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。

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　　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。

　　2　系統硬件組成

　　如圖1所示，該系統硬件主要由監控計算機、真空傳感器和真空聯鎖保護單元等幾部分組成。

　　(1)監控計算機由通用PC機加PC-CAN適配卡及多媒體外設構成。PC-CAN適配卡采用國產的Hilon系列CAN總線工控產品，隨卡的軟件包可支持用戶開發專用的監控和驅動程序。

　　(2)真空傳感器由規管和真空計組成。本實驗室大多使用熱陰極電離超高真空計和冷陰極磁控超高真空計。根據多年的使用經驗，國外品牌性能較穩定、可靠，而國內品牌相比之下較差，返修率也非常高。為此根據不同規管特性要求和結合國外產品經驗的基礎上開發出兩種類型的超高真空計：熱陰極電離超高真空計和冷陰極磁控超高真空計。

　　熱陰極電離超高真空計的內核為51系列單片機。經過細致的布線、制版和抗干擾設計，其A/D模塊可準確測量300 fA～1 μA的離子流，已超出大多數熱陰極電離規正常工作時收集的離子流范圍。規管陰極燈絲電源設計為開關電源(100 kHz)，可提供0～5 A的電流，能有效驅動國外的大功率規管，保護性能極好。非易失性SRAM和時鐘芯片可提供真空報警閾值設定及時鐘。報警輸出采用20 mA電流環，便于光隔離和抗干擾。報警反應時間小于200 ms，滿足除快閥外對一般閥門的控制。通訊接口有RS232C和CAN。CAN接口采用Philips公司的82C200通訊控制器和82C250總線收發器[2]。另外采用Watchdog技術和數字濾波以增加可靠性。軟件用工程C語言編寫。顯示采用6位高亮度數碼管。鍵盤功能包括：除氣、發射、報警閾值設定、時間顯示等功能。根據規管生產廠家提供的離子流與真空度曲線，目前該真空計適用于日本ANLVA公司的954-7902型規管，美國Varian公司的UHV-24型規管，以及國產的DL7和M001型規管。圖2的Gao.Hot是在本實驗室按照ISO/DIS3568國際標準建造的比對系統上為該真空計做的比對結果，使用的規管為954-7902型規管。圖中的橫坐標為BALZERS公司的IMG040型真空計的測量值，相當于二次標準。

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　　冷陰極磁控超高真空計的設計除規管所需電源為高壓電源外，其它類似于熱陰極電離超高真空計。高壓電源采用為微通道板和光電倍增管設計的高精度電源模塊，其結構緊湊、小巧。目前該真空計適用于BALZERS公司的IKR 020規管和國產M014型規管。比對結果如圖2的Gao.Cold所示，使用的規管為IKR 020型規管。圖中的彎曲是因為測試時的規管下限為1×10-7 Pa。

　　(3)將冷陰極磁控超高真空計的設計簡化后，用于光束線前端的快速關閉閥傳感器及控制器，該傳感器有兩個20 mA電流環輸出，一路用于關斷快閥，一路去真空聯鎖保護控制器，用于聯動光束線前端的水冷光屏和氣動閥門。傳感器所用規管位于光束線后端的實驗站附近，報警閾值在1×10-1～1×10-5 Pa之間。在去除各種可能的窄脈沖干擾后，報警響應時間小于500 μs，最后快閥關斷應小于7 ms[3]。

　　(4)真空聯鎖保護控制器的設計強調可靠性和抗干擾性。設計中采用全隔離技術。單片機系統的5 V電源直接由目前流行的AC/DC開關電源功率模塊得到，來自各種真空傳感器的報警信號通過光偶陣列輸入，數字系統的輸出通過光偶陣列驅動開關閥門的功率可控硅陣列。由于開關無觸點，使用壽命長。通訊接口CAN也通過兩片數字式光偶隔離。工作框圖如圖3。該裝置的工作方式分聯鎖控制和手控兩種方式。在儲存環、光束線實驗站正常工作情況下，裝置處于聯鎖狀態;而在光束線調試的情況下，通常處于手控工作方式。需要手控工作時，必須敲入密碼方可進入。由于手控工作時必須能任意開關控制各閥門，本設計最多可驅動24個閥門。一片8243用于擴展輸出口，一片可編程的GAL16V8可以在出現異常情況時進行必要的邏輯處理和控制。由于開關閥門所需的組合邏輯完全是可編程的，因此同一設計可以適用于不同類型的光束線實驗站。

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　　3　系統軟件設計

　　基于PC的數據采集和處理系統能夠利用PC機所有強大的數據運算、存儲能力和優良的編程環境。系統軟件設計采用NI公司的圖形化虛擬儀器平臺LabVIEW,另外現在眾多國內廠家及NI公司也提供包括PC/CAN，RS232C/CAN，RS485/CAN等現場總線硬件產品。利用這些硬件產品，使用NI的編程平臺很容易構筑專用的測控系統。由于該系統在Win95平臺下構造，可以充分利用其提供的各種多媒體功能，應用多種手段實現良好的人機界面，從而容易實現強有力的分析和處理等功能。

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　　整個監控系統畫面結構框圖如圖4所示，主要由六部分組成，其中控制和監測子系統畫面中可以顯示該子系統的所有主要真空計、各閥門的開關狀態、重要參數以及各參數的實時曲線和歷史曲線;報警子畫面顯示整個系統順序發生的所有報警事件、時間;參數數據庫實時記錄整個系統所有重要參數變化。其中參數數據庫可通過DDE功能和利用Excel實現。

　　4　結語

　　本系統的最終完成和實施，必將提高NSRL真空監測和聯鎖保護的可靠性及實時性，也將使NSRL的現場測控技術提高到一個新的水平，并向國際水平靠攏。作為現場總線的典型應用，也將有極高的推廣價值。