CN113466762B - 一种用于加速器励磁曲线转换的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及加速器技术领域，尤指一种用于加速器励磁曲线转换的系统；所述的系统用于加速器将物理设定的磁场值转换为电源所需的电流值或者将电源的电流值转换为对应的磁场值；本发明的系统可应用于大科学装置中，对设备要求低，兼容性强，安装和使用简单，能同时实现可对直流电源、带预设值的脉冲电源、不带预设值的凸轨脉冲电源和带漂浮电源的脉冲电源进行实时转换。
Description
技术领域
本发明涉及加速器技术领域，尤指一种用于加速器励磁曲线转换的系统。
背景技术
在加速器领域，通常利用磁场来约束带电粒子在真空管道中的运动，根据带电粒子是做直线运动还是圆周运动以及粒子能量的不同，所需的磁力线和磁场强度也是不同的。各种磁场的产生是通过直流、交流或者脉冲电源为线圈提供所需的电流，励磁曲线通过实际的磁测获得。电源系统能提供的是实时的电流值I，而在物理调束软件中使用的是磁场值B，这就需要一个IOC程序来实时对I和B进行转换，才能实现对带电粒子运行轨道的调节和监测。IOC程序的设计最主要是设计运行时数据库--EPICS记录文件。I和B的相互转换的逻辑以及计算公式比较复杂，需要带入到公式里计算的测算系数很多，如果靠人工来书写EPICS记录文件，工作量将非常巨大且容易出错，如果更改了程序逻辑或者测算数据，EPICS记录文件又需要全部重写。因此，设计一个能够生成EPICS记录以及实现I和B自动转换的系统尤为必要。由于各类加速器的原理类似以及该系统的通用性较强，只需将程序稍加改动就能移植到其它大科学装置中。
发明内容
本发明针对加速器的技术需求，旨在提供一种能实现对直流电源、带预设值的脉冲电源、不带预设值的凸轨脉冲电源和带漂浮电源的脉冲电源进行实时转换的一种用于加速器励磁曲线转换的系统。
本发明所采用的技术方案是：一种用于加速器励磁曲线转换的系统，所述的系统用于加速器将物理设定的磁场值转换为电源所需的电流值或者将电源的电流值转换为对应的磁场值。
所述的系统可对直流电源、带预设值的脉冲电源、不带预设值的凸轨脉冲电源和带漂浮电源的脉冲电源进行实时转换。
所述的系统包括IBConvert程序模块和EpicsDBGenerator程序模块两部分。
所述的IBConvert程序模块是标准的EPICS软IOC，需要一直运行，实现I和B的实时转换。
所述的IBConvert程序模块根据EPICS规范进行设计，主要包括EPICS记录的设计和处理波形数据的函数设计。
所述的EPICS记录的设计根据电源的分类来进行，设计的DB包括以下后缀是.db的数据库文件：DC.db、PulseWithDC.db、InjectionBump.db、Quadrupole.db、EnergyFactor.db和iocAdminSoft.db。
所述的EpicsDBGenerator程序模块采用Java应用程序，用于生成IBConvert程序所需要的DB文件，当电源数量、名称、励磁曲线拟合系数有变动时，需要运行该程序生成新的DB文件。
所述处理波形数据的函数设计是用EPICS的Array Subroutine记录，通过该记录可以调用不同的C程序，波形数据的转换就在C程序中完成。
所述的IBConvert程序模块安装的步骤是：
S1、根据需要将IBConvert程序包解压到任一用户目录下；
S2、修改IBConvert/configure/RELEASE文件，指定EPICS_BASE、AUTOSAVE、IOCADMIN和CALC的绝对安装路径；
S3、在IBConvert目录下执行make clean&&make即可。
所述的EpicsDBGenerator程序模块用来读取保存在Excel中的励磁曲线系数，并自动生成用于I与B转换EPICS DB文件
本发明的采用的技术方案的有益效果是：本发明的系统可应用于大科学装置中，兼容性强，安装和使用简单，能同时实现可对直流电源、带预设值的脉冲电源、不带预设值的凸轨脉冲电源和带漂浮电源的脉冲电源进行实时转换。
附图说明
图1是本发明的逻辑连接结构示意图。
图2是本实施例一中对直流电源励磁曲线转换的逻辑示意图。
图3是本实施例二中对脉冲波形数据转换逻辑示意图。
图4是本实施例四中对漂浮电源励磁曲线转换逻辑示意图
具体实施方式
如图1-4所示，一种用于加速器励磁曲线转换的系统用于加速器中将物理设定的磁场值转换为电源所需的电流值或者将电源的电流值转换为对应的磁场值，整个系统包括IBConvert程序模块和EpicsDBGenerator程序模块两部分。其中IBConvert程序是标准的EPICS软IOC，需要一直运行，实现I(电流)和B(磁场)的实时转换；EpicsDBGenerator程序模块采用Java应用程序，用于生成IBConvert程序所需要的DB(运行时数据库)文件，当电源数量、名称、励磁曲线拟合系数有变动时，需要运行该程序生成新的DB文件。
本发明中的IBConvert程序模块是根据EPICS规范进行设计，主要包括EPICS(EPICS即“实验物理及工业控制系统”(Experimental Physics and Industrial ControlSystem)，EPICS软件系统中的两个基本机制是通道访问和分布式动态数据库。)记录的设计和处理波形数据的函数设计。其中，EPICS记录是实现I和B转换的核心。根据技术协议中的转换要求和磁铁电源的类型，可以分为四类电源：直流电源、带预设值的脉冲电源、不带预设值的凸轨脉冲电源和带漂浮电源的脉冲电源。EPICS记录的设计也根据电源的分类来进行，设计的DB文件包括：DC.db文件，是实现直流电源I/B转换，漂浮电源除外；PulseWithDC.db文件，是带预设值的脉冲电源I/B转换，四极磁铁脉冲电源除外；InjectionBump.db文件，是不带预设值的凸轨磁铁脉冲电源I/B转换；Quadrupole.db文件，是四极磁铁脉冲电源及其漂浮电源I/B转换；EnergyFactor.db文件，是实现能量因子相关计算和参数设定；iocAdminSoft.db文件，是来源于软件包devIocStats，用于监测IOC运行状态。
实施例一：用于直流电源的I/B转换
本实施例中的直流电源包括MEBT(中能束流传输线)、HEBT(高能束流传输线)和环直流电源，漂浮电源除外，原因是漂浮电源的计算方法不同。MEBT和HEBT的磁场需要考虑能量修正，MEBT需要使用负氢离子的静止能量，HEBT需要使用质子的静止能量，为了使生成EPICS DB的JAVA程序便于开发，环上的磁场也引入了能量因子，但其值始终为1，不影响计算结果。
以直流电源M：MG：HC01-PS为例，I/B转换逻辑如图1所示：
当B->I转换时，首先设置理论磁场值B-SET，根据能量因子Energy_Factor计算得到实际磁场设定值B-SET_Actual，再根据励磁曲线拟合系数计算得到电流设定值SetI并下发给电源远控程序。
当I->B转换时，首先按一定的周期如1秒(周期可以在st.cmd中修改)回读实时的电流回采值GetI，根据励磁曲线拟合系数计算得到实际磁场回采值B_Actual，再根据能量因子Energy_Factor计算得到理论磁场回采值B。对于单独供电的磁铁，计算的理论磁场回采值包括PID：B和MID：B，其值完全相等。对于一台电源给多台磁铁供电的情况，PID：B和MID：B都使用实时的回采电流值GetI进行计算，不同的是PID：B采用平均的励磁曲线拟合系数进行计算，MID：B采用各自的励磁曲线拟合系数进行计算。
在本实施例中，在I/B转换时，需要设定MEBT和HEBT的理论动能、实际动能和粒子的静止能量参数，设置顺序和时机没有特殊要求。
实施例二：用于带预设值的脉冲电源的I/B转换
带预设值的脉冲电源包括同步环上的二极铁、四极铁、六极铁、校正铁脉冲电源。此类电源需要转换磁场预设值和总的磁场波形数据。
以脉冲电源R：MG：VC01为例，预设值的转换与实施例一种直流电源I/B转换逻辑完全相同，此处不再累述，脉冲波形数据的转换如图2所示。
当B->I转换时，首先根据预设磁场值B-SET计算得到的预设电流值SetI_Tmp、磁场波形数据有效长度BT-Length以及磁场波形数据BT-SET，根据励磁曲线拟合系数计算得到20万个点电流波形数据SetWaveI_Raw，再根据BT-Length设定输出给SetWaveI的有效数据长度SetWaveI_Out.NUSE，最后将SetWaveI_Raw中的数据按有效数据长度输出到SetWaveI中并触发电源远控程序WFCreate下发波形数据。
当I->B转换时，首先按一定的周期如5秒(周期可以在st.cmd中修改)回读实时的电流曲线回采值GetWaveI，根据励磁曲线拟合系数计算得到磁场波形回采值BT。对于单独供电的磁铁，计算的磁场波形回采值包括PID：BT和MID：BT，其值完全相等。对于一台电源给多台磁铁供电的情况，PID：BT和MID：BT都使用实时的回采电流值GetWaveI进行计算，不同的是PID：BT采用平均的励磁曲线拟合系数进行计算，MID：BT采用各自的励磁曲线拟合系数进行计算。
本实施例中，在进行磁场波形数据转换为电流波形数据时，需要首先设定磁场预设值B-SET，然后设定波形有效长度BT-Length，最后再设定磁场波形数据BT-SET，这个设定顺序是因为SetI和BT-Length需要参与运算以及程序设计逻辑决定的。无论修改哪一设定值，最终都需要重新设定磁场波形数据BT-SET才会生效。
实施例三：用于不带预设值的凸轨脉冲电源的I/B转换
同步环上的两台凸轨脉冲电源没有预设值，脉冲波形数据的转换与实施例二中描述的转换方法相同，此处不再累述。
本实施例中，在进行磁场波形数据转换为电流波形数据时，需要先设定波形有效长度BT-Length，再设定磁场波形数据BT-SET，这个设定顺序是因为BT-Length需要参与运算以及程序设计逻辑决定的。无论修改哪一设定值，最终都需要重新设定磁场波形数据BT-SET才会生效。
实施例四：用于四极磁铁脉冲电源及其漂浮电源的I/B转换
四极磁铁脉冲电源与实施例二所描述的带预设值的脉冲电源的转换方法完全相同，漂浮电源与其对应的主磁铁电源相关。
以漂浮电源R：MG：QD01-FPS01和R：MG：QD01-FPS02为例，I/B转换逻辑如图3所示。
当B->I转换时，首先应设置主脉冲电源的总磁场值QD-PS：B-SET，根据平均的励磁曲线拟合系数计算得到总电流设定值QD-PS：SetI，再根据此电流以及各自的拟合系数反算各个主四极磁铁的磁场值设定值QD01-FPS01：B-SET_All，叠加漂浮电源的磁场设定值后得到新的磁场值QD01-FPS01：B-SET_Total，再根据各自的拟合系数计算得到总的电流值，减去主磁铁电源的电流值QD-PS：SetI后得到漂浮电源电流设定值QD01-FPS01：SetI并下发给电源远控程序，QD01-FPS02的电流值从QD01-FPS01出获取，始终保持一致。
当I->B转换时，首先按一定的周期如1秒(周期可以在st.cmd中修改)回读主磁铁电源和漂浮电源实时的电流回采值R：MG：QD-PS：GetI和QD01-FPS01：GetI，叠加后得到总的电流回采值QD01-FPS01：GetI_Total，根据各自的励磁曲线拟合系数计算得到总磁场回采值，减去各自的主磁场回采值QD01：B得到漂浮电源的磁场回采值QD01-FPS02：B。
本实施例中，主四极磁铁脉冲电源励磁曲线转换的注意事项与实施例二描述的注意事项相同，漂浮电源在进行励磁曲线转换时需要注意先设置主磁场的预设值再设置漂浮电源的磁场设定值。由于漂浮电源的MID和主四极磁铁脉冲电源的MID相同，所以不再转换漂浮电源的MID：B。
本发明中，脉冲磁铁电源进行励磁曲线转换时需要处理波形数据，即需要对每个磁场波形数据或者电流波形数据按照励磁曲线拟合系数进行计算，另外对于带预设值的脉冲电源和不带预设值的脉冲电源在I/B转换时的计算方法是不同的。为了实现这一功能，需要使用EPICS的Array Subroutine(aSub)记录，通过该记录可以调用不同的C程序，波形数据的转换就在C程序中完成。
本发明中对IBConvert程序模块的安装时，计算机要求如下：物理PC机、工作站或者虚拟机均可；内存至少4G；Linux操作系统，最好是Redhat或者Centos，版本为6.0及以上；软件版本要求：EPICS base版本为3.14或3.15；synApps版本为5.6及以上。
IBConvert程序模块安装的步骤是：
S1、根据需要将IBConvert程序包解压到任一用户目录下。
S2、修改IBConvert/configure/RELEASE文件，指定EPICS_BASE、AUTOSAVE、IOCADMIN和CALC的绝对安装路径。
S3、在IBConvert目录下执行make clean&&make即可。
将本发明与第三方软件配合使用，当IBConvert程序模块正常运行后，可与第三方的含有EPICS通道访问协议(channel access support)的图形软件配合使用，比如ControlSystem Studio(CSS)、Open XAL软件等等，这里推荐使用Open XAL软件，该软件是开源、跨平台的纯Java程序，可以为加速器物理调束提供丰富的上层应用程序，目前该软件广泛应用于国内和国际的大科学装置中。
本发明中EpicsDBGenerator程序模块的使用方法，EpicsDBGenerator程序模块用来读取保存在Excel中的励磁曲线系数，并自动生成用于I与B转换EPICS DB文件。EpicsDBGenerator使用java语言开发，编译和运行环境要求JKD7以上，读取Excel表格使用了jxl包。因此，需要把Excel文件转换成后缀为xls的文件。
Claims (9)
1.一种用于加速器励磁曲线转换的系统，其特征在于：用于加速器中将物理设定的磁场值转换为电源所需的电流值或者将电源的电流值转换为对应的磁场值，其特征在于：整个系统包括IBConvert程序模块和EpicsDBGenerator程序模块两部分，其中IBConvert程序是标准的EPICS软件IOC，需要一直运行，实现I和B的实时转换；EpicsDBGenerator程序模块用于生成IBConvert程序所需要的DB文件，当电源数量、名称、励磁曲线拟合系数有变动时，需要运行该程序生成新的DB文件；所述用于加速器励磁曲线转换的系统用于直流电源时，I/B转换的方法，包括以下步骤：
当B->I转换时，首先设置理论磁场值B-SET，根据能量因子Energy_Factor计算得到实际磁场设定值B-SET_Actual，再根据励磁曲线拟合系数计算得到电流设定值SetI并下发给电源远控程序；
当I->B转换时，首先按一定的周期1秒回读实时的电流回采值GetI，根据励磁曲线拟合系数计算得到实际磁场回采值B_Actual，再根据能量因子Energy_Factor计算得到理论磁场回采值B。
2.根据权利要求1所述的一种用于加速器励磁曲线转换的系统，其特征在于：所述用于加速器励磁曲线转换的系统用于带预设值的脉冲电源时，I/B转换的方法，包括以下步骤：
当B->I转换时，首先根据预设磁场值B-SET计算得到的预设电流值SetI_Tmp、磁场波形数据有效长度BT-Length以及磁场波形数据BT-SET，根据励磁曲线拟合系数计算得到20万个点电流波形数据SetWaveI_Raw，再根据BT-Length设定输出给SetWaveI的有效数据长度SetWaveI_Out.NUSE，最后将SetWaveI_Raw中的数据按有效数据长度输出到SetWaveI中并触发电源远控程序WFCreate下发波形数据；
当I->B转换时，首先按一定的周期5秒回读实时的电流曲线回采值GetWaveI，根据励磁曲线拟合系数计算得到磁场波形回采值BT。
3.根据权利要求1所述的一种用于加速器励磁曲线转换的系统，其特征在于：所述用于加速器励磁曲线转换的系统用于四极磁铁脉冲电源及其漂浮电源时，I/B转换的方法，包括以下步骤：
当B->I转换时，首先应设置主脉冲电源的总磁场值QD-PS:B-SET，根据平均的励磁曲线拟合系数计算得到总电流设定值QD-PS:SetI，再根据此电流以及各自的拟合系数反算各个主四极磁铁的磁场值设定值QD01-FPS01:B-SET_All，叠加漂浮电源的磁场设定值后得到新的磁场值QD01-FPS01:B-SET_Total，再根据各自的拟合系数计算得到总的电流值，减去主磁铁电源的电流值QD-PS:SetI后得到漂浮电源电流设定值QD01-FPS01:SetI并下发给电源远控程序，QD01-FPS02的电流值从QD01-FPS01处获取，始终保持一致；
当I->B转换时，首先按一定的周期1秒回读主磁铁电源和漂浮电源实时的电流回采值R:MG:QD-PS:GetI和QD01-FPS01:GetI，叠加后得到总的电流回采值QD01-FPS01:GetI_Total，根据各自的励磁曲线拟合系数计算得到总磁场回采值，减去各自的主磁场回采值QD01:B得到漂浮电源的磁场回采值QD01-FPS02:B。
4.根据权利要求1所述的一种用于加速器励磁曲线转换的系统，其特征在于：所述的IBConvert程序模块根据EPICS规范进行设计，主要包括EPICS记录的设计和处理波形数据的函数设计。
5.根据权利要求4所述的一种用于加速器励磁曲线转换的系统，其特征在于：所述的EPICS记录的设计根据电源的分类来进行，设计的DB包括以下后缀是.db的数据库文件：DC.db、PulseWithDC.db、InjectionBump.db、Quadrupole.db、EnergyFactor.db和iocAdminSoft.db。
6.根据权利要求1所述的一种用于加速器励磁曲线转换的系统，其特征在于：所述的EpicsDBGenerator程序模块采用Java应用程序，用于生成IBConvert程序所需要的DB文件，当电源数量、名称、励磁曲线拟合系数有变动时，需要运行该程序生成新的DB文件。
7.根据权利要求4所述的一种用于加速器励磁曲线转换的系统，其特征在于：所述处理波形数据的函数设计是用EPICS的ArraySubroutine记录，通过该记录可以调用不同的C程序，波形数据的转换就在C程序中完成。
8.根据权利要求1所述的一种用于加速器励磁曲线转换的系统，其特征在于：所述的IBConvert程序模块安装的步骤是：
S1、根据需要将IBConvert程序包解压到任一用户目录下；
S2、修改IBConvert/configure/RELEASE文件，指定EPICS_BASE、AUTOSAVE、IOCADMIN和CALC的绝对安装路径；
S3、在IBConvert目录下执行makeclean&&make即可。
9.根据权利要求1所述的一种用于加速器励磁曲线转换的系统，其特征在于：所述的EpicsDBGenerator程序模块用来读取保存在Excel中的励磁曲线系数，并自动生成用于I与B转换EPICSDB文件。
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