加速器前端电子系统故障预测与健康管理关键技术及应用研究

The reliable and stable operation of the accelerator is the premise and foundation of physics experiments and other research fields. As the application of complex electronics and microcircuit is abroad, the probability of system fault and function invalidation are increasing,and it will induces the high cost of the accelerator operation. For example, in the large Collider, the status of the fornt-end controller will influence the equipment remote control and real-time monitoring, and the output change of the magnet power supply may cause accelerator energy instability and even lead to beam loss. Therefore，it is a challenged work for the accelerator system that how to evaluate the operation status and how to give the advance warning for the possible failure component. This project is intended to research the Prognostics and Health Management(PHM) application on the accelerator electronic system, and to study the key technology such as sensor and data acquisition, embedded system, performance assessment and failure prognostics. The studying result, which can be used for all the accelerator system, has important significance for improving the intelligent and initiative maintenance of accellerator operation，and it will open up a new reaserch field for accelerator technology.

加速器的可靠稳定运行是取得物理实验以及其他应用研究成果的前提和基础。随着加速器系统内复杂电子设备的应用越来越广泛，电子设备发生故障和功能失效的几率逐渐加大，维护和保障加速器运行的成本越来越高。例如，在大型对撞机中，前端控制器的状态将影响对设备的远程控制和实时监视；磁铁电源输出的变化可能引起加速器能量不稳定或束流动力学孔径变化，甚至导致束流丢失。因此，如何对系统的运行状态进行健康评估，并对可能出现故障的设备或部件进行预警，是加速器系统所面临的一项具有挑战性的课题。本项目拟将故障预测和健康管理技术应用到加速器前端使用的大量电子设备中，对其中的先进传感器和数据采集、嵌入式测试诊断、健康评估和故障预测等关键技术进行研究。本项目的研究成果可以应用推广到整个加速器领域，将为实现加速器运行维护的智能化和自主化进行具有重要意义的技术探索，同时为加速器技术的发展开辟一个新的研究领域。

加速器能够可靠、稳定的运行是开展基础物理实验和其他研究的前提和基础。由于加速器中复杂电子和微电路的应用广泛，系统故障和功能失效的概率也会随之增加。在北京正负电子对撞机中使用的各类电源已经达到了四百多台，电源控制系统中电子设备的故障或失效，会使系统整体性能得到下降，从而引起加速器能量不稳定，甚至导致束流损失。因此，非常有必要准确和快速地诊断和定位设备故障进而及时进行修复更换等操作，而这也将大幅度地减少加速器的运行维护成本。. 在加速器的运行过程中，电子设备的性能退化是逐步出现的，而引起电子设备性能退化或失效的原因是多方面的。本项目以北京正负电子对撞机中使用的电源控制接口设备为研究对象，按照FMECA方法分析该设备的故障模式与故障机理，构建了以故障先验知识为基础的多信号流模型，对电源接口设备进行了快速故障诊断和定位。在此基础上，采用加速性能退化正交实验的方法，得到了电源接口设备特征参数的有效数据，建立了该设备的性能退化模型，实现了对该设备在一定温湿度工作条件下的剩余寿命预测。此外，对影响电源控制接口的稳定工作的温度、供电电压等特征参数，研制了一套无线智能监测系统，基于无线网络节点可以对多台电源接口设备的工作电压、环境温度等数据进行实时采集和无线传输，实现了对该设备工作状态的实时监测和管理。本项目的研究成果可以方便的推广到加速器其他系统或电子设备中，对于优化备件管理以及运行维护保障工作都有重要的意义。