基于C#的SECRAL-II數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)

岳 敏 袁 超 茍世哲 張 瑋 王永平 常建軍

基于C#的SECRAL-II數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)

岳 敏 袁 超 茍世哲 張 瑋 王永平 常建軍

（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

超導(dǎo)電子回旋共振離子源II (Superconducting Electron Cyclotron Resonance ion source with Advanced design in Lanzhou-II, SECRAL-II)控制系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)物理與工業(yè)控制系統(tǒng)(Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS)架構(gòu)，其中數(shù)據(jù)歸檔子系統(tǒng)主要用來存儲(chǔ)離子源電源、真空、束診、水壓等數(shù)據(jù)，便于技術(shù)人員進(jìn)行在線和離線數(shù)據(jù)分析，是其控制系統(tǒng)的重要組成部分。EPICS自帶的Channel Archiver存儲(chǔ)格式固定，無法滿足用戶的實(shí)際使用需求。使用C#實(shí)現(xiàn)了EPICS架構(gòu)下變量(Process Variable, PV)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，結(jié)合Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，使得在存儲(chǔ)PV變量的策略上可以更加靈活控制。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了基于超文本預(yù)處理器(Hypertext Preprocessor, PHP)的文件管理系統(tǒng)，用于歷史數(shù)據(jù)文件的管理。測(cè)試及運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)可以很好地滿足研究人員對(duì)于歷史數(shù)據(jù)的歸檔要求和研究需求。

超導(dǎo)電子回旋共振離子源II，實(shí)驗(yàn)物理與工業(yè)控制系統(tǒng)，Oracle，超文本預(yù)處理器，數(shù)據(jù)歸檔

超導(dǎo)電子回旋共振離子源(Superconducting Electron Cyclotron Resonance ion source with Advanced design in Lanzhou, SECRAL)[1-2]是由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所在 2006年研制的一臺(tái)具有全新磁鐵結(jié)構(gòu)的電子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance, ECR)離子源，融合了最新的ECR技術(shù)，可在 18-28GHz微波頻率下為蘭州重離子加速器(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL)提供強(qiáng)流離子束[3-4]，是目前國(guó)際領(lǐng)先的ECR離子源之一。自投入運(yùn)行以來，使扇聚焦回旋加速器(Sector Focusing Cyclotron, SFC)和分離扇回旋加速器(Sector Separated Cyclotron, SSC)的氙束束流強(qiáng)度分別提高了10倍和50倍，并成功刷新了許多高電荷態(tài)離子束的流強(qiáng)記錄，例如Pb30+、Ca16+和Ni17+等。2011年 SECRAL成功引出了238U32+離子，并在HIRFL冷卻儲(chǔ)存環(huán)主環(huán)(Cooling Storage Ring main ring, CSRm)中加速到了 23.8GeV，從而使 HIRFL累積完成了元素周期表中從氫到鈾的全離子加速。

SECRAL-II是中國(guó)科學(xué)院大科學(xué)裝置維修改造項(xiàng)目“HIRFL備用超導(dǎo)ECR離子源研制”的最核心設(shè)備，其控制系統(tǒng)是基于實(shí)驗(yàn)物理與工業(yè)控制系統(tǒng) (Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS)[5-6]的分布式控制系統(tǒng)。歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是控制系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部分，在EPICS架構(gòu)的控制系統(tǒng)中，由Control System Studio (CSS)提供的 ARCHIVE ENGINE[7]是比較常用的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用程序。CSS是基于 Eclipse的一個(gè)工具集。ARCHIVE ENGINE使用Channel Archiver將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。歷史數(shù)據(jù)的查詢則使用CSS提供的 Data Browser工具。美國(guó)散裂中子源(Spallation Neutron Source, SNS)參與開發(fā)Channel Archiver并使用 Channel Archiver[8]存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。日本的KEKB (KEK B-Factory)加速器工程也使用Channel Archiver[9]存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)合肥光源控制系統(tǒng)中使用SNS開發(fā)的Channel Archiver進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[10]，但是由于CSS提供的Data Browser的局限性，重新開發(fā)了歷史數(shù)據(jù)的Web查詢頁(yè)面。

SECRAL-II控制系統(tǒng)中，離子源子系統(tǒng)研究人員需要Excel文件格式的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行基本數(shù)據(jù)查看以及將數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析系統(tǒng)中進(jìn)行處理和分析，所以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的要求方面，ARCHIVE ENGINE無法滿足用戶的需要。因此，本工作研究和開發(fā)了一套基于C#的數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用EpicsSharp提供的軟件庫(kù)[11]實(shí)現(xiàn)了EPICS Client庫(kù)函數(shù)，然后利用庫(kù)函數(shù)，使用Channel Access (CA)協(xié)議讀取輸入輸出控制機(jī)(Input/Output Controller, IOC)上的變量(Process Variable, PV)值并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)文件中。數(shù)據(jù)文件產(chǎn)生后，用戶通過服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)文件。傳統(tǒng)的匿名文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol, FTP)應(yīng)用十分廣泛，是一個(gè)很常用的服務(wù)，但是FTP服務(wù)器通常情況下需要安裝客戶端軟件，而且不能獲取文件屬性，無法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和分布式辦公。為了便于用戶隨時(shí)隨地獲取數(shù)據(jù)文件，本文為用戶開發(fā)了一套基于超文本預(yù)處理器(Hypertext Preprocessor, PHP)技術(shù)的數(shù)據(jù)文件管理系統(tǒng)[12-13]。

1 系統(tǒng)概述

SECRAL-II總控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三層：底層為設(shè)備層；中間層為IOC層，用來實(shí)現(xiàn)所有控制設(shè)備功能以及和上層通訊功能；上層為用戶接口(Operator Interface, OPI)層，用來實(shí)現(xiàn)用戶操作接口。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)存檔子系統(tǒng)位于總控系統(tǒng)架構(gòu)第一層，通過建立CA通道和IOC服務(wù)器的PV進(jìn)行通信。Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了每個(gè)PV變量對(duì)應(yīng)的設(shè)備名，所屬的IOC服務(wù)器IP地址，以及每個(gè)PV變量讀取的間隔時(shí)間[14]。文件系統(tǒng)(File System)用于管理數(shù)據(jù)文件。底層在SECRAL-II系統(tǒng)中主要包括電源、真空、束診等設(shè)備，設(shè)備接口類型有串口、以太網(wǎng)接口等。

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Structure of control system.

系統(tǒng)中，使用Oracle存儲(chǔ)變量信息，可以克服采用文件（比如可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(eXtensible Markup Language, XML)）進(jìn)行信息配置的一些缺點(diǎn)。本文在共享性、冗余度、獨(dú)立性、安全性、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化以及后期集成幾個(gè)方面對(duì)二者進(jìn)行了對(duì)比，如表 1所示。

由表1可以看出，由于Oracle的共享性支持，用戶對(duì)文件內(nèi)容的增、刪、改、查會(huì)非常方便；另外，使用Oracle存儲(chǔ)信息，可以避免人工核查XML文件格式的困難。從管理角度考慮，該子系統(tǒng)可以容易地集成到加速器控制信息綜合管理平臺(tái)中。

表1 使用Oracle和使用文件對(duì)比Table 1 Comparison of using oracle and file.

系統(tǒng)主要操作流程如圖2所示。首先應(yīng)用程序初始化，從數(shù)據(jù)庫(kù)讀入PV變量名和所屬IOC服務(wù)器IP地址，根據(jù)IOC服務(wù)器的IP地址，建立CA Client，并對(duì)其讀取的IP列表進(jìn)行配置。然后和IOC服務(wù)器建立連接，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取到的PV變量的間隔時(shí)間，在特定的時(shí)間后讀取PV變量的值，然后存入緩沖區(qū)，定時(shí)將數(shù)據(jù)寫入Excel文件，避免了頻繁的輸入輸出操作。目前，根據(jù)用戶分析數(shù)據(jù)實(shí)際需要，程序讀取PV變量的間隔時(shí)間由用戶定義為30 s。

圖2 操作流程Fig.2 Operation flow chart.

2 EPICS Client庫(kù)開發(fā)

EPICS提供了多種開發(fā)語(yǔ)言的擴(kuò)展包，本文對(duì)EPICS C#函數(shù)庫(kù)進(jìn)行了研究并使用其提供的函數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)。EpicsSharp由 Client 、Server 和Gateway 三部分組成。Client庫(kù)支持程序讀取、監(jiān)控和操作IOC上的PV；Server 庫(kù)通過CA協(xié)議發(fā)布PV變量；Gateway 是一個(gè)獨(dú)立的軟件。EpicsSharp提供了C#實(shí)現(xiàn)的Client類。為了更適合本控制系統(tǒng)中的設(shè)備，本工作對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。由于每種設(shè)備的接口以及響應(yīng)速度不同，根據(jù)設(shè)備情況，延時(shí)作為參數(shù)由使用者定義，并傳遞給函數(shù)。優(yōu)化后的Client類以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)SECRAL_Client.dll的方式引入到數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)中。

使用SECRAL_Client讀取PV，首先需要建立讀取通道，使用CreateChannel函數(shù)，然后使用Get函數(shù)去讀取PV變量的值。首先建立連接，然后由Client發(fā)送讀取命令，獲取數(shù)據(jù)。SECRAL-II的控制系統(tǒng)目前需要存儲(chǔ)的PV變量共30個(gè)，隨著控制系統(tǒng)的逐步完善，PV變量個(gè)數(shù)會(huì)增加。由于PV變量分布于不同的IOC上，所以根據(jù)IOC的個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)建立 Client。程序以多線程方式實(shí)現(xiàn)，每個(gè)線程作為一個(gè)Client和IOC服務(wù)器連接，連接后默認(rèn)不斷開。在每個(gè) Client端，初始化時(shí)創(chuàng)建 PV變量的Channel，以此來優(yōu)化讀取的速率。

為保證Client動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的有效性，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的PV變量信息更改時(shí)，通過消息機(jī)制通知程序進(jìn)行信息重新讀入，該部分由程序的監(jiān)聽線程實(shí)現(xiàn)。

3 Excel格式數(shù)據(jù)文件

C#向 Excel文件寫數(shù)據(jù)比較常用的有三種方式：第一種，將數(shù)據(jù)以流的形式寫到Excel中，格式以html形式存在；第二種，將數(shù)據(jù)以文件流的形式寫到Excel中，格式以txt的形式存在；第三種，將數(shù)據(jù)直接寫到Excel中，格式以XLS形式存在。根據(jù)用戶需求，本工作采用了第三種方法。在應(yīng)用程序中，引入Microsoft Office 2010的Excel組件Microsoft.Excel 14.0 Object Library。

Microsoft.Excel 14.0 Object Library是Microsoft Office 2010提供的操作Excel的COM組件。首先創(chuàng)建Application對(duì)象AppExcel，聲明Workbook對(duì)象，指定操作的Sheet，然后讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)。為了防止每次彈出寫入提示，將AlertBeforeOverwriting和 DisplayAlerts屬性設(shè)為False。最后保存數(shù)據(jù)，需要同時(shí)保存WorkSheet和Workbook。保存后使用Quit函數(shù)退出AppExcel對(duì)象，并調(diào)用KillSpecialExcel函數(shù)關(guān)閉Excel進(jìn)程，否則Excel進(jìn)程會(huì)逐漸增加，消耗系統(tǒng)內(nèi)存。

4 數(shù)據(jù)文件管理

數(shù)據(jù)文件管理子系統(tǒng)，用來管理存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)文件。該子系統(tǒng)使用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server, B/S)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。前臺(tái)采用層疊樣式表(Cascading Style Sheets, CSS)+定位技術(shù)(DIVision, DIV)和主流的JavaScript開發(fā)框架Jquery進(jìn)行頁(yè)面設(shè)計(jì)。后臺(tái)服務(wù)器端采用PHP+Apache+Oracle技術(shù)開發(fā)。系統(tǒng)前后臺(tái)采用Ajax+Json進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，極大地提升了響應(yīng)速度。系統(tǒng)安全方面采用登錄驗(yàn)證和權(quán)限驗(yàn)證。用戶在登錄頁(yè)面提交用戶名和密碼后，首先對(duì)用戶名進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證通過，將對(duì)用戶密碼進(jìn)行信息摘要算法5 (Message-Digest Algorithm 5, MD5)加密，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的密碼進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)通過則允許登錄。用戶登錄成功后，系統(tǒng)注冊(cè)用戶會(huì)話狀態(tài)(Session)，防止未登錄的用戶訪問系統(tǒng)。系統(tǒng)針對(duì)不同的用戶設(shè)計(jì)了不同的權(quán)限，普通用戶只有瀏覽、下載權(quán)限，管理員具有瀏覽、上傳、下載、共享、刪除等權(quán)限。登錄驗(yàn)證后根據(jù)用戶的權(quán)限顯示相應(yīng)的功能，從而進(jìn)一步保證了文件的安全。

5 運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行結(jié)果

數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)使用 Visual Studio 2010平臺(tái)開發(fā)，操作系統(tǒng)環(huán)境為64位Windows 7系統(tǒng)。應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)皆部署在惠普ProLiant DL388 G9機(jī)架式服務(wù)器上，環(huán)境為64位Windows Server 2012系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle 11.2.0.0.0。表2為數(shù)據(jù)庫(kù)中主要字段說明。

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)主要字段Table 2 Main field in database.

圖3為歷史數(shù)據(jù)文件瀏覽和下載界面。用戶選中圖3中任意文件，選擇“下載”，便可下載到本地。目前運(yùn)行PV為30個(gè)，單日文件大小為300 KB左右。隨著控制系統(tǒng)的不斷完善，后續(xù)將繼續(xù)增加PV變量，包括環(huán)境溫度、濕度、磁鐵溫度監(jiān)測(cè)等，理論值按200個(gè)PV計(jì)算，單日文件大小約為2 MB，年數(shù)據(jù)大小約為700MB左右。目前我們使用的機(jī)架式服務(wù)器硬盤總?cè)萘繛?.5TB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案采用存儲(chǔ)性能、數(shù)據(jù)安全和存儲(chǔ)成本兼顧的獨(dú)立冗余磁盤陣列5 (Redundant Array of Independent Disk 5, RAID5)方案，存儲(chǔ)空間為 600GB，可以滿足用戶長(zhǎng)期使用需要。截止2016年11月，系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行7個(gè)月時(shí)間。

圖3 文件瀏覽和下載界面Fig.3 User interface of file view and download.

圖4 是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行7個(gè)月的數(shù)據(jù)文件個(gè)數(shù)、大小以及用戶下載情況做的信息統(tǒng)計(jì)。8月份由于加速器停機(jī)檢修，所以8月份的數(shù)據(jù)量比較少。

圖4 數(shù)據(jù)文件統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of data files.

6 結(jié)語(yǔ)

使用C#實(shí)現(xiàn)了EPICS架構(gòu)下PV變量的讀取和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。經(jīng)過7個(gè)月的運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以滿足用戶的需求。系統(tǒng)存儲(chǔ)策略可以根據(jù)用戶需要隨時(shí)修改。RAID5方案保證了數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)安全性、文件管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用，以及保證了數(shù)據(jù)文件的訪問安全性，同時(shí)增加了用戶獲取數(shù)據(jù)的便捷性和易用性。該方案適用于同樣需求的控制系統(tǒng)。

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Data archive system of SECRAL-II based on C#

YUE Min YUAN Chao GOU Shizhe ZHANG Wei WANG Yongping CHANG Jianjun

(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Background:Data archiving system is an important part of SECRAL-II (Superconducting Electron Cyclotron Resonance ion source with Advanced design in Lanzhou-II, SECRAL-II) control system which is based on the Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS). The SECRAL-II researchers have special request for data archiving system, but the Channel Archiver of EPICS cannot satisfy their requirements.Purpose:This study aims to develop a novel data archive system to meet user’s special requirements.Methods:EpicsSharp, a software library for the NET platform, is employed to implement the channel access protocol of EPICS. Based on C# language and Oracle database, EPICS Client library combined with Microsoft.Excel 14.0 object library are used to implement a novel data archive system which can read EPICS process variable (PV) values and save them into files in Excel format. Corresponding file management system based on hypertext preprocessor (PHP) is developed for user convenience and the safety of the file system.Results:The data system is stable and reliable and has been running in practice for half a year. Through the web browser, user can login into the file manager system and select any file to download to the local computer. Then the data file can be viewed or imported into another analysis system.Conclusion:The archive system is reliable and suitable for SECRAL-II control system. This scheme is applicable to the similar requirements of other control system.

SECRAL-II, EPICS, Oracle, PHP, Data archive

YUE Min, female, born in 1985, graduated from Lanzhou University with a master’s degree in 2010, focusing on accelerator control

TL503.6

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.030402

No.11427904)資助

岳敏，女，1985年出生，2010年于蘭州大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)榧铀倨骺刂萍夹g(shù)

2016-08-31，

2016-12-12

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11427904)

Received date: 2016-08-31, accepted date: 2016-12-12