EPICS及其应用研究进展

山西省气象灾害防御技术中心 李 芬

山西省气候中心 张建新

山西省气象灾害防御技术中心 李 力

EPICS主要用于分布式控制系统的研发，是目前全球大型实验室、科研机构用到的最主要的集成系统之一。本文对EPICS应用进行了尽可能详尽的文献调研；介绍了EPICS系统结构、EPICS系统框架和EPICS系统的发展历程；从系统监控、系统监测、数据采集及接口开发等方面对EPICS的典型应用进行了综述；提出EPICS应在技术创新、应用创新、接口规范和技术支持等方面深入研究，并对其未来发展进行了展望，以期为相关领域科研人员在关键技术、研究方向和系统开发方面提供参考。

EPICS（Experimental Physics and Industrial Control System），即：实验物理和工业控制系统。EPICS起源于美国星球大战计划，20世纪90年代初，由以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室LANL（Los Alamos National Lab）和美国能源部最大的研究中心阿贡国家实验室ANL（ArgonneNational Laboratory）联合开发。EPICS是一个开源软件工具、库和应用程序，系统结构灵活、开放性好、具有较强的可扩展性和方便国际交流协作的优点。EPICS具有完善的工具集，科研人员可利用EPICS的开发库，修改其源代码，开发各种控制程序或者控制界面软件。EPICS也提供脚本语言SNL支持多种语言编程，减少了程序开发的工作量。EPICS最大的优点是对于基本使用是不需要任何编程背景。

EPICS主要包括控制反转IOC（Inversion of Control）层、开放接口OPI（Open Press Interface）层和设备控制器。EPICS支持多个输入/输出控制器和操作员接口，EPICS管理的最小单元是过程变量PV（Process Variable）；EPICS的通信协议采用自带的高带宽协议，能够通过网络建立多台计算机间的控制及反馈。EPICS的发展主要经历了如下历程了2个阶段。基于C/S架构的EPICS在大型试验控制系统中的广泛应用开始于20世纪90年代。本世纪初，由于远程监控Web端访问页面的需求，美国斯坦福直线加速器中心就有专家提出开发在线增加、删除、保存和重载图形对象应用程序的建议。2001年，Matthias Clausen等人开发了基于Java Beans和XML技术的用户界面构建器JOI MINT，实现了对象的在线增加、保存、删除和重载等功能并很快得到应用。2004年Cosylab公司改进完成了CAJ，使JCA的性能进一步提高。2008年，橡树岭实验室ORNL开发完成了基于Java Script的本地通道接口和标记语言。通过生成Java Script、HTML文件，实现了浏览器端描述通道访问控件，渲染监控系统界面。2009年，Hiroyuki Sako等人开发了Java通道访问库Java Channel Access Library，并很快被用于日本RCS控制系统和J-PARC直线加速器的开发。近年来，B/S架构的EPICS系统研发逐渐深入，DESY开发了配置工具包Web2c Toolkit；加拿大光源CLS开发了远程光束线接入系统；为了方便移动设备，开发人员还定制了Web2c To Go软件。

1 EPICS的典型应用

EPICS主要用于分布式控制系统的研发，是目前全球大型实验室、科研机构用到的主要的集成系统之一。EPICS被广泛应用在各种工业实时控制场景及大型科学试验系统的开发。

1.1 系统监控应用

21世纪以来，EPICS在实验系统监控方面的得到广泛应用。早在2006年上海应用物理研究所就开发了EPICS环境下的LINAC控制系统。2008年张德敏等基于30MeV直线加速器硬件平台，应用VDCT完成了控制系统的数据库设计，使用EPICS开发工具建立的加速器控制系统为自由电子激光实验提供高品质束流。2009年刘倩等研发了基于EPICS的SSRF-X射线小角散射实验站运动控制系统。2010年张德敏等设计了基于EPICS的自由电子激光THz源控制系统。2011年张招红等用EPICS实现了液氮冷却双晶单色器的运动控制，并应用在上海光源四条插入件光束线的单色器上；蒋舸扬等设计了嵌入式上海光源EPICS插入件控制系统，将EPICS组件嵌入到控制器中。2013年徐广磊采用EPICS，以基于消息的方式共享数据，实现对主剥离膜装置的远程控制。2014年国家天文台将EPICS应用到FAST系统中，集成后的系统有EPICS的实时性和RTS2的可远程操作的特点。2015张光宇等设计了基于EPICS的成像控制软件；刘群等基于EPICS可编程控制器，研发了合肥光源光束线安全防护控制系统。

近年来，EPICS在系统监控方面的研究更加深入。2018年张根灿等基于EPICS，采用Python程序及PCASpy工具包开发了质子注入器远程控制系统。2019年常建军基于EPICS软件与有限状态机设计模型开发集成层，开发了兰州320kV重离子交叉学科实验平台控制系统。陈小帅等针研究基于EPICS的EAST积分器监控系统，系统能实时监控积分器系统的运行状态并及时报警、定位异常，具有良好的跨平台移植性和扩展能力。

1.2 系统监测应用

EPICS以其优良的特性优势，在系统监测方面的应用得到科研人员的青睐。2008年杨嵩研制了基于EPICS及虚拟仪器技术的Libera测试系统，采用LabVIEW CA Library实现二者的跨平台数据访问。杜鹏等研发了基于EPICS/MATLAB图像处理的光束位置测量系统。2014年刘保杰设计了基于EPICS的加速器束流截面测量系统。2016年张刚等开发了一种基于EPICS网络的实时监测和报警系统，通过SNMP协议，进行全域的消息监控及实时报警。2018年雷瑞庭等设计了一种基于EPICS &ARM的分布式测控系统，设计了模拟量输入输出、调理电路、脉冲量输入输出、flash读写等模块。张鹏蛟基于EPICS和Labview设计了辐照加速器测控系统，应用I/O Server接口技术，实现了EPICS和Labview之间数据的交换。

近年来，EPICS在系统监测方面的应用在嵌入和集成方面取得一定进展。2019年蔡袁琦研制了基于嵌入式EPICS架构的合肥光源储存环束流损失监测（BLM）系统，系统可将数据实时发布到加速器控制网络。宋海声等基于EPICS开发了颗粒传热实验测控系统，实现了颗粒换热平台实验的在线采集、监测、控制与实时存储。

1.3 数据采集系统

EPICS还应用在数据采集系统的搭建中。2002年程卫星等建立了基于EPICS的数据采集系统，实现了束流位置探头的快速标定。2010年刘平等建立一套VME/IOC的EPICS数据采集系统。2012年彭杨等研发了基于EPICS的EAST稳态数据采集与监控系统，实现了稳态数据采集、数据服务的实时监控。2013年徐波通过LabVIEW中的EPICS服务器，使用LabVIEW编程采集数据，实现了数据网络的分布式采集。李芳等开发了基于EPICS的读出系统，实现了ADC读出和示波器读出。李洛峰等通过EPICS数据获取机制，开发了基于RCP的EPICS数据获取软件。2017年李欣怡研发了EPICS过程变量（PV）管理自动化系统，实现了IOC PV信息收集与数据、权限管理、PV的批量存储、历史查询和实时更新等功能。李丹清等研究了基于EPICS高温制氢控制系统，其历史数据归档系统，可提供快速数据查询的功能，为事件的迅速定位提供支持。

基于EPICS的数据采集，上海光源在多个系统中得到应用。2009年上海光源基于EPICS的数据采集系统被成功用于微束X射线荧光分析和微束荧光XAFS等实验。2016年兰旭颖等设计了上海光源基于SPEC和EPICS的IXS实验控制与数据采集系统，实现了电机控制、光子探测和样品扫描等功能。2017年顾颂琦对上海光源XAFS实验站高速数据采集系统进行升级改造，实现EPICS和lab VIEW两个系统的数据共享。2018年周平等基于EPICS环境开发了上海光源步进电机的狭缝控制系统，对运动控制、探测器数据采集和光强检测等控制进行集成。

1.4 接口开发应用

EPICS提供了一组名为PCAS类接口，用于把非EPICS应用程序接入到EPICS中。2009年刘佳等使用美国散裂中子源开发的共享内存接口，在Windows PC机上使用LabVIEW编程，将前端的Windows/LabVIEW系统视为EPICS IOC纳入到EPICS控制系统，实现了数据共享。2013年胡磊等研发了基于EPICS的Input/Output Controller与倍福PLC通讯接口，通过倍福TwinCAT环境系统中的驱动链接库方法，实现了对前端倍福PLC的数据获取。2015年何泳成等通过使用OPC Gateway驱动程序实现了EPICS与Ether CAT设备的通信。雷蕾等针对TMSR EPICS仪控系统核心软件模块进行目录管理、软件包管理和服务管理，实现了TMSR仪控系统软件平台的统一和自动化。2016年官龙腾等开发了基于EPICS的数字超声流量计网络接口，实现上位机操作员接口层面的流量数据实时监测。刘少海等借鉴IEC 62439-3标准所发布的并行冗余协议，参照EPICS的通道访问协议，开发了基于PRP的EPICS CA协议软件。

2017年朱黎黎等基于EPICS框架，采用CSS开发人机接口界面对EAST极向场电源实施了控制系统升级，实时监控和控制电源运行和故障定位。郭帆等采用异步通讯模块Asyn相结合的方法实现EPICS架构下的分布式控制，实现多个PV变量的同时设置。朱泽玮等采用Stream Device软件，建立伺服电机在EPICS环境下的输入输出控制器，实现伺服电机在EPICS环境下的精确运动控制和实时通信响应。

2 结论与展望

2.1 结论

EPICS是一套开源的分布式软件开发工具，全球协同开发。EPICS给高级开发者提供了很好的开发自由度，同时又给一般应用者提供了系列模型，EPICS现已成为相关研发中不可缺少的工具。近年来，EPICS的应用与研究取得了一定进展，但在技术创新、应用创新、接口规范等方面还需深入研究。

科技创新方面。EPICS有大量的应用开发工具及各种驱动。EPICS系统涉及的技术多，技术关联性强。近年来，计算机、电子学、网络和软件技术飞速发展，EPICS要密切关注新技术，将相关前沿技术与实践相结合，加强国际合作交流，提升EPICS研发水平。

应用创新方面。EPICS系统应加强对应用功能与性能的研究，探索协同创新应用，要强化安全策略，建立硬件、软件的分级保护。针对核心需求，解决亟需问题。

接口规范方面。EPICS接口需要兼容不同类型的硬件。如果EPICS接口规范缺乏统一性，则导致系统兼容难度加大，影响后期系统的扩展性。因此，研究EPICS相关接口规范，对于推进EPICS的融合发展具有重要意义。

技术支持方面。EPICS系统规模大、结构复杂，产生的数据体量大、类型多，从EPICS系统数据的采集、分析、归档、存储到查询管理都需要强有力的技术支持，因此，EPICS需要更高的可靠性和实时响应速度，这对计算机处理能力、网络速度等提出更高要求。

2.2 展望

本文对EPICS应用进行了详尽的文献调研，从系统监控、数据采集及接口开发等方面对EPICS的典型应用进行了综述，以期为相关领域科研人员在关键技术、研究方向和系统开发方面提供参考。

EPICS系统的发展方向是集成化、嵌入式和网络化，这就需要强化相关技术研究，如：跨层数据访问和海量数据分布式存储系统嵌入技术研究；加强数据采集和系统监控相结合的研发，深入发展流数据实时处理技术；加强EPICS系统高可用性研究，如：系统设计的高可用性研究和系统运行的高可用性研究等。

EPICS是一项复杂的系统工程，EPICS系统涉及计算机、软件开发、数据库、信号处理、通讯网络和系统集成等技术。EPICS系统主要是集成，EPICS系统研制主要是进行软件开发，只有建成的是开放标准化的系统，才能提高系统的可靠性和可维护性。因此，EPICS系统要充分考虑系统的可扩展性，对软件开发进行标准化管理。