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EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)系统是面向实验物理装置和工业应用的控制系统开发与运行工具集。EPICS采用分布式控制体系结构,在近年来建设的大型科学工程中,EPICS控制系统占据主导地位。上海同步辐射装置同样采用了EPICS开发其控制系统。
网络在分布式控制系统中具有重要作用,本论文的工作,专注于对EPICS系统结构中两层网络技术及其应用的研究,即连接输入/输出控制器(Input/OutputController,IOC)与操作员接口(Operator Interface,OPI)计算机的上层控制网络,提供IOC与本地设备控制器之间实时通讯的底层通讯网络。
论文概述了分布式控制系统与加速器控制系统的发展历程,加速器控制系统中的新技术应用与发展趋势;对EPICS系统体系结构及其特征作了全面介绍,详细分析了EPICS通道访问协议(Channel Access,CA)的原理与实现,报告和分析了CA协议的性能测试结果;讨论了客户/服务器编程模型与实现技术,分析与阐述了Ethernet作为通用现场总线在DCS底层通信中应用的可行性。
本论文的重点工作之一,是在EPICS系统中引入名字服务器(Nameserver)。我们在SUN/Solaris工作站上使用EPICS便携式CA Server技术设计与实现了EPICS名字服务器。使用Nameserver后,CA采用单播方式取代广播方式进行PV搜索,改进了CA协议的执行,降低了系统中IOC与网络的负载。Nameserver在IOC层与OPI层之间实现了无缝接入,使得所有EPICS软件无需作任何修改即可连接Nameserver运行。论文通过Namesever在我所100MeV LINAC控制系统中的应用与测试,分析比较了使用NameServer前后CA的PV搜索性能。
本论文的另一重点是对Ethernet通讯在DCS底层网络中应用的探讨,并介绍了所研制的网络设备的EPICS支持程序。该程序基于多线程与EPICS平台无关技术设计,支持TCP/IP与UDP/IP两种通讯协议。论文描述了设备支持程序的工作原理及关键技术实现。通过该设备支持程序我们重建了100MeV直线加速器的离子泵电源控制子系统,并实现了对OMRON PLC的Ethernet通讯协议-FINS的支持。通过上述应用运行平台,我们测试了网络通讯的实时性能。
论文工作中的主要创新之处包括:
(1)在国内首先在EPICS系统中成功引入了名字服务器。名字服务器对OPI和IOC的完全透明,实现了在EPICS系统中的无缝接入。
(2)自主研发了具有通用特性的EPICS网络设备支持程序。程序支持多平台运行,适用多种带有Ethernet接口的网络设备,具有可扩充、可剪裁性、可移植性特性。