，很少优化堆垛机的工作效率。 [4，5，6，7]

为了最大限度地提高堆垛机的效率，我们研究了最高允许速度与其工作条件之间的关系。提出了变速自适应控制策略，设计了一种基于神经网络的堆垛机智能控制系统。该控制系统使堆垛机具有自适应性，并能根据运行状态及时改变运行速度。这使堆垛机在高速安全状态下工作，并最多提高其工作效率。

  1. 堆垛机速度优化控制技术

A．控制策略

通过实验，我们发现堆垛机在运行过程中允许的最高速度在不断变化。在允许的振动和噪声下，堆垛机允许的最大速度与其承载重量，承载高度，启动或制动条件等有关。

对于相同的承载重量，货物配置越高，堆垛机变形和振动越大，并使其允许的运行速度更小。

对于相同的承载高度，当重量负荷很小时，会造成不稳定，易振动和中等运行速度。随着重量负荷的增加，振动将减小，并且允许的运行速度将增加。当载重大于一定量时，摩擦和振动会增加，并且允许的运行速度会降低。

通过以上分析，我们知道堆高机允许的速度在不断变化，并且与运载高度，运载重量有关。我们可以采用变速运行方式，使堆垛机以最佳速度运行。

我们可以通过实验获得一些相关数据，并通过这些数据分析堆垛机的最高允许速度与其工作状态之间的关系。 全文共19762字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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