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Vasquez, Jesus (2015) Study, Design, Development and Implementation of Distributed Control Systems using EPICS for the SPES Project. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

One of the most important project supported by the INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) it is SPES (Selective Production of Exotic Species), which aims to develop a facility for the production of RIBs (Radioactive Ion Beams) and radioisotopes for nuclear medicine applications. The LNL (Laboratori Nazionali di Legnaro) was chosen as the site for the construction and operation of SPES. This kind of facility brings many technology challenges, which require research and development on the mechanical, structural and material fields, as well as on the control systems for the coordinated deployment of the accelerator facilities. For the past five years, an off-line laboratory has been in operation at the LNL. This laboratory serves as a research and development test bench for engineers of different fields. New devices and techniques developed on this laboratory will be later be implemented on the final SPES facility.
For the SPES project, EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System) was chosen as the standard framework for the control systems. The general architecture is a series of distributed IOCs (Input Output Controllers) for controlling all the accelerator instrumentations, using a custom communication protocol knows as Channel Access (CA). For critical application from the safety point of view, it was chosen to use PLC (Programmable Logic Controllers), instead of native EPICS controllers. These applications comprises mainly interlock systems for both Machine Protections Systems (MPS) and Personnel Protection Systems (PPS). Furthermore, for PPS certificated safety PLCs must be used. Although PLCs will directly control these systems, an interface to EPICS must be available for sharing process values with the rest of the facility control systems.
The arrival of the SPES project to the LNL has also demanded a review and upgrade of many of the control systems present in the laboratories, in particularly those that are going to be directly interconnected to SPES, as it is the case of the ALPI superconductive LINAC (Linear Accelerator) control system. These upgrades will allowed an interconnection and interoperability of all the systems using the EPICS CA transport layer. This imply to develop and implement EPICS IOCs, not only for controlling the SPES instrumentation, but also for all the instrumentation present on the LNL accelerator complex. Consequently, a standardization of the hardware and software used to develop all these control systems is fundamental.
In this context, it is evident the need of custom I/O controllers that embed different functionalities to cope with the needs of many subsystems, e.g. tape system, charge breeder, target and ion source, etc. This need has driven the development of a standard hardware platform for the embedding of the EPICS IOC of all the future control systems. This will help to considerably reduce costs and maintenance efforts.
For the off-line laboratory, a low-cost embedded IOC was designed using the computer board Raspberry Pi (Model B, rev. 2). In order to provide data acquisition capabilities to this board, tailored expansion boards where developed at LNL. They are connected to the GPIO port of the Raspberry PI and interface drivers for EPICS were implemented. Diverse kinds of boards have been developed for specify applications. Four of these IOC were implemented on the off-line laboratory for: the beam diagnostic data acquisition system, the mass separator control system, the vacuum measurement data acquisition system and the PLC to EPICS interface. The performance results demonstrate that this IOC is capable of manage this instrumentation under the conditions requested by the operators.
While a low-cost solution is completely valid for the off-line laboratory, SPES and the LNL accelerators require a more robust and standard solution, which can operated under industrial environments and constructed with hardware components that can be available on the marked for the major part of the life cycle of the accelerators. In this sense, a second version of EPICS IOCs were developed using as hardware platform the COM (Computer on Modules) form factor. The peripheral devices needed for developing all the foreseen control systems to be used at LNL will be connected to the COM, such as ADCs, DACs, stepper motors controllers, etc. They will be installed on a custom Carrier Board along with the COM. This new IOC is intended as a basic construction block for all the control systems at LNL. In the next years, all the new control systems will target this hardware device.
Currently at LNL, prototypes of this new EPICS IOC have been developed using an ADLINK Type 6 COM Express module on a generic carrier board along with commercial ADCs and DACs PCI Express boards. They have been install on different application at LNL. The performance test results show that these IOCs are more than capable of manage the accelerator instrumentations as required. The CPU units have more than enough computing power required by the control system algorithms, while consuming low power.
For the application based on PLCs, one of the first system to be upgrade at the LNL accelerator complex, in order to be compatible with SPES, was the personnel access control system. The principal motivations were its obsolescence and the need of its interconnection to EPICS. This is a new fail-tolerant system, based on a redundant CPU PLC, in conjunction with remote IO islands, connected on a redundant optic fiber communication ring. For this new system, it was implemented an EPICS interface, in order to access all the status of the system for sharing it with the rest of the control systems.

Abstract (italian)

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.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Bertocco, Matteo
Supervisor:Bertocco, Matteo and Andrighetto, Alberto and Bellato, Marco
Data di deposito della tesi:28 January 2015
Anno di Pubblicazione:28 January 2015
Key Words:spes epics control system plc ioc
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-INF/01 Elettronica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Codice ID:7684
Depositato il:10 Nov 2015 12:06
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