Fiedbus Applied to Nuclear Physics “CHIC Experiment” – Collaboration for Heavy Ion Collision

Profibus è stato utilizzato con successo per il controllo remoto di un sistema di movimentazione nell’Esperimento Chic.

Lo studio dei sistemi dinamici possiede un carattere fortemente interdisciplinare, con applicazioni riguardanti la fisica, la chimica e la biologia. L’introduzione dei magneti superconduttori nella costruzione dei grandi acceleratori adronici ha permesso di raggiungere campi magnetici elevati (ed elevate energie) a costi contenuti, dando un forte impulso alla ricerca svolta nel campo della fisica nucleare. Tali studi, molte volte teorici, necessitano di opportune verifiche sperimentali, che vengono effettuate sfruttando sistemi complessi, quali gli acceleratori di particelle, unitamente ad altri il più delle volte specificatamente costruiti per l’esperimento. Questi sistemi, per la loro complessità, necessitano di svariati sottosistemi di controllo e monitoraggio remoto, poiché nella maggior parte dei casi gli esperimenti di fisica nucleare sono rischiosi per l’essere umano che demanda alle macchine la supervisione e il controllo di molti parametri sensibili. Nasce quindi l’esigenza di mettere a punto sistemi di controllo remoto di tipo distribuito sufficientemente robusti da tollerare le avverse condizioni operative (campi elettromagnetici intensi, sorgenti radioattive, fluidi criogenici a basse temperature, ecc.) e in grado di soddisfare i requisiti di sicurezza, affidabilità e semplicità richiesti. Si pensi agli apparati per la generazione del vuoto, ai sistemi per l’acquisizione di misure sperimentali e per il controllo di fasci di particelle, a quelli per il raffreddamento a temperature prossime allo zero assoluto, a tutti i possibili attuatori e trasduttori (pompe, elettrovalvole, organi meccanici) di supporto alla ricerca. D’altro canto, l’avvento e la diffusione di nuove tecnologie di comunicazione, unitamente all’incessante sviluppo dell’elettronica digitale e delle reti di calcolatori hanno modificato le tecniche e le metodologie per il controllo di processo di sistemi complessi. In particolare, cresce sempre di più l’esigenza di un controllo distribuito, dove sistemi intelligenti e dispositivi di controllo e misura devono poter comunicare tra loro. Ed è aumentata la necessità di ridurre al minimo il cablaggio, i tempi di posa in opera e le operazioni di manutenzione dei cavi. L’utilizzo dei bus di campo può fornire in tal senso valide soluzioni.

Posizionamento micrometrico

I sistemi basati su Profibus presentano caratteristiche di elevata flessibilità e affidabilità che ben rispondono ai requisiti necessari alla realizzazione di una rete dedicata all’ integrazione di controlli remoti di supporto alle attività di ricerca nel campo della fisica nucleare. Una delle soluzioni realizzate ha riguardato il controllo remoto di un sistema di movimentazione a tre gradi di libertà per il posizionamento micrometrico di un apparato E.M.R.I.C. (Esemble di misura rapida per interferometria e correlazioni) costituito da 13 rivelatori di ioni pesanti allo ioduro di cesio. La soluzione è stata utilizzata con successo dal gruppo di ricerca Chic (Collaboration for Heavy Ion Collision) dei Laboratori Nazionali del Sud. Il sistema si compone di un apparato meccanico di precisione alloggiato all ‘interno di una struttura sferica a barre, con sopra montato il sistema E.M.R.I.C. che si affaccia a una finestra della ‘Neutron Chamber’ (camera a vuoto in cui avvengono gli esperimenti d’interferometria nucleare). Il sistema di posizionamento è costituito da tre guide lineari, ciascuna dotata di vite a ricircolo di sfere, disposte nelle tre direzioni cartesiane; due di esse sono del tipo a barra e sono disposte rispettivamente secondo le direzioni orizzontali x e y, mentre il movimento nella direzione verticale z è realizzato mediante una pedana sostenuta da quattro guide, anch’esse a vite. Ogni guida è azionata da un motore elettrico di tipo brushless, dotato di encoder a impulsi in quadratura e di riduttore di giri; infine, alle estremità di ogni guida sono presenti degli opportuni finecorsa per il rilevamento della corsa massima. L’apparato di movimentazione è corredato da un sistema di controllo dedicato costituito da un backplane sul quale sono montate tre schede di controllo, ciascuna dotata di un chip specializzato (HP Hctl- l l 00) per il controllo di motori elettrici in continuo di tipo brushless o passo-passo. La logica d’interfaccia del backplane fornisce tre porte a 8 bit; di queste, la porta ‘A’, bidirezionale, è dedicata allo scambio di dati da e verso i registri dei chip di controllo; la ‘B’, di input, viene utilizzata per la lettura dei fine corsa; infine, la porta ‘C’, di output, serve per l’indirizzamento dei chip e la generazione dei segnali di sincronismo. La rete Profibus si compone di una stazione di supervisione contenente un ‘ interfaccia Applicom Master Board e di uno slave Profibus dedicato allo scambio di dati tra la rete e il sistema di controllo locale dei motori dell’apparato di posizionamento. L’apparato descritto permette di posizionare da remoto il sistema di rivelatori mediante un ‘interazione basata su grafica vettoriale che ricostruisce virtualmente gli spostamenti del sistema. Grazie alla soluzione adottata è stato possibile ridurre i tempi di esecuzione dell’esperimento Chic, eliminando le continue pause (della durata di alcune ore) necessarie al riposizionamento dei rivelatori e al successivo ripristino dell’esperimento. Il sistema ha riscosso notevole successo tra i gruppi di ricerca europei coinvolti, tanto da essere stato richiesto per le successive evoluzioni dell’esperimento da realizzare in centri di ricerca esteri.

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A cura di Cristian Randieri. Articolo pubblicato sulla rivista Fieldbus & Networks – Febbraio 2004.

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