一種環真空監控系統設計方案

傳統的現場控制技術(例如BITBUS，RS-485,RS-422等)其不足之處主要有：

　　(1)主從結構網絡上只能有一個主節點，其余為從節點。其造成的潛在危害是：一旦主節點出現故障，則整個系統將處于癱瘓狀態。

　　(2)數據通訊方式為命令響應型。在許多實時性要求較高的場合，這是致命的弱點。錯誤處理能力不強。

　　(3)不能提供類似LAN那樣的網絡管理(network management)功能，從而不能對整個系統進行實時、有效、方便的監控和維護。

　　現場總線很好地解決上述問題。其中較有代表性的有Motorola的LON(local operation network);Bosch公司的CAN(control area network)。其中LON適用于一些大型的、對響應時間要求不太高的分布式控制系統;而CAN則適用于小型的、實時要求高的系統。

　　CAN協議規定的網絡系統結構由ISO-OSI七層結構中的三層組成，即物理層、數據鏈路層和應用層。它是一種專門用于工業自動化領域的網絡，不同于以太網等管理及信息處理網絡，其物理特性和網絡協議更強調自動化的底層監測和控制。從物理結構上看，它屬于總線式通訊網絡，但其獨特的技術和設計，可靠性及性能遠高于BITBUS，RS-485等傳統現場控制技術。特點主要有：可以多主方式工作，網絡節點可分優先級，采用非破壞性總線裁決技術，直接通訊距離最遠可達10 km(5 kb/s以下)，通訊速率最高可達1 Mb/s(距離40 m)，信息傳輸采用短幀結構，每幀信息都有CRC校驗，保證了數據出錯率極低，在錯誤嚴重的情況下節點可以自動關閉，切斷與總線的聯系，通訊介質采用雙絞線。

　　1　系統組成和工作原理

　　合肥國家同步輻射實驗室(NSRL)的儲存環直徑為22 m，每條光束線的長度約15 m。用于環真空檢測的真空計約10臺，5條光束線平均5臺真空計，共計約35臺真空檢測裝置，另外每條光束線還利用一臺真空計作為傳感器用于真空聯鎖保護裝置。由于真空檢測裝置及聯鎖保護裝置必須靠近監測點，它們遍布整個儲存環大廳。這些真空計是84年建立實驗室后逐年購進的，基本沒有數據通訊接口，制造廠家也千差萬別。儲存環真空檢測主要有德國、日本、美國的真空計，光束線主要是國產真空計。可用于真空檢測的模擬電平也不盡相同，另外儲存環大廳有很多電磁鐵和高功率電源，是典型的強噪聲環境，用模擬電平進行監測控制和組網是不切實際的，也是不可靠的。因此目前NSRL的環真空監測是采用人工記錄的方法，光束線真空監測基本不作記錄。目前光束線用于控制各種閥門的真空聯鎖保護裝置是模擬電路系統，為了提高響應速度，直接從真空計的離子流放大器上取出0～10 V的模擬電平，與聯鎖保護裝置的連接電纜阻抗非常高，很容易造成閥門的錯誤關斷，也容易影響真空計的讀數，甚至損壞真空計的離子流放大器。所有這些關系到束流運行的穩定和壽命，是迫切需要解決的。

　　經過多方調研和比較，提出采用適合于高噪聲環境運行的CAN總線組網。多個真空計及其聯鎖保護單元通過CAN控制器掛到CAN總線上，通過CAN總線與監控計算機互聯，形成多主機局部控制網。目前NSRL的儲存環和光束線需要監控的節點約40個，二期改建工程完成后需要監控的節點將擴大到80個，而一條CAN網絡可控制110個節點，完全能滿足要求。該分布式測控系統結構組成如圖1所示。

　　該系統的工作原理是通過監控計算機、真空傳感器(真空計)、真空聯鎖保護單元，對儲存環、光束線的真空狀態和各閥門的開關狀態進行實時監控。監控計算機根據實測值與安全設定值進行比較、分析和處理，及時提供語音、字符、圖形、各種報警信號及相應的控制措施。由于儲存環、光束線實驗站的真空狀態要求相差很大，為了提高對真空事故的反應速度和可靠性，儲存環和每個光束線實驗站有相應的真空聯鎖保護單元。該單元直接接收來自真空傳感器的報警信號，可自動地或人為地作出相應的安全控制措施。該單元也通過CAN控制器掛到CAN總線上，使各種不安全因素得以及時、有效地調整和控制。