|
 |
Sistemi di
controllo basati su tecnologia Profibus per applicazioni
di fisica nucleare
La continua evoluzione delle tecnologie
basate sui sistemi digitali hanno fortemente modificato
le tecniche e metodologie usate nei sistemi di controllo.
In particolare oggi la richiesta di processi distribuiti
richiede sistemi intelligenti, dispositivi di controllo
e sistemi di misura capaci di comunicare attraverso
la rete. Un importante requisito di questi sistemi è
l’esigenza di ridurre le connessioni, il ché
si traduce nel semplificare la gestione dei sistemi
diminuendone le problematiche inerenti alla manutenzione.
I sistemi FieldBus possono rappresentare una valida
soluzione per il controllo remoto e per la misura nei
sistemi di acquisizione, normalmente applicati nella
ricerca sperimentale oggetto della fisica nucleare.
Questo campo di ricerca richiede apparati di controllo
distribuiti capaci di lavorare in condizioni particolarmente
difficili (campi elettromagnetici elevati, presenza
di particelle radioattive, bassa temperatura etc..)
ed al tempo stesso bisogna soddisfare i fondamentali
requisiti di sicurezza, portatilità e semplicità.
La presenza di un gran numero di dispositivi complica
ulteriormente la progettazione e realizzazione di tali
sistemi di controllo.
Molti dispositivi devono essere controllati localmente,
ciò richiede frequenti accessi nelle sale sperimentali.
Sfortunatamente, l’ambiente tipico degli esperimenti
nucleari non è sicuro; di conseguenza è
molto difficile e pericoloso per un operatore umano
recarsi all’interno di tali sale sperimentali
per modificare i parametri dei sistemi durante quando
l’esperimento è in esecuzione. Per questo
motivo, l’uso dei sistemi FieldBus rappresenta
una valida soluzione poiché fornisce tools per
implementare sistemi di controllo remoto; i sistemi
ProFiBus (dall’inglese Process FieldBus) sono
dei sistemi di comunicazione largamente diffusi nel
mondo industriale progettati per soddisfare queste esigenze. |
Il lavoro presentato contiene i risultati
dell’implementazione di un sistema di controllo
remoto basato su tecnologia ProFiBus utilizzato per
il controllo di apparati sperimentali per la fisica
nucleare.
Il controllo remoto di alcuni apparati rende la gestione
dell’esperimento molto più flessibile,
eliminando ogni problema derivane dall’esigenza
di accedere direttamente nelle sale sperimentali.
Da non trascurare anche il fatto che gli esperimenti
di fisica nucleare spesso richiedono l’assemblaggio
di sistemi le cui dimensioni sono considerevoli, di
conseguenza effettuare accessi frequenti a questi dispositivi
può essere oneroso e a volte impossibile.
Il sistema proposto nel suo complesso può essere
suddiviso nelle due applicazioni di seguito descritte.
La prima applicazione del sistema ProfiBus è
rappresentata dal controllo remoto di un multidetector
(costituito da un array bidimensionale di scintillatori
allo Ioduro di Cesio) usato per rilevare particelle
nucleari come protoni e/o ioni leggeri. L’apparato
meccanico deve poter essere movimentato lungo i tre
assi x y e z in modo real time senza che il fascio prodotto
dagli acceleratori di particelle sia interrotto. Un’altra
esigenza stringente è rappresentata dalla precisione
della meccanica e quindi dell’elettronica di controllo.
Attraverso l’utilizzo dei sistemi Profi Bus abbiamo
implementato il controllo remoto dell’apparato
meccanico integrato con un sistema di monitoraggio online
della posizione di ogni singolo rivelatore. Tale applicazione
ha messo in evidenza i vantaggi derivanti dall’uso
dei sistemi Profibus in termini di portabilità
e semplicità mediante l’uso di un sistema
a singolo bus di comunicazione. L’applicazione
presentata ha mostrato buone performance in termini
di velocità di rete combinata con una sofisticata
interazione dinamica tra la console di comando ed il
dispositivo di controllo remoto.
Nella seconda applicazione viene presentata un implementazione
di un sistema di controllo del vuoto utilizzato per
una camera a vuoto speciale usata per sviluppare e testare
sistemi di rivelazione di particelle operanti in condizioni
di vuoto spinto. Il sistema nel suo complesso include
due pompe da vuoto, due sensori per il vuoto ed un PLC.
Le due pompe lavorano in sequenza poiché ognuna
di esse opera in un determinato range di pressione.
Il PLC viene impiegato per monitorare la pressione nella
camera e contiene una logica capace di far commutare
il funzionamento di ogni pompa. In questa applicazione
si dimostra come sia possibile combinare le caratteristiche
dell’intelligenza decentrata, in accordo con la
filosofia dei sistemi Field Bus, con stazioni di supervisione,
sistemi di controllo (regolatori, PLC, etc.), attuatori
e trasduttori che condividono lo stesso bus di comunicazione
e che al tempo stesso interagiscono in modi differenti. |
Controllo remoto negli esperimenti
di fisica nucleare
Come già esposto precedentemente,
gli apparati utilizzati negli esperimenti di fisica
nucleare sono spesso molto complessi e coinvolgono un
gran numero di dispositivi di misura quali sensori ed
attuatori. La possibilità di gestire questi dispositivi
attraverso un controllo remoto presenta due vantaggi:
1) permette agli operatori di modificare alcuni parametri
dell’esperimento senza che questi debbano direttamente
accedere alle sale sperimentali;
2) permette di monitorare un gran numero di variabili
fondamentali per il buon esito dell’esperimento.
I tipi d’informazione presenti nel sistema possono
essere suddivise in due categorie:
· La supervisione dell’impianto ed il controllo
dei dati, necessari per il corretto funzionamento del
sistema.
Questa informazione viene utilizzata per settare le
condizioni operative che meglio si prestano per il corretto
eseguimento dell’esperimento. La relativa dinamica
è modesta, perciò può essere gestita
tramite controllo remoto utilizzando un sistema distribuito.
· L’acquisizione dei dati sperimentali.
I segnali solo solitamente ottenuti a frequenze aleatorie
e sono caratterizzati da una durata molto piccola (generalmente
pochi nanosecondi o meno); di conseguenza essi devono
essere memorizzati in loco il ché implica l’utilizzo
di sistemi di acquisizione dedicati che rendono l’eventuale
trasferimento attraverso un sistema a bus non adeguato. |
Il sistema sperimentale a cui ci si
riferisce viene utilizzato per studiare le reazioni
ed interazioni degli ioni pesanti. La struttura è
alloggiata in una sala sperimentale dei Laboratori Nazionali
del Sud di Catania che prende il nome di “Neutron
Hall” (mostrata in figura 1). |
|
Fig. 1 Neutron Hall. |
Tale esperimento è gestito dal
gruppo di ricerca C.H.I.C. (Collaboration for Heavy
Ion Collision). La struttura sperimentale si compone
di una serie di camere a vuoto, con finestre d’osservazione,
nelle quali vengono effettuate gli esperimenti di interferometria
nucleare. Un fascio di ioni ad energia intermedia (10-50
MeV/A) viene deflesso nel vuoto e quindi convogliato
all’interno della camera di reazione attraverso
opportuni magneti (visibili nella parte sinistra della
fig. 1). Il fascio quindi urtando il bersaglio nucleare
durante la collisione genera delle particelle subatomiche
le cui caratteristiche vengono acquisite da vari rivelatori
( posti all’interno dei cilindri neri visibili
nella fig. 1), di conseguenza i dati generati vengono
acquisiti e successivamente analizzati da operatori
umani. |
Dopo un’attenta analisi dei vari
modi di funzionamento del sistema sperimentale abbiamo
focalizzato la nostra attenzione nel problema di monitorare
i sistemi di controllo dell’esperimento. In effetti
abbiamo osservato che questa parte dell’esperimento
viene generalmente gestita in modo tradizionale adoperando
soluzioni molto semplicistiche.
Spesse volte negli esperimenti di fisica nucleare ci
si concentra molto di più nei sistemi di acquisizione
dei dati sperimentali che nei sistemi di gestione dell’esperimento
stesso trascurando a volte tutta una serie di complicazioni
puramente operazionali che potrebbero limitarne la corretta
esecuzione. A volte l’insorgere di problemi di
questo tipo può limitare l’effettivo tempo
di acquisizione dati poiché a volte è
necessario sospendere il fascio e quindi rifare un nuovo
setup dell’esperimento stesso.
|
Sulla base di queste considerazioni, abbiamo identificato due punti chiave che influiscono negativamente sui tempi di setup degli apparati sperimentali:
· Il sistema di supporto per gli apparati multirivelatore. Tale sistema, comprendente 13 rivelatori CSi , deve poter essere movimentato durante le varie fasi dell'esperimento in modo da potersi posizionare in punti diversi per ottenere diverse calibrazioni durante le varie fasi di presa dati;
· Le camere da vuoto. Tale sistema rappresenta un componente essenziale per la ricerca da quando i fasci prodotti dagli acceleratori vengono fatti fluire attraverso il vuoto poiché gli ioni pesanti hanno la proprietà di degradare l'energia da essi posseduti quando sono a contatto con l'aria. Quindi dal punto di vista sperimentale le camere a vuoto rappresentano un importante sistema di supporto per la ricerca utilizzato per lo sviluppo e la messa a punto dei rivelatori di particelle.
|
INTRODUZIONE DI UN FIELDBUS
NEGLI ESPERIMENTI
Il FIELDBUS è una tecnologia
ben consolidata nei sistemi di controllo. E’ largamente
utilizzato negli impianti industriali e sino ad oggi
ha una limitata estensione nelle applicazioni sperimentali
come quelle qui descritte. Concettualmente un sistema
FIELDBUS permette di sostituire un fascio di cavi con
un cavo singolo. Questo semplice concetto è una
grande innovazione nei processi di controllo dei sistemi
di comunicazione, arrecante un cospicua serie di vantaggi
(qualcuno direttamente, altri indirettamente) i quali
si riflettono nelle metodologie e nelle tecniche usate
per la autoprogettazione degli impianti.
I principali vantaggi possono essere descritti come
segue: |
· Riduzione dei costi dei cavi
e quindi della loro installazione, di conseguenza ciò
riduce il numero delle scatole di giunzione, delle barriere
di insolazione di sicurezza e da non trascurare il problema
di eventuali cortocircuiti dovuti ad una cattiva posa
in opera.
· Facile addizione o rimozione
di dispositivi del sistema senza la necessità
di nuovi cavi. Questo è un punto chiave nell’arrangiamento
degli esperimenti i quali, diversamente dagli impianti
industriali, sono strutture dinamiche continuamente
in evoluzione dove l’addizione o la rilocazione
di sensori è una frequente occorrenza.
· Riduzione in numero di connessioni
per i dispositivi montati su parti mobili. Questo è
un innegabile vantaggio in apparati (per es. nelle braccia
dei robots o nei supporti mobili dei sistemi di misura)
i quali usano un largo numero di dispositivi collegati
e per i quali matasse di cavi di interconnessione potrebbero
rendere più pesanti e più rigide articolazioni.
Una delle due applicazioni qui descritte ha la finalità
di far fronte a questo problema.
· Effettuare meno aperture nei
muri per passare i cavi. Quando un laboratorio è
adattato per evitare perdite di particelle inquinanti
questo potrebbe essere un punto importante.
· Risparmio nel peso dei cavi
· Riduzione degli errori di
installazione. Nei sistemi complessi il problema degli
errori umani nei dispositivi cablati non dovrebbe essere
sottovalutato. Quando sono usate centinaia di connessioni
può capitare che una connessione risulti errata
(causata, per esempio dalla confusione tra due differenti
conduttori) , non sempre è possibile rivelare
l’errore anche quando il sistema è stato
testato. Se è usato un Fieldbus, d’altro
canto, i vari dispositivi sono connessi in parallelo,
sullo stesso bus o in differenti buses, e solo la configurazione
del sistema e l’applicazione software sono responsabili
per la corretta esecuzione del flusso di informazioni.
E’ possibile implementare moduli software che
controlleranno il corretto settaggio del sistema.
· Riduzione dei costi di documentazione.
Benché questo non sia una voce importante nella
totalità dei costi di un progetto, la fase di
produzione della documentazione è una delle più
delicate (in vista di possibili aggiornamenti del progetto).
Quando l’aggiornamento (come già menzionato
un esperimento di fisica nucleare è altamente
dinamico) coinvolge variazioni nella disposizione di
un certo numero di dispositivi, gli schemi precedenti
ed i disegni richiedono considerevoli modificazioni;
tutto questo può essere grandemente semplificato
se usato un Fieldbus.
I Fieldbus presentano pure tipiche caratteristiche che
sono state ottimizzate per le specifiche applicazioni
di campo, come descritto in seguito:
· A differenza di altre reti
di comunicazione le quali provvedono solamente connessioni
uno-a- uno, un Fieldbus provvede connessioni uno-a-molti
(multicast) o uno-a-tutti (broadcast) in accordo al
tipo di informazione gestita.
· Un sistema Fieldbus fa il possibile per sincronizzare
le attività di dispositivi distinti connessi
via il bus;
· Un sistema Fieldbus garantisce la qualità
dei dati, tramite:
1. l’indicazione della presenza di errori di trasmissione;
2. l’uso di una finestra di tempo che rispecchia
il tempo di costrizione imposto dal processo controllato
al fine di fornire un tempo-reale di controllo.
· Un sistema Fieldbus può operare in particolari
difficoltà climatiche, elettromagnetiche e condizioni
di dannose radiazioni.
Oggi, un gran numero di differenti
sistemi Fieldbus è disponibile sul mercato. Essi
usano differenti meccanismi per l’utilizzo del
mezzo di comunicazione. Alcuni di essi, come per esempio
il FIP (2) utilizza un controllo di accesso centralizzato
mentre CAN, PROFIBUS , P-NET usano un controllo di accesso
distribuito. I sistemi ProfiBus grazie alle loro caratteristiche
di versatilità e supporto ingegneristico hanno
guadagnato un grande porzione di mercato.
CONTROLLO REMOTO DEL MOVIMENTO
La prima applicazione presentata riguarda
il controllo remoto di un sistema di movimentazione
caratterizzato da tre gradi di libertà per il
posizionamento micrometrico di un multidetector comprendente
13 rivelatori Cls light ion. |
|
Fig.2 Modello CAD del sistema di
movimentazione realizzato. |
La Fig. 2 rappresenta un modello CAD
del sistema di posizionamento: esso comprende tre tracce
lineari posizionate nelle direzioni dei tre assi Cartesiani:
due sono del tipo a barra e sono sistemate, rispettivamente,
nella direzione x e y, mentre il movimento nella direzione
verticale z è ottenuto per mezzo di una piattaforma
supportata da quattro tracce. Ogni traccia è
attivata da un motore elettrico brushless accoppiato
ad un encoder e un’unità di riduzione di
giri; in fine, all’estremità di ogni asse
ci sono interruttori finecorsa usati per controllare
la massima escursione del sistema meccanico. L’apparato
è equipaggiato con sistema di controllo dedicato.
La sua architettura è mostrata in Fig. 3, esso
comprende un backplane sul quale sono montate tre schede
di controllo, ognuna adoperante uno chip specializzato
(HP HCTL-1100) per il controllo del motore.
L’interfaccia si compone di 3 porte a 8 bit:
· porta A, bidirezionale dedicata allo scambio
di dati da e per i registri del chip di controllo;
· porta B, una porta di input, usata per leggere
lo stato dei finecorsa;
· porta C, porta di output utilizzata per indirizzare
i chips e per generare i segnali di sincronizzazione. |
|
Fig. 3 Schema del sistema di controllo. |
Il sistema è completato da una
interfaccia GUI (Graphix User Interface) costruita ad
hoc per il sistema, mostrata in Fig. 4, la quale permette
di gestire il funzionamento dell’intero sistema.
La parte centrale dell’interfaccia fornisce una
visione in tempo reale dello stato della piattaforma
mobile. La parte più bassa dell’interfaccia
fornisce alcuni comandi per il controllo del sistema
in accordo con i tre gradi di libertà. |
|
Fig. 4 Interfaccia di controllo
(GUI). |
SISTEMI REMOTI PER LA GENERAZIONE DEL VUOTO
La seconda applicazione presentata è un sistema
di supporto per lo sviluppo e la messa appunto di un
rivelatore di particelle. Uno schema completo dell’impianto
è riportato in Fig. 5; esso comprende una camera
di vuoto, una pompa rotativa di pre vuoto, una turbo
pompa per creare il vuoto, un indicatore visivo di pressione,
due trasduttori di pressione per valori settati tra
1*10-3 ÷ 1*103 mbar e 1*10-9 ÷ 1*10-3
mbar, quattro elettrovalvole, due per il ritorno dell’aria
e due per l’estrazione dell’aria dalla camera
(pre vacuum e vacuum). |
|
FIG. 5 Schema del sistema per la
generazione del vuoto.
|
Il controllo remoto del vuoto deve
eseguire i seguenti compiti:
- Monitoraggio e regolazione automatica della pressione
nella camera in base ad un valore assegnato;
- Possibilità di intervento remoto su ognuno
dei dispositivi attivati |
La Fig. 6 mostra lo schema a blocchi
della porzione di rete del Profibus dedicata al controllo
del sistema del vuoto, includendo la stazione di supervisione
per il controllo remoto dei parametri, un PLC per il
controllo locale del sistema di vuoto e un secondo dispositivo
slave usato per acquisire i dati della misurazione della
pressione. |
 |
Fig.6 Schema del sistema di controllo
remoto per il vuto. |
Il compito del PLC è quello
di ricevere informazioni dalla stazione di supervisione
concernente il tipo di controllo che deve essere applicato
(automatico o manuale) e, in caso di controllo automatico,
il valore assegnato per la pressione; sulla base di
questa informazione, il PLC deve sincronizzare la sequenza
di attivazione delle pompe e delle elettrovalvole in
modo da permettere il raggiungimento della pressione
assegnata.
Le operazioni rappresentate dal sistema di controllo
possono essere descritte come segue:
· un circuito di acquisizione converte le misurazioni
analogiche della pressione in dati binari i quali passano
per asservire l’unità 2;
· la stazione di supervisione Applicom (Unità
Master 1) ha il compito di fornire al PLC il livello
di pressione corrente, per fare ciò esso scansiona
ciclicamente l’unità 2 ogni 100 ms), converte
le misurazioni in binario ed esegue un algoritmo di
correzione per eliminare il rumore delle misure;
· quando è attivato il controllo automatico,
il PLC utilizza l’informazione della pressione
ottenuta dalla Master Unit 1, assieme al valore settato
dall’operatore, applica il suo algoritmo di controllo
agli attuatori e conseguentemente regola la pressione
nella camera. |
Interfaccia di comando
La Fig. 7 mostra l’interfaccia
di controllo che permette all’operatore di gestire
remotamente l’intero sistema per il controllo
del vuoto nella camera. La parte centrale del pannello
di controllo riproduce uno schema dell’impianto
insieme con gli indicatori delle operazioni: ogni indicazione
colorata in verde indica che il dispositivo associato
è attivo, per esempio una pompa o una elettrovalvola
è aperta; rosso indica i rimanenti stati. |
|
Fig. 7 Interfaccia GUI per il controllo
del vuoto. |
I due sensori di pressione hanno due
indicatori a led; l’accensione di uno indica quale
dei due dispositivi è stato correntemente selezionato
per acquisire le misurazioni della pressione. Sulla
parte alte destra sono situati due doisplay: il primo
è un grafico scorrevole in scala semi-logaritmica
mostrante l’andamento della pressione nella camera;
il secondo visualizza la pressione corrente in mbar.
Il pannello principale contiene un numero di pulsanti,
uno per ogni stato di controllo dell’algoritmo
locale. Il pannello di diagnosi ha due indicatori: Errore
di sistema, il quale indica la presenza di malfunzionamento
dello strumento che fornisce la pressione trasdotta,
e Turbo 80%, il quale informa l’utilizzatore che
l’80% della massima velocità della turbina
è stato raggiunto. |
CONCLUSIONI
In questa documento abbiamo presentato
i risultati ottenuti attraverso l’uso della Tecnologia
Fieldbus nella ricerca in Fisica Nucleare.
In particolare abbiamo studiato come integrare sistemi
di controllo distribuiti attraverso il Profibus per
due specifiche applicazioni:
la prima applicazione riguarda il controllo remoto di
un rivelatore complesso (costituito di un set di rivelatori
dimensionali) usato per rivelare ioni leggeri. Questo
sistema può essere mosso in tempo reale, con
molta grande precisione in tre differenti direzioni,
richiedendo il controllo di tre differenti motori che
muovono i rivelatori. La seconda applicazione riguardante
una implementazione di un sistema di controllo del vuoto
di una camera speciale usata per lo sviluppo ed il collaudo
di rivelatori di particelle |
I risultati che abbiamo ottenuti ci
incoraggiano a continuare in questa direzione. Il sistema
può essere facilmente espanso ed è possibile
integrare nuovi dispositivi senza apportare alcuna modifica
nel sistema di comunicazione. Inoltre, è pure
possibile migliorare la velocità di rete (il
data rate del Profibus può essere incrementato
fino a 12 Mbps), in questo modo essendo disponibile
una banda più estesa, è possibile controllare
in real timei un numero maggiore di dispositivi. |
|
|
|
English
Intellisystem Technologies
S.r.l. - ©