超导电子回旋共振离子源 (Superconducting Electron Cyclotron Resonance ion source with Advanced design in Lanzhou, SECRAL)^[1-2]是由中国科学院近代物理研究所在2006年研制的一台具有全新磁铁结构的电子回旋共振 (Electron Cyclotron Resonance, ECR) 离子源，融合了最新的ECR技术，可在18-28GHz微波频率下为兰州重离子加速器 (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL) 提供强流离子束^[3-4]，是目前国际领先的ECR离子源之一。自投入运行以来，使扇聚焦回旋加速器 (Sector Focusing Cyclotron, SFC) 和分离扇回旋加速器 (Sector Separated Cyclotron, SSC) 的氙束束流强度分别提高了10倍和50倍，并成功刷新了许多高电荷态离子束的流强记录，例如Pb³⁰⁺、Ca¹⁶⁺和Ni¹⁷⁺等。2011年SECRAL成功引出了²³⁸U³²⁺离子，并在HIRFL冷却储存环主环 (Cooling Storage Ring main ring, CSRm) 中加速到了23.8GeV，从而使HIRFL累积完成了元素周期表中从氢到铀的全离子加速。

SECRAL-Ⅱ是中国科学院大科学装置维修改造项目“HIRFL备用超导ECR离子源研制”的最核心设备，其控制系统是基于实验物理与工业控制系统 (Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS)^[5-6]的分布式控制系统。历史数据的存储是控制系统中一个非常重要的部分，在EPICS架构的控制系统中，由Control System Studio (CSS) 提供的ARCHIVE ENGINE^[7]是比较常用的历史数据存储应用程序。CSS是基于Eclipse的一个工具集。ARCHIVE ENGINE使用Channel Archiver将数据存储到数据库。历史数据的查询则使用CSS提供的Data Browser工具。美国散裂中子源 (Spallation Neutron Source, SNS) 参与开发Channel Archiver并使用Channel Archiver^[8]存储历史数据。日本的KEKB (KEK B-Factory) 加速器工程也使用Channel Archiver^[9]存储历史数据。国内合肥光源控制系统中使用SNS开发的Channel Archiver进行历史数据存储^[10]，但是由于CSS提供的Data Browser的局限性，重新开发了历史数据的Web查询页面。

SECRAL-Ⅱ控制系统中，离子源子系统研究人员需要Excel文件格式的历史数据，进行基本数据查看以及将数据导入分析系统中进行处理和分析，所以在数据存储格式的要求方面，ARCHIVE ENGINE无法满足用户的需要。因此，本工作研究和开发了一套基于C#的数据归档系统。该系统使用EpicsSharp提供的软件库^[11]实现了EPICS Client库函数，然后利用库函数，使用Channel Access (CA) 协议读取输入输出控制机 (Input/Output Controller, IOC) 上的变量 (Process Variable, PV) 值并存储到数据文件中。数据文件产生后，用户通过服务器获取数据文件。传统的匿名文件传输协议 (File Transfer Protocol, FTP) 应用十分广泛，是一个很常用的服务，但是FTP服务器通常情况下需要安装客户端软件，而且不能获取文件属性，无法实现移动和分布式办公。为了便于用户随时随地获取数据文件，本文为用户开发了一套基于超文本预处理器 (Hypertext Preprocessor, PHP) 技术的数据文件管理系统^[12-13]。

SECRAL-Ⅱ总控制系统结构分三层：底层为设备层；中间层为IOC层，用来实现所有控制设备功能以及和上层通讯功能；上层为用户接口 (Operator Interface, OPI) 层，用来实现用户操作接口。系统整体架构如图 1所示。数据存档子系统位于总控系统架构第一层，通过建立CA通道和IOC服务器的PV进行通信。Oracle数据库存储了每个PV变量对应的设备名，所属的IOC服务器IP地址，以及每个PV变量读取的间隔时间^[14]。文件系统 (File System) 用于管理数据文件。底层在SECRAL-Ⅱ系统中主要包括电源、真空、束诊等设备，设备接口类型有串口、以太网接口等。

图 1

图 1 控制系统架构 Figure 1 Structure of control system

系统中，使用Oracle存储变量信息，可以克服采用文件（比如可扩展标记语言 (eXtensible Markup Language, XML)）进行信息配置的一些缺点。本文在共享性、冗余度、独立性、安全性、数据结构化以及后期集成几个方面对二者进行了对比，如表 1所示。

表 1

表 1 使用Oracle和使用文件对比 Table 1 Comparison of using oracle and file 特性Characteristic Oracle 文件File 共享性 Shareable 高 High 低 Low 冗余度 Redundancy 小 Small 大 Large 独立性 Independence 高 High 低 Low 安全性 Security 高 High 低 Low 高度结构化数据 Highly structured data 有 Yes 无 No 后期集成 Post integration 支持 Support 不支持 Not support

表 1 使用Oracle和使用文件对比 Table 1 Comparison of using oracle and file

由表 1可以看出，由于Oracle的共享性支持，用户对文件内容的增、删、改、查会非常方便；另外，使用Oracle存储信息，可以避免人工核查XML文件格式的困难。从管理角度考虑，该子系统可以容易地集成到加速器控制信息综合管理平台中。

系统主要操作流程如图 2所示。首先应用程序初始化，从数据库读入PV变量名和所属IOC服务器IP地址，根据IOC服务器的IP地址，建立CA Client，并对其读取的IP列表进行配置。然后和IOC服务器建立连接，根据数据库中读取到的PV变量的间隔时间，在特定的时间后读取PV变量的值，然后存入缓冲区，定时将数据写入Excel文件，避免了频繁的输入输出操作。目前，根据用户分析数据实际需要，程序读取PV变量的间隔时间由用户定义为30 s。

图 2

图 2 操作流程 Figure 2 Operation flow chart

EPICS提供了多种开发语言的扩展包，本文对EPICS C#函数库进行了研究并使用其提供的函数进行二次开发。EpicsSharp由Client、Server和Gateway三部分组成。Client库支持程序读取、监控和操作IOC上的PV；Server库通过CA协议发布PV变量；Gateway是一个独立的软件。EpicsSharp提供了C#实现的Client类。为了更适合本控制系统中的设备，本工作对其进行了优化。由于每种设备的接口以及响应速度不同，根据设备情况，延时作为参数由使用者定义，并传递给函数。优化后的Client类以动态链接库SECRAL_Client.dll的方式引入到数据存档系统中。

使用SECRAL_Client读取PV，首先需要建立读取通道，使用CreateChannel函数，然后使用Get函数去读取PV变量的值。首先建立连接，然后由Client发送读取命令，获取数据。SECRAL-Ⅱ的控制系统目前需要存储的PV变量共30个，随着控制系统的逐步完善，PV变量个数会增加。由于PV变量分布于不同的IOC上，所以根据IOC的个数动态建立Client。程序以多线程方式实现，每个线程作为一个Client和IOC服务器连接，连接后默认不断开。在每个Client端，初始化时创建PV变量的Channel，以此来优化读取的速率。

为保证Client动态创建的有效性，当数据库中的PV变量信息更改时，通过消息机制通知程序进行信息重新读入，该部分由程序的监听线程实现。

C#向Excel文件写数据比较常用的有三种方式：第一种，将数据以流的形式写到Excel中，格式以html形式存在；第二种，将数据以文件流的形式写到Excel中，格式以txt的形式存在；第三种，将数据直接写到Excel中，格式以XLS形式存在。根据用户需求，本工作采用了第三种方法。在应用程序中，引入Microsoft Office 2010的Excel组件Microsoft.Excel 14.0 Object Library。

Microsoft.Excel 14.0 Object Library是Microsoft Office 2010提供的操作Excel的COM组件。首先创建Application对象AppExcel，声明Workbook对象，指定操作的Sheet，然后读取数据、写入数据。为了防止每次弹出写入提示，将AlertBeforeOverwriting和DisplayAlerts属性设为False。最后保存数据，需要同时保存WorkSheet和Workbook。保存后使用Quit函数退出AppExcel对象，并调用KillSpecialExcel函数关闭Excel进程，否则Excel进程会逐渐增加，消耗系统内存。

数据文件管理子系统，用来管理存储的历史数据文件。该子系统使用浏览器/服务器 (Browser/Server, B/S) 架构实现。前台采用层叠样式表 (Cascading Style Sheets, CSS)+定位技术 (DIVision, DIV) 和主流的JavaScript开发框架Jquery进行页面设计。后台服务器端采用PHP+Apache+Oracle技术开发。系统前后台采用Ajax+Json进行数据通信，极大地提升了响应速度。系统安全方面采用登录验证和权限验证。用户在登录页面提交用户名和密码后，首先对用户名进行验证，若验证通过，将对用户密码进行信息摘要算法5 (Message-Digest Algorithm 5, MD5) 加密，然后根据数据库中的密码进行校验，若校验通过则允许登录。用户登录成功后，系统注册用户会话状态 (Session)，防止未登录的用户访问系统。系统针对不同的用户设计了不同的权限，普通用户只有浏览、下载权限，管理员具有浏览、上传、下载、共享、删除等权限。登录验证后根据用户的权限显示相应的功能，从而进一步保证了文件的安全。

数据归档系统使用Visual Studio 2010平台开发，操作系统环境为64位Windows 7系统。应用程序和数据库皆部署在惠普ProLiant DL388 G9机架式服务器上，环境为64位Windows Server 2012系统。数据库采用Oracle 11.2.0.0.0。表 2为数据库中主要字段说明。

表 2

表 2 数据库主要字段 Table 2 Main field in database 列名称 Column_name 数据类型 Data_type 长度 Length DEV_NAME VARCHAR2 32 Byte PV_NAME VARCHAR2 64 Byte IOC_IP VARCHAR2 16 Byte CREATE_DATE DATE ― IOC_PORT VARCHAR2 16 Byte POSITION VARCHAR2 32 Byte INTERVAL NUMBER 4

表 2 数据库主要字段 Table 2 Main field in database

图 3为历史数据文件浏览和下载界面。用户选中图 3中任意文件，选择“下载”，便可下载到本地。目前运行PV为30个，单日文件大小为300 KB左右。随着控制系统的不断完善，后续将继续增加PV变量，包括环境温度、湿度、磁铁温度监测等，理论值按200个PV计算，单日文件大小约为2 MB，年数据大小约为700MB左右。目前我们使用的机架式服务器硬盘总容量为1.5TB，数据存储方案采用存储性能、数据安全和存储成本兼顾的独立冗余磁盘阵列5 (Redundant Array of Independent Disk 5, RAID5) 方案，存储空间为600GB，可以满足用户长期使用需要。截止2016年11月，系统已经稳定运行7个月时间。

图 3

图 3 文件浏览和下载界面 Figure 3 User interface of file view and download

图 4是根据现场实际运行7个月的数据文件个数、大小以及用户下载情况做的信息统计。8月份由于加速器停机检修，所以8月份的数据量比较少。

图 4

图 4 数据文件统计 Figure 4 Statistics of data files

使用C#实现了EPICS架构下PV变量的读取和历史数据存储。经过7个月的运行测试，系统稳定可靠，可以满足用户的需求。系统存储策略可以根据用户需要随时修改。RAID5方案保证了数据文件的存储安全性、文件管理系统的设计和使用，以及保证了数据文件的访问安全性，同时增加了用户获取数据的便捷性和易用性。该方案适用于同样需求的控制系统。