Study, Design, Development and Implementation of Distributed Control Systems using EPICS for the SPES Project

Uno dei progetti più importanti dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) è SPES (Selective Production of Exotic Species), lo scopo del quale è lo sviluppo di un complesso per la produzione di RIBs (Radioactive Ion Beams) e radioisotopi per applicazione di medicina nucleare. I LNL (Laboratori Nazionali di Legnaro) è stato scelto come luogo per la costruzione ed operazione di SPES. Questo tipo di complesso presenta un gran numero di sfide tecniche che richiedono sviluppi nei campi della meccanica e materiali, cosi come anche nel campo dei sistemi di controllo per l’implementazione coordinata delle funzione dell’acceleratore. Negli ultimi cinque anni, un laboratorio off-line è stato in operazione nei LNL. Questo laboratorio serve come banco di prove ingegneristico per la ricerca e sviluppi in diversi campi. Nuovi dispositivi e tecniche sviluppati in questo laboratorio saranno implementate poi nel complesso finale di SPES. Per il progetto SPES, è stato scelto EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System) come quadro generale per lo sviluppo dei sistemi di controllo. L’architettura generale del sistema è basata su una serie di IOC (Input/Output Controllers) distribuiti, per il controllo della strumentazione del acceleratore, usando un protocollo di comunicazione proprio chiamato Channel Access (CA). Dall’altra parte, per applicazione critiche dal punto di vista della sicurezza, è stato scelto l’utilizzo di PLC (Programmable Logic Controllers), invece di controlli EPICS nativi. Queste applicazioni comprendono fondamentalmente sistemi di interlocks per sistemi di protezione sia per le persone (PPS) sia per le machine (MPS). Inoltre, per i sistemi di protezione alle persone, devono essere usati PLC di sicurezza certificati. Mentre i PLC controlleranno direttamente ogni sistema, deve esserci disponibile una interfaccia di comunicazione verso EPICS in modo di condividere i valori di processo col resto dei sistemi del complesso. L’arrivo del progetto SPES ai LNL ha richiesto una revisione ed aggiornamento di molti sistemi di controllo presenti nei laboratori, in particolare quelli che saranno interconnessi con SPES, come nel caso del sistema di controllo del LINAC (Linear Accelerator) superconduttivo ALPI. Questi rinnovamenti permetteranno la interconnessioni ed interoperabilità di tutti i sistemi, usando il CA di EPICS come protocollo di comunicazione generale. Questo implica che devono essere sviluppati IOC EPICS, non solo per la strumentazione di SPES, ma anche per tutta la strumentazione presente del complesso di acceleratori dei LNL. Conseguentemente, è fondamentale una standardizzazione del hardware e software usato per lo sviluppo dei sistemi di controllo. In questo contesto, è evidente la necessità di controllori fatti a misura con diverse funzionalità integrate per coprire le necessità di molti sottosistemi, come ad esempio, tape systems, charge breeder, target e ion source, ecc. Questa necessità ha promosso lo sviluppo di piattaforme hardware standard per i IOC EPICS che saranno usati per tutti i sistemi di controllo futuri. Questo aiuterà a ridurre considerevolmente i costi ed impegni di manutenzione. Per il laboratorio off-line, è stato disegnato un sistema IOC a basso costo usando il computer a scheda singola Raspberry Pi (Model B, rev. 2). Per fornire a questo dispositivo capacità di acquisizione dati, sono state sviluppate, ai LNL, schede di espansione su misura. Queste schede sono state connesse alla porta GPIO del Raspberry Pi e drivers di interfaccia per EPICS sono stati implementati. Diverse tipi di schede sono stati sviluppati per applicazioni specifiche. Quattro di questi IOC sono stati implementati nel laboratorio off-line per: il sistema di acquisizione dati della diagnostica di fascio, il sistema di controllo del separatore di massa, il sistema di acquisizione dati dei misuratori di vuoto e l’interfaccia di comunicazione tra PLC ed EPICS. I resultati delle prove di prestazione dimostrano che questo IOC è capace di gestire la strumentazione, sodisfacendo i requisiti imposti dagli operatori. Mentre una soluzione a basso costo è totalmente valida per il laboratorio off-line, SPES ed l’acceleratori ai LNL richiedono una soluzione più robusta e standard, la quale possa operare sotto condizioni industriali cosi come essere costruita con componenti hardware che abbiamo una diponibilità in mercato per la maggiore parte del ciclo di vita utile dei acceleratori. Per questo motivo, una seconda versione di EPICS IOC è stata sviluppata usando come piattaforma hardware il form factor COM (Computer-on-Module). I dispositivi periferici necessari per lo sviluppo di tutti i sistemi di controllo previsti ai LNL saranno connessi al modulo COM, come per esempio ADCs, DACs, motori a passo, ecc. Tutti questi dispositivi periferici saranno istallati su una Carrier Board insieme al modulo COM. Questo nuovo IOC è intesso come un blocco standard di costruzione per tutti i sistemi di controllo ai LNL. Nei prossimi anni, tutti i nuovi sistemi di controllo punteranno a questo dispositivo hardware. Attualmente ai LNL, sono stati sviluppati prototipi di questi IOC usando moduli COM Express Type 6 dell’ADLINK, istallati su carrier boards generiche, insieme a schede commerciali, di tipo PCI express, con ADCs e DACs. Questi prototipi sono stati istallati in diverse applicazioni ai LNL. I resultati delle prove di prestazioni mostrano che questi IOC sono più che capaci di gestire la strumentazione dell’acceleratori, soddisfacendo le condizioni richieste. L’unità CPU possiedono potere di computo più che sufficiente per implementare l’algoritmi di controllo, mantenendo un consumo di potenza basso. Per il caso dell’applicazione basate su PLCs, uno dei primi sistemi del complesso di acceleratori ai LNL scelto per essere aggiornato, in modo di essere compatibile con SPES, è il sistema di controllo degli accessi. Le motivazioni principali sono stati l’obsolescenza del sistema precedente cosi come la necessità della sua futura interconnessione alla rete EPICS. Il nuovo è un sistema di tipo fail-tolerant, il quale usa un PLC con CPU ridondata, congiuntamente con delle isole di IO remote collegate mediante una rete di comunicazione in fibra ottica con topologia ridondata in anello. Per questo nuovo sistema, è stata implementata una interfaccia di comunicazione verso EPICS, mediante la quale è possibile accedere allo stato di tutto il sistema, per la sua condivisione col resto dei sistemi di controllo.