CSNS真空控制设备监测与信息管理系统的研制

吕慧慧，王春红，何泳成

(中国科学院 高能物理研究所，北京 100049)

中国散裂中子源(CSNS)真空控制系统对分布在直线加速器、RCS环和束流输运线上的136台离子泵电源、30台真空计和27个闸板阀进行监测和控制，实施真空压力与闸板阀的联锁控制[1]。CSNS真空控制系统需在中央控制室和本地控制站监控真空系统离子泵电源和阀门的工作状态，并监测真空计控制器测得的真空系统压强[1]。本文使用CSS开发了真空控制设备及真空状态监测的实时显示界面，根据设备的实际地理位置，采用图文并茂的方式实时显示设备的运行参数及系统的运行状态，出现故障时，通过颜色的变化进行报警提示。此外，在加速器运行中，当设备出现异常时，除提供报警信息外，还需尽快确定故障设备的位置，找到错误根源。针对此需求，本文开发CSS插件，用于连接线缆数据库，建立被控信号与被控设备及线缆的在线关联查询功能，通过被控信号即可确定相关的设备及连接线缆的信息。针对CSNS工程异地建设的情况，使用Eclipse RAP开发平台建立基于Web的CSNS真空控制设备信息管理系统，方便工程人员掌握真空系统的运行状况。

1 CSS介绍

CSS是由DESY、SNS、KEK等多个加速器实验室联合开发的基于EPICS的控制系统软件包,它不仅为应用程序提供了统一的外观，而且为开发者提供了统一的开发平台。它使用Eclipse RCP(富客户端平台)开发，Eclipse RCP是基于OSGi构建的插件化系统，且采用纯Java编写。因此，CSS不仅可跨平台运行，而且在功能上具有可伸缩性。Eclipse RCP通过扩展点机制来增加插件，可在不改变原有系统的基础上增加新的功能[2]。

CSS除了能形象直观地显示EPICS PV外，还提供了报警、归档、历史曲线等功能。其中，CSS BOY是它的图形操作界面和运行界面。使用BOY，通过拖拽、配置及脚本语言编程，即可将EPICS的PV值以图形或图表等方式显示在用户界面上，操作简单方便，显示形象直观。另外，基于Eclipse RAP平台，可将CSS开发的应用程序部署到Web上，通过浏览器即可查看，这给用户提供了极大的便利[2]。

2 CSNS真空控制设备及真空状态实时监测操作员界面(OPI)的开发

CSNS真空控制系统在EPICS软件框架下实现，分3个层次：OPI层、输入输出控制层(IOC)和设备控制层，其结构框图如图1所示。MOXA公司的嵌入式工控机(IOC)通过串口与真空计控制器和离子泵电源控制器通讯，真空阀门则由真空联锁保护系统控制。真空联锁保护系统用横河FA-M3 PLC实现，在横河PLC的F3RP61模块上安装Linux，并建立EPICS系统可使其成为嵌入式EPICS IOC[1]。

图1 CSNS真空控制系统结构框图

CSS已集成EPICS与Java的接口，在此仅需配置真空控制EPICS IOC的网络地址及需监测在EPICS record中的PV名称，即可自动获取EPICS IOC中的PV值。

使用CSS BOY开发的RCS真空监测界面如图2所示，根据RCS真空设备的实际地理位置，以数字方式显示真空值，以图形的不同颜色显示真空计的状态(正常/故障)、阀门的状态(开/关/故障00/故障11)，显示形象直观，给操作人员带来了极大的便利。

图2 CSNS RCS真空控制设备及真空状态实时监测界面

3 在线查询插件的开发

在加速器运行中，各系统除了需显示运行状态外，出现故障时还需迅速定位错误根源，找到出现故障的设备，以尽快进行维修工作，减少损失。CSS的优点之一就是它的插件化体系结构，用户可根据自己的需要扩展它的功能。本文利用此特性开发了具有在线查询功能的插件，将其合并到CSS中，此插件通过连接控制线缆数据库(图3)，在线查询被控信号与被控设备及线缆，通过被控信号即可确定设备位置和连接的线缆，方便设备的维护运行。此插件的工作流程如图4所示。

图3 CSNS控制线缆关系数据库模型

图4 在线查询插件流程图

1) 在CSS运行界面上获取PV名称。在CSS BOY中，每个PV均作为一个PV Widget进行配置，PV Widget包含很多属性，如PV Name、Widget Type、Actions、Position等，每个属性值都可通过函数getPropertyValue(java.lang.String prop_id)来获取。

2) 使用JDBC连接线缆数据库。需要配置数据库服务器的IP地址，并开通相应的访问权限，远程连接到线缆数据库。

3) 根据PV名称到数据库中查询相关的线缆及两端的设备信息，包括设备名称、设备位置、连接线缆的端子标识、所在的模块号、线缆编号等信息。

4) 返回数据库中的查询结果，并进行格式加工，以弹出窗口的形式显示在用户界面上。

将该插件集成到CSS中，即可在BOY中使用。本文将其应用于CSNS真空控制设备及真空状态实时监测的OPI中，作为PV的事件响应函数。单击PV，会弹出一个表格窗口(图5)，其中，表头是与该PV相对应的线缆编号，表格的内容是线缆两端的设备信息。因此，出现故障时，可准确而快速地确定故障位置。

图5 插件的弹出窗口

4 基于Web的CSNS真空控制设备及真空状态实时监测系统的开发

4.1 技术路线

针对CSNS工程异地建设的情况，开发了基于Web的真空控制设备及真空状态实时监测系统。CSS官方网站提供了将CSS应用程序部署为Web应用程序所需的war包，但它仅为CSS已有模块开发，所以将自行开发的CSS插件加入到已有的CSS框架中，此war包不能使用，因此需自行开发Web部署功能，本文使用Eclipse RAP来实现。RAP在RCP基础上实现了一套机制，它使用扩展点和Eclipse插件的开发模式构建基于Ajax的Web应用程序。RAP的工作原理是采用交叉编译的方式将Java代码生成Html、JavaScript文件，底层基于Qooxdoo Ajax框架。因此开发者可使用OO的开发模式来开发Web应用程序，RCP和RAP程序可做到最大程度的代码重用。

RAP支持Eclipse的大部分扩展点，RAP与RCP在架构上也非常相似。RCP基于SWT，而RAP基于RWT，RWT是实现SWT功能的一个子集，因此RAP并不能提供RCP的全部功能，如拖拽操作等。但在CSNS真空控制设备及真空状态实时监测系统的开发中，所需要的功能RWT均已实现，因此可使用RAP来开发。采用的技术路线为：1) 在Eclipse中部署RAP开发环境，扩展与Rap、Equinox相关的扩展点；2) CSS是基于插件的体系结构，在此导入PV获取、数据库连接、图形显示等十几个功能插件；3) 开发访问线缆数据库的插件，建立数据库连接、根据PV查询相关的信息并返回查询结果；4) 配置各插件之间的相互依赖关系，导入所需插件及依赖插件，删除不需要的插件，在此一定要保证已导入的所有插件的依赖插件也被导入到CSS中，最后按照RAP程序的要求将所有插件连同所需的jar包打包成war格式的文件，并配置路径、初始化参数等相关信息，部署到Glassfish或Tomcat等Web服务器上。

通过客户端浏览器访问的界面如图6所示。该界面对客户端无任何要求，用户通过浏览器随时随地即可监测设备的运行状态，尤其适应CSNS异地建设的工程需求。

图6 基于Web的CSNS RCS真空控制设备及真空状态实时监测界面

4.2 安全机制

基于Web的远程访问方式为工程提供了极大的便利，但同时也伴随着网络安全的问题。本系统是远程监控系统，并不涉及对设备的操作，因此对中国科学院高能物理研究所内部IP全面开放。现以Tomcat为例，介绍基于Web的安全机制，其他服务器类似。

在Tomcat中配置远程地址过滤器，通过className:org.apache.catalina.valves.Remote-AddrValve属性来实现，将所里的IP网段加入到allow属性中，即仅允许该网段内的用户访问。

4.3 速度测试

1) 测试条件

测试条件列于表1。

表1 测试条件

2) 测试结果

采用Apache的压测工具ab模拟100个用户同时发送10个请求，得到的测试结果列于表2。

表2 测试结果

从表2可看出，由于本系统显示的图形复杂，因此传输的文件很大。EPICS IOC的扫描周期设置为1 s，系统的响应时间小于1 s，实际的IOC扫描周期会远大于1 s，因此完全可满足工作要求。

5 结语

本文实现了CSNS真空控制设备监测及信息管理系统，该系统能形象直观地显示真空控制设备的运行参数及真空状态，并能连接线缆数据库，将动态的PV信息与静态的设备信息联系起来，实现了被控信号与被控设备及线缆的在线关联查询功能，通过被控信号即可确定设备位置和连接的线缆，方便日后的设备维护运行。

本系统采用CSS开发的OPI不仅可跨平台运行，而且显示界面使用的是OS本地用户界面代码，因此对操作系统无任何限制。这种基于CSS的桌面应用程序需要在电脑中安装CSS，它是运行在本地的一个应用程序；而基于CSS的Web应用程序需将Java代码交叉编译成Html、JavaScript，因此桌面应用程序的显示速度快，且不受外界网络影响，性能稳定，尤其适合在中央控制室和本地控制站中部署使用。

国内用户对CSS的使用仅限于已有的功能，而本系统基于CSS开发的插件，打通了开发CSS插件并导出到CSS应用程序及Web程序的技术路线，具有通用性，为将来构建更丰富的基于EPICS控制系统的应用程序打下基础。根据此插件开发的基于Web的真空控制设备及真空状态实时监测的OPI对客户端无任何要求，特别适合CSNS异地建设的广大工程人员随时随地监测设备的运行状态。

参考文献：

[1] 何泳成，王春红，王金灿，等. 基于嵌入式IOC的CSNS真空控制系统样机研制[J]. 核电子学与探测技术，2013，33(3)：280-283.

HE Yongcheng, WANG Chunhong, WANG Jincan, et al. Development of a prototype vacuum control system based on embedded IOC for CSNS[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2013, 33(3): 280-283(in Chinese).

[2] KASEMIR K, CARCASSI G. Control system studio guide[M]. Oak Ridge, Tennessee, USA: Oak Ridge National Laboratory, 2001.