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Cosy/Jülich机器控制升级的进度

I. Bekman, C. Böhme, R. Gebel, V. Kamerdzhiev, B. Lorentz, P. Niedermayer, M. Simon, M. Thelen @ Forschungszentrum Jülich

R. Modic, Ž. Oven @ Cosylab

摘要

在Jülich研究中心运行的冷却同步加速器 COSY [1]根据JEDI(Jülich电偶极矩研究)合作研究[2]的要求,正逐步升级其控制系统,为的是优化束流控制,例如束流在轨道、调谐和色度方面的控制改进。通过升级BPM电子设备以及使用EPICS将最初基于TcllTk的控制系统迁移到CSS,可以优化控制轨道。当前,正在开发新的设计,以改进束流调谐控制,从而实现向更快、限制更少的磁体控制过渡。另外,它还包括改进的调谐测量工具,以及用于四级磁体控制向EPICS的转移。最终,所有系统的控制都应围绕EPICS,确保易用性、自动化、服务设置等。此外,还提出了决策路径、升级的技术细节和升级的子系统的性能。我们还将展示Cosylab团队的物理和研究目标是如何与其技术设计和实施相辅相成,协同合作。

介绍

冷却器同步加速器COSY-Jülich于1993年投入运行[1]。投入以来,COSY都作为用户设施全天侯运行,直到2014年才向科学家社群提供偏振和非偏振粒子束。这些科学家群体主要是国际用户,或来自德国北莱茵威斯特法伦州的大学。COSY是用于实验的多功能设施,使用存储环中的束流循环或提取并传输到三个外部实验站,特别强调束流冷却[4] [5]、超慢抽取[6],旋转控制[7]和不同类型内部目标的操作[8]。自2014年以来,COSY成为FAIR和精密实验的测试设施。电子和随机束流冷却、束流仪表、簇射流靶点技术已在COSY进行开发和测试。 JEDI合作利用该设施进行研发,以开发专用的高精度EDM存储环,并首次进行测试,证明的COSY原理。

机器控制系统是内部开发的。在最初的调试和最初运行的几年中,使用了在HP-9000工作站上运行的HP-UX。前端硬件主要基于VME和G64总线系统。COSY为VME系统开发了一个实时操作系统(RT/OS)。单命令单响应(SCSR)数据交换协议是RTTOS的主要组成部分。大多数GUI是用TcllTk编写的。为了最大程度地降低技术支持的成本,控制系统于2002年迁移到了运行于Intel PC上的SuSE8。后来又使用了OpenSUSE和Ubuntu。

在控制系统设计的早期阶段,决定使用以太网作为主要的传输机制。这一事实具有许多含义,因为当时具有以太网功能的硬件的可用性相当有限。另一方面,这是此处介绍的升级的重要优势。

动力升级

通过JEDI实验,引入了有关总RMS束流轨道偏差的新要求[9]。因此,必须开发一个自动化的束流轨道控制系统。此外,其他组件也被确定需要升级或添加,例如,模拟BPM读出电子设备,其束流偏移量导致无法精确确定位置,尤其是在0位置附近。相较于在旧的控制系统中实现新的子系统和功能,我们选择逐步升级后者,以避免机器长时间停机。此外,还考虑了以下注意事项:

  • 添加日志记录和归档机制
  • 使用由较大机构开发和支持的软件
  • 无需协议调整即可使用的软件和兼容硬件

为了满足上述要求,我们选择了EPICS作为新的控制系统环境。

轨道校正实施

在COSY,可以使用束流位置监视器(BPM)测量轨道,并使用转向磁铁进行校正。轨道校正控制器必须与COSY操作周期同步。典型的周期如图1所示。

图1:原理图COSY操作周期

整个过程从注入开始,然后由定时信号启动磁体的同步斜坡,并于斜坡下降阶段结束。斜坡上升时,磁铁电源由遵循预定波形的函数发生器控制。在此期间,无法手动设置磁铁电流,因此在正常运行期间,无法在机器周期中调整轨道。图2左侧部分描绘了一种新开发的算法,该算法使用计时系统传播的信息来与机器操作同步,将磁体从斜坡模式切换到直流模式,从而实现在平顶中进行直流操纵并实现轨道运行更正。

图2:左侧的循环同步算法和右侧的轨道校正算法

相同的算法必须在周期结束之前将磁体斜变回初始值,并重新布置函数发生器,以便它们在计时系统发出下一个周期的开始信号时开始斜变。

轨道校正本身遵循通用的奇异值分解校正算法。当磁体处于直流模式时,在EPICS Input/Output Controller(IOC)中执行的过程将使用SCSR协议来收集轨道测量值,根据当前测量的轨道与所需轨道之间的差来计算新的校正值,并计算新的校正器强度,然后使用SCSR协议将其发送到转向磁铁。使用Java开发针对CSS [10]的定制图形用户界面,以控制轨道校正算法并让用户查看结果。可以在图3中看到。

Figure 3: Orbit Correction GUI

转向磁铁控制向EPICS的迁移

当操作员使用如上所述的轨道校正时,会发现该过程在日常使用时很麻烦。操作员必须使用基于TcllTk的控制系统版本来定义基本坡道参数,关闭此旧系统,修改(缩短)坡道来控制轨道,然后将其加载到目标(从命令行运行的自定义脚本),然后启动新的轨道校正软件(基于EPICS)。为了缓解可用性问题,将图4所示的转向磁铁的坡度定义参数、坡度生成、加载到目标和图4所示的GUI迁移到EPICS和CSS。现在,操作员就可以专注于加速器的状态和控制,而不必花时间在软件本身上。该系统还可以作为将其他基于TcllTk的系统迁移到EPICS的测试平台。

Figure 4: Steerer magnet GUI.

四极磁铁控制,保存和还原机器状态

在测试上述增强功能期间,确定了需要将早期运行中保存的加速器状态转移到新系统的还原功能。这可以在新的控制系统上恢复较早的实验特定配置。除了迁移早期的加速器状态之外,我们还在寻找为所有将来有的系统的配置做迁移的方式,这些系统将会转到EPICS。我们还准备将四极磁体控件迁移到EPICS。这将简化调谐控件和Tune Scan算法的实现。为了实现自动调谐扫描,需要改进四极磁体的控件,以使对预定义的斜坡没有限制。首先,我们将开发用于磁体电源的仿真器,然后将四极控件从基于TcllTk的控制系统迁移到EPICS,并通过仿真器验证其运行。在第二步中,我们将使用电源和控制器进行IOC测试,这些电源和控制器位于指定的测试区域中并且未连接到生产磁体,可以观察并验证实际设备上的操作,而不会影响生产环境。对测试台的性能满意后,我们将把生产环境迁移到基于EPICS的控制系统上,并评估生产系统上的行为。在系统投入生产和支持的过程中,我们将开始实现其他功能,例如,将控制器特定的代码迁移到电磁电源控制器,并通过各种控制器之间的同步实时更改预定义的斜坡,定义其他配方,从而可以更轻松地实现束流理想调谐的自动扫描。

IKPCosylab之间的协作

COSY升级需要Jülich研究中心的核物理研究所(IKP)和Cosylab之间密切合​​作。升级计划分阶段进行。毫无疑问,新引入的技术和升级的零件必须符合现有的控制系统技术。首先必须充分理解两者之间的分离和接口,评估所有风险,在投入生产之前设计、实施和彻底测试现有和新功能。为此,Cosylab和IKP共同解决需求、设计文档以及测试和配置功能。描述现有的机器功能,找到引入新功能的可能方法,检查、迭代并完成最终设计形状,这些都很重要。在实施和测试期间,我们发现共同攻坚机器问题难能可贵。当出现问题时,就需要增加功能或必须提高性能。通过日以继夜的优化、计划和报告,我们实现了后者。

结论与展望

面对新需求(主要来自JEDI实验),有必要对COSY控制系统和其他子系统进行升级。通过逐步引入基于EPICS CSS的系统,我们可以完成升级。在此过程中,控制系统的新部分必须与初始控制系统和旧硬件进行交互。首先要替换的子系统是BPM读出电子设备,以及一个轨道校正机构。这种机制使旧协议适应了校正磁铁。到目前为止,通过努力,我们使RMS轨道偏差低于1.2 mm。下一步,我们将集成四极磁体的EPICS,以便更好地控制机器调谐。接下,我们可能改进其他磁体的控件,更精确地说是偶极和六极磁体,以便将所有磁体控件转移到新系统中。由于硬件达到使用寿命,其他一些系统正面临更高的错误率,因此我们正在准备进一步的升级。

References

[1] R. Maier et al., “Status of COSY”, in Proc. EPAC’94, London, UK, Jun.-Jul. 1994, pp. 165–170.
[2] 
http://collaborations.fz-juelich.de/ikp/jedi/
[3] Experimental Physics and Industrial Control System, 
https://epics.anl.gov/
[4] A. J. Halama and V. Kamerdzhiev, “Model Development for the Automated Setup of the 2 MeV Electron Cooler Transport Channel”, in Proc. COOL’17, Bonn, Germany, Sep. 2017, pp. 28–31. doi:10.18429/JACoW-COOL2017-TUM22
[5] R. Stassen, B. Breitkreutz, and N. Shurkhno, “Recent Results of HESR Original Stochastic Cooling Tanks at COSY”, in Proc. IPAC’18, Vancouver, Canada, Apr.-May 2018, pp. 913– 915. doi:10.18429/JACoW-IPAC2018-TUPAF078 (preprint) J. Phys.: Conf. Ser., vol. 1067, pp. 052013. doi:10.1088/ 1742–6596/1067/5/052013
[6] B. Lorentz, “Stochastic Noise Extraction at COSY”, Slow Extraction Workshop 2017, CERN, Switzerland
[7] N. Hempelmann et al., “Phase Locking the Spin Precession in a Storage Ring”, Phys. Rev. Lett. vol. 119, pp. 014801, Jul. 2017. doi:10.1103/PhysRevLett.119.014801
[8] A. Khoukaz et al., “Technical Design Report for the PANDA Internal Targets”, PANDA Collaboration, Mar. 2012, GSI RE-TDR-2012–002.
[9] M. Rosenthal and A. Lehrach, “Spin Tracking Simulations Towards Electric Dipole Moment Measurements at COSY”, in Proc. IPAC’15, Richmond, VA, USA, May 2015, pp. 3764– 3766. doi:10.18429/JACoW-IPAC2015-THPF032
[10] 
http://controlsystemstudio.org/

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