Maart 2015 - Adverteren bij RTL Nederland

<<MACHINES &
MOTION >>
Machines in beweging.
Over mechatronica en aandrijftechniek in al hun aspecten
De ingenieurs van het CERN, de Europese Organisatie voor Kernonderzoek, sturen de beweging en positionering
van een honderdtal ‘collimators’ niet aan met de klassieke methodes, maar met Programmable Automation Controllers
en FPGA’s. Collimators zijn cruciale veiligheidsmechanismen: ze ‘vangen’ verdwaalde deeltjes die anders de grootste
deeltjesversneller ter wereld kunnen verwoesten.
door Erik van Hilten, National Instruments.
Bewerking: Bert Belmans,
Control & Automation Magazine
D
foto: National Instruments
eze zomer nam CERN – de Europese Organisatie voor Kernonderzoek - de Large Hydron
Collider, ’s werelds grootste deeltjesversneller,
in bedrijf. Helaas kortstondig, want na korte tijd werd de
stekker uit het stopcontact gehaald, naar verluidt wegens
een groot heliumlek in één van de tunnels. Maar eenmaal
de versneller operationeel is - de volgende poging volgt
begin 2009 - hopen de CERN-onderzoekers antwoorden
te vinden op fundamentele vragen over het ontstaan van
het heelal door omstandigheden te creëren, vergelijkbaar
met de Big Bang.
CERN maakt gebruik van machines, deeltjesversnellers genaamd, die bundels ionen of protonen op elkaar
of een ander doel laten botsen. Bij deze botsingen
komen grote hoeveelheden energie vrij, voldoende om
de omstandigheden na te bootsen die bestonden bij het
ontstaan van het heelal. De gegevens, die verzameld
worden bij deze deeltjesbotsingen in de Large Hydron
Collider zullen waarschijnlijk uitstekende informatie
leveren over hoe het heelal ontstond en helpen een antwoord te vinden op vragen als “waarom hebben deeltjes
massa?” en “waar komt donkere materie vandaan?”.
De deeltjesversneller, met een omtrek van 27 km,
ligt 100-150 meter onder de grond op de grens tussen
Frankrijk en Zwitserland en is in staat om deeltjes met
bijna de lichtsnelheid op elkaar te laten botsen. Om deze
botsingen te laten plaatsvinden, stuurt de versneller twee
bundels protonen of andere positief geladen zware ionen
in tegengestelde richting door de cirkelvormige tunnel.
Supergeleidende magneten gekoeld door vloeibaar
helium tot 1,9 K (-271°C), controleren de baan van de
bundels. De totale energie in elke bundel op volle kracht
is 350 MJ, dat is ongeveer de energie die nodig is om
een trein van 400 ton, zoals de TGV met een snelheid
van 200 km/u te laten rijden of om een blok koper van
500 kg te smelten. De energie die opgeslagen is in de
magneten is nog een factor 30 hoger.
Extreme veiligheidseisen
Vanwege de extreem hoge energieniveaus in de
deeltjesbundels, worden hoge veiligheidseisen gesteld
aan de onderdelen van de deeltjesversneller, en voor het
ENGINEERINGPROJECT: LARGE HYDRON COLLIDER
Veilige Motion
Control voor CERN
deeltjesversneller
20
CONTROL & AUTOMATION MAGAZINE NR. 87 - DECEMBER 2008
MOTION >>
foto: CERN
besturingssysteem een extreem hoge betrouwbaarheid. Elk deeltje dat buiten het vastgestelde
parcours belandt zou kunnen leiden tot schade
en de deeltjesversneller kunnen verwoesten.
Om te voorkomen dat de deeltjes uit de hun
beoogde baan vliegen, zijn er een honderdtal
speciale apparaten geïnstalleerd, die ook wel
‘collimators’ genoemd worden. Een collimator absorbeert de energie van deeltjes die uit
de buurt van de normale straalbundel komt
met behulp van langwerpige blokken grafiet of
andere zware materialen. Deze blokken worden
met een hoge nauwkeurigheid zorgvuldig om
de bundeldeeltjes gepositioneerd.
Het regelen van de collimators is dus een
nauwkeurige taak, die zeer betrouwbaar moet
zijn, en die ook synchroon op 100 locaties,
verdeeld over 27 km, moet plaatsvinden.
De collimators moeten tot op 20 µm precies
geplaatst worden, op 2 mm van elkaar terwijl
ertussen een bundel met de energie van een
TGV-trein raast. We spreken hier dan ook over
een bijzonder project: mechatronica of ‘motion
control’ verspreid over vele kilometers en met
500 vrijheidsgraden. Een cruciaal besluit voor
de regeling was dan ook de selectie van de
embedded controller voor deze regeling.
foto: CERN
<< MACHINES &
De Large Hydron Collider tijdens de
montagewerkzaamheden. Let op de supergeleidende magneten die gekoeld worden
met vloeibaar helium op -271°C.
Eén van de eerste geregistreerde reële
events na de opstart: restanten van deeltjes opgepikt door de calorimeters nadat
de straal in de collimator was gestuurd.
In de praktijk sturen twee met FPGA’s
uitgevoerde PAC’s elke collimator redundant
aan. Elke PAC bestaat uit een modulair PXI
chassis, waarin een embedded controller en
een FPGA-module is ondergebracht. In de
standaard configuratie bestuurt elk chassis tot 15
stappenmotoren, gemonteerd op drie verschillende collimators, via een 20-minuten durend
foto: CERN
600 stappenmotoren
De deeltjesversneller zit 100 à 150 meter de grond, en heeft een omtrek van 27km. In
totaal moeten 600 stappenmotoren in deze tunnels synchroon aangestuurd worden.
foto: National Instruments
Het positioneren van de collimators mag dus
zonder overdrijven een zeer delicate opdracht
genoemd worden. Traditioneel hebben ontwerpers drie mogelijkheden voor hun besturingssystemen: PLC’s, pc’s, of op maat gemaakte
(custom) hardware, zoals VME. Toch lieten
de CERN-ingenieurs hun oog vallen op een
vierde alternatief voor specifiek het aansturen
van de positionering: de PAC, of Programmable
Automation Controller.
“Wat ons aansprak bij PAC’s waren de kleine
afmetingen, hoge robuustheid en het kostenbesparingspotentieel in vergelijking met een traditioneel op VME of PLC gebaseerd model”,
aldus Alessandro Masi en Roberto Losito.
Beiden zijn lid van de LHC Collimation Working Group van het CERN. “Om te kunnen voldoen aan de strenge eisen van timing, precisie
en betrouwbaarheid ,kozen we voor een motion
control- en feedbacksysteem dat gebaseerd is
op herconfigureerbare hardware. Voor ons was
het belangrijk te beschikken over een ontwikkelplatform dat alle functies bevatte die we
nodig hadden, waardoor we het schrijven van
eigen softwaredrivers konden vermijden en het
aantal manuren voor de bouw van het systeem
reduceren.”
foto: CERN
Delicate opdracht
Links: CMS-detector. Collimators absorberen de energie van deeltjes die uit de buurt
van de normale straalbundel komen. Rechts: simulatie van een ionenbotsing.
CONTROL & AUTOMATION MAGAZINE NR. 87 - DECEMBER 2008
21
<< MACHINES &
bewegingsprofiel, waarbij de grafietblokken
precies en synchroon in lijn worden gebracht,
terwijl een tweede chassis de real-time positionering van de collimators controleert.
Alessandro Masi: “In fase 2 van het project
zijn we van plan om nog eens 60 collimators
toe te voegen, zodat er in totaal ongeveer 200
PXI-systemen zullen zijn. Per collimator draait
LabVIEW Real-Time op beide PXI chassis’,
voor een hoge betrouwbaarheid, en een FPGA
op de herconfigureerbare FPGA-insteekmodules, voor de aansturing van de collimator.
Via de software kunnen we snel een standaard
motion controller creëren met synchronisatie
in milliseconden voor de ongeveer 600 stappenmotoren langs de 27 km van de LHC. De
FPGA’s van deze controllers geven ons de mate
van vrijheid en toch de betrouwbaarheid die we
nodig hebben.”
Waarom PAC’s?
Zoals gezegd, verkozen de CERN-ingenieurs
de oplossing met PAC’s boven de traditionele
methoden ondermeer omwille van de hogere
flexibiliteit. Vooral in complexe applicaties kan
het snel bouwen of aanpassen van sturingsmodellen een grote invloed hebben op de projectkost. Qua concept combineert een PAC in feite
de robuustheid van de PLC met de openheid
van de PC-architecturen.
In het rijtje van mogelijke sturingsopties
- PLC, PC, Custom Hardware of PAC - is deze
laatste de jongste van de bende. Dat heeft te
maken met het feit dat het PAC-concept eerst
realiseerbaar was vanaf het ogenblik dat er
voldoende snelle pc-componenten beschikbaar waren die zich ook leenden tot industrieel
gebruik. Hardwarematig waren dat bijvoorbeeld
processors met een werkbaar temperatuurbereik
van -40 tot +85°C en gegevensopslag zonder
bewegende delen. Softwarematig was het
wachten op deterministische realtime operatingsystemen (RTOS), zoals Phar Lap van Ardence
(voorheen Venturecom) of VxWorks van Wind
River. Deze RTOS bieden de mogelijkheid om
alle aspecten van het besturingssysteem aan te
passen, van de snelheid waarmee de I/O uitgelezen en geschreven wordt, tot de prioriteiten
van de verschillende taken die de controller
uitvoert.
Leveranciers voegen vaak functiebibliotheken toe die bijvoorbeeld het lezen en schrijven
naar I/O eenvoudiger maken. Het resultaat is
een flexibeler softwareomgeving die geschikt is
voor toepassingen die een mix zijn van custom
discrete I/O, procesbesturing, en motion control,
waarbij andere taken meespelen als signaalverwerking, datalogging, en communicatie.
Eigen aan PAC’s is de mogelijkheid om
de hardware softwarematig te definiëren in
FPGA’s (Field-Programmable Gate Arrays).
Deze geïntegreerde schakelingen kunnen
door programmeurs zo worden gedefinieerd
dat ze de functionaliteit van het apparaat – de
hardware - bepalen. De FPGA’s bestaan uit
verschillende configureerbare en combineerbare logische blokken die verschillende taken
MOTION >>
Complexe mechatronica:
wat zijn de sturingsopties?
Bij een complexe installatie zoals een deeltjesversneller wordt uiteraard een amalgaam van technische oplossingen aangesproken. Op het vlak van sturingen zijn
dat de klassieke systemen - PLC’s, PC’s en Custom Hardware - naast PAC’s. Elke
methode heeft zo zijn eigen toepassingsgebied, inclusief voordelen en beperkingen
voor het CERN.
• Methode 1: de PLC
PLC’s zijn gespecialiseerde industriële
computers en worden geprogrammeerd met
een vastgesteld software-executiemodel met
een betrouwbare en eenvoudig te gebruiken
scanarchitectuur. De ingenieur hoeft hier enkel
te letten op de regelcode, omdat de inputcycli,
outputcycli, en overige al automatisch worden
uitgevoerd en zijn vastgelegd. Dit maakt ze
bijzonder populair in toepassingen waar niet-
programmeurs - zoals bijvoorbeeld onderhoudspersoneel van een eindgebruiker, die wijzigen
aan de besturingen moet aanbrengen - toegang
moeten hebben tot de controllers. Maar de afgebakende software-architectuur zorgt ook voor
beperkingen en in flexibiliteit als het gaat om
op maat gemaakte toepassingen zoals data logging en communicatie of - zoals bij het CERN
- synchronisatie en custom regelalgoritmen.
• • Methode 2: de PC
Pc’s zijn universele computers die aanvankelijk ontworpen waren voor het verwerken van
een verscheidenheid aan niet-realtime toepassingen. In tegenstelling tot een PLC, maakt een
typische pc gebruik van roterende opslagmedia en is niet bedoeld voor zwaar industrieel
gebruik. Aan de andere kant zijn pc’s gebaseerd op normen die het mogelijk maken de pc
gemakkelijk uit te breiden en systeem-upgrades
uit te voeren. Vergeleken met een PLC, bevat
een typische pc een krachtiger floating-pointprocessor en meer geheugen, waardoor het
geschikt is voor intensievere gegevensverwerking. Om de vereiste betrouwbaarheid te halen
is een speciaal real-time operating systeem
vereist, aangezien een general purpose besturingssysteem zoals Microsoft Windows een te
lage stabiliteit garandeert. Het ontbreken van
een omlijnde software-architectuur en van
de fysieke robuustheid maakt de meeste pc’s
minder bruikbaar voor de “standaard” besturingstoepassingen. Echter door hun krachtiger
verwerkingscapaciteit, netwerkmogelijkheden,
uitbreidingsmogelijkheden en de grafische
interfaces, spelen pc’s een sleutelrol in vele
supervisory toepassingen, bij geavanceerde
besturingen, voor de human-machine interface,
en voor datalogging.
• • • Methode 3: Custom Hardware
Bij het CERN is in het verleden veel met
custom hardware op basis van VME gewerkt.
Custom hardware is, per definitie, een op maat
ontworpen circuit dat voldoet aan een specifieke behoefte. Omdat het speciaal ontworpen
is voor een bepaalde toepassing kan het gebruik
maken van elke hardware-architectuur. Het
nadeel van custom hardware is de vrij dure
onderhoudbaarheid op lange termijn en de hoge
ontwikkelingskosten. Typische toepassingen
van custom hardware zijn onder meer sensor-
specifieke signaalprocessing, afhandelen van
taken in high-speed besturingen, of complete
besturingen wanneer het systeem in grote productieaantallen geleverd moet worden, zoals in
elektronische controle units (ECU’s) die worden
gebruikt in de automobielsector. Hoewel deze
apparaten in theorie kunnen worden geprogrammeerd in vrijwel elke programmeertaal, maken
de meeste ontwerpers gebruik van low-level
tools en schrijven ze de toepassingen direct in
ANSI C of VHDL
• • • • Methode 4: PAC’s en FPGA’s
FPGA-technologie is van oudsher uitsluitend
beschikbaar geweest voor hardwareontwerpers
die geschoold waren in low-level programmeertalen zoals VHDL. Vandaag de dag bestaat er
aangepaste software om op maat gemaakte
regelingen te ontwikkelen die dan worden
gedownload op de FPGA-chips in de PAC.
In het geval van CERN is dit de LabVIEWuitvoeren. Ingenieurs gebruiken software om de
functionaliteit van de configureerbare logische
blokken, en de manier waarop ze zijn verbonden
met elkaar en de I/O, vast te leggen. FPGA’s
zijn vergelijkbaar met een computer die letter-
software. Het sterke punt van deze methode is
dat technici signaalverwerking op sensorniveau
kunnen uitvoeren en tijdkritische regelingen
en speciale communicatieprotocollen kunnen
inbouwen. Omdat de code rechtstreeks in
silicium wordt uitgevoerd, kunnen zeer snelle
applicaties worden ontwikkeld, wat precies is
wat de CERN-ingenieurs op het oog hadden.
lijk haar interne circuit herbedraadt voor een
specifieke toepassing. <<
CONTROL & AUTOMATION MAGAZINE NR. 87 - DECEMBER 2008
23

Download Report