直线加速器SARAF控制系统现状
作者：Isaac Gertz, Amitai Abramson, Israel Mardor, Amichai Perry, Leonid Weissman, Christian Piel
l 介绍
Soreq 应用研究加速器设施（SARAF，Soreq Applied Research Accelerator Facility）是一台能量范围为 5 至 40 MeV、电流为 0.04 至 2 mA 的质子/氘核射频超导直线加速器，目前正在以色列 Soreq 核研究中心进行调试。SARAF 被设计为一座多用户设施，应用领域包括中子物理、放射性药物的开发与生产、基础核物理等研究。
加速器项目分为两个阶段。第一阶段包括电子回旋共振（ECR）离子源、射频四极场（RFQ）、原型超导模块（PSM）、诊断板（D-Plate）和束流终止器（见图1）。此外还包括整个加速器的设计与主要应用系统的可行性验证。第二阶段将完成剩余加速器结构及其应用系统。
l 主控制系统
SARAF 主控制系统（MCS）的设计遵循如下原则：
- 采用知名厂商提供的商用控制软件；
- 硬件设备也选择商用产品，支持 OPC 协议；
- 优先选择软硬件均由同一厂商提供的方案；
- 在保证兼容性的前提下，尽可能减少控制系统中软硬件的种类。
MCS 架构为“服务器-客户端”模式。中央服务器负责统一控制和硬件接口，各用户通过客户端访问系统，客户端不直接接触硬件。此架构增强了系统的稳定性和扩展性。
图 1：SARAF 第一阶段组成结构图
l 硬件
MCS 所采用的主要硬件来自 National Instruments。具体硬件设备如下：
- FieldPoint 控制器 FP-1601
FP-1601 是具备事件驱动功能的以太网接口模块，可实现高效、低带宽的通讯。在 SARAF 中有 6 个此类模块用于真空系统与磁铁电源的监控。 - 紧凑型 FieldPoint cFP-2020/2110
这类 PLC 控制器适用于独立数据采集和工艺控制任务。在 SARAF 中用于 PSM 超导模块与束晕测量系统控制。 - CompactRIO 控制器 CRIO-9014/9002
CRIO 是运行 LabVIEW Real-Time 的实时控制平台，使用 Wind River VxWorks RTOS，具有极高的稳定性与确定性。在 SARAF 中用于机器安全系统（MSS）控制，共部署两套以实现冗余。 - PXI 嵌入式控制器 PXI-8196
此控制器基于 Intel Pentium M 架构，具备高性能嵌入式计算能力，用于低电平射频（LLRF）控制（见图3）。 - 运动与诊断 PCI 控制卡 PCI-7334/6220
此类控制卡安装于工业 PC 中，用于步进电机与束流诊断系统控制。 - 西门子 PLC S7-300/400
部分子系统采用西门子 S7 系列 PLC，例如：- 低温系统使用 S7-400（带远程模块）；
- 个人安全系统采用符合 EN 954-1 类别 4 的 S7-300F；
- RFQ 射频系统采用 S7-400 控制。
- Trend IQ3 DDC 控制器
Trend 提供的 IQ3 控制器用于设施内 HVAC 系统和工艺冷却水控制，已集成入控制系统。
图 2：SARAF 控制系统总体架构图
图 3：MCR主控制室
l 软件
主控制软件平台为 National Instruments 的 LabVIEW，包括 Real-Time 和 FPGA 模块。LabVIEW 提供图形化编程环境，适用于数据采集、仪器控制和自动化系统开发，支持多种协议（OPC、TCP/IP、RS232、GPIB、Modbus）。
LabVIEW 应用可部署在多种硬件平台（如 CRIO、Compact FieldPoint、Windows PC）上，并可通过 OPC 接口访问西门子 PLC 等设备的数据。LabVIEW 中的“共享变量”机制进一步简化了 OPC 交互，实现跨系统的数据访问与发布。
图 4：LLRF操作界面
图5： LLRF专家界面
l 辅助控制系统
除了主控系统，SARAF 还部署了多个分布式子系统，分别独立控制以下环节：
- 低温控制系统
由 S7-400 控制器管理，包括用于液氦温控和传感器采集的远程 I/O 模块。 - 个人安全系统（PSS）
采用 S7-300F 控制器，符合 EN 954-1 类别 4 标准。系统具备冗余安全回路、联锁机制和状态反馈，保障操作人员安全。 - RFQ 射频控制系统
通过 S7-400 控制器精确控制射频功率、调制和反馈路径，保持 RFQ 加速过程稳定。 - 冷却水与暖通系统
Trend IQ3 控制器负责工艺冷却水系统及加速器建筑内的温湿调节，确保设备稳定运行。
l 总结
SARAF 控制系统在设计上充分融合了工业自动化与虚拟仪器技术。系统基于标准 OPC 通信协议与模块化架构，在性能、兼容性与可扩展性方面展现出良好特性。
控制系统使用 LabVIEW 作为核心开发平台，结合 National Instruments 与西门子的硬件优势，成功实现了从低温至射频、从冷却水到人员安全的统一监控体系。随着 SARAF 第二阶段的扩建，该系统架构亦具备良好的升级能力，适应未来更复杂的控制需求。
Refernence:
