Une réflexion permanente concernant l’adaptation de l’instrumentation, de l’automatisme et de l’informatique industrielle au contexte de la recherche fondamentale amène le Dapnia à développer des dispositifs novateurs, mêlant techniques industrielles et précision, où l’intelligence embarquée et la communication s’avèrent indispensables.

Le déploiement des expériences de physique du Dapnia nécessite la conception d’instrumentations d’envergure industrielle, pour le contrôle et la commande de dispositifs. De plus, le caractère international de la recherche fondamentale se traduit par une dispersion des sites des expériences à travers le monde.
Ces deux constats conduisent le Dapnia à organiser une activité de R&D, pour la conception de systèmes instrumentaux intelligents et communicants, intégrant un nombre important de voies électroniques de mesures et de commandes. Au développement de ces architectures sont associés des développements d’outils logiciels pour la supervision, basés sur les techniques Java pour Internet. Les transferts technologiques vers l’industrie sont évalués et organisés aussi souvent que possible.
Parallèlement, des travaux sont menés pour deux types de dispositifs couramment rencontrés dans les expériences, les aimants supraconducteurs et les ensembles cryogéniques. Ces études couvrent la standardisation et la fiabilisation des systèmes électroniques assurant la protection des aimants supraconducteurs, ainsi que des recherches sur la connectique adaptée aux contraintes du vide et des basses températures.

Automatismes et transferts technologiques

Le Dapnia a engagé des actions innovantes pour faciliter l’exploitation de ses installations et réduire leurs coûts de déploiement et de maintenance.
Une première initiative, lancée en 1995, repose sur l’organisation des architectures de contrôle commande pour les expériences de physique, intégrant le « bus de terrain » WorldFIP. Ce bus, spécialisé pour des applications en automatisme et normalisé à l’échelon européen, répond à la nécessité de suivre en temps réel les systèmes de régulation.
Les architectures développées au Dapnia avec ce bus offrent de nombreux avantages. Les temps d’étude, de réalisation et de mise en service sont réduits, notamment grâce à une diminution et une simplification des câblages rapidement tentaculaires. Les expériences bénéficient de possibilités d'évolution, indispensables dans un contexte où les installations sont des prototypes. La conception d’installations à géométrie variable est facilitée, grâce à l’utilisation de périphériques standard et intelligents. Enfin, l’intégration de développements tiers est facilitée, une qualité essentielle pour simplifier les chaînes de mesures spécifiques à la cryogénie.
Une seconde action vise à développer des produits compatibles avec WorldFIP, en intégrant au meilleur prix des fonctions plus évoluées et plus performantes. C’est ainsi que la conception de la centrale d’acquisition C@BTF, réalisée en collaboration avec le Service des basses températures du CEA Grenoble, a permis de diviser par deux les coûts des systèmes pour les mesures de températures cryogéniques. L’industrialisation de ce dispositif avec son serveur Web embarqué est prévue pour l’année 2004, la commercialisation étant suivie par la société MII

Deux autres équipements sont également en cours de valorisation. Le premier est un coffret à quatre voies de mesure de niveau d’hélium. Le second est un concentrateur au standard Modbus destiné à intégrer les nombreux équipements d’automatisme utilisant ce bus sur le réseau WorldFIP. Ce produit nommé FIP@CS inclura son propre serveur Web ; la société MII est également pressentie pour s’occuper des aspects industriels et commerciaux.

Automatisme et supervision par Internet

La supervision technique et la maintenance des expériences de physique du Dapnia installées dans le monde entier peuvent être aujourd’hui conduites à distance grâce à des développements logiciels bâtis sur la technologie Java pour Internet.
Ces développements ont débuté en 1997 avec la réalisation du superviseur Anibus^®, programme exécutable dans une machine virtuelle Java associée à un navigateur Internet. Anibus^® est couplé à un serveur de données qui peut fonctionner en dehors de toute session utilisateur. Le progiciel FBI, qui a permis de réaliser ce serveur, est au cœur de nouveaux développements pour l’archivage de données sur disque et la gestion de téléalarmes par téléphone ou courriel.

À l’aide de ces outils logiciels, la gestion des installations peut être automatisée et réduite à l’utilisation d’un simple navigateur Internet. Les mises à jour sont centralisées sur un serveur principal. La supervision est simplifiée car elle est la même localement ou à distance. L’échange de données entre client et serveur est optimisé et réduit au minimum, permettant l’utilisation de lignes téléphoniques à bas débit. Enfin l’historique du fonctionnement des installations peut être visualisé, localement ou à distance, pour une période pouvant aller jusqu’à un an.

R&D « Frontaux d’instrumentation partagée »

L’étude, la réalisation et l’installation de systèmes d’instrumentation et de contrôle commande sur les expériences de physique nécessitent la mise en œuvre d’éléments parmi lesquels :
- des conditionneurs de signaux pour s’adapter aux différents capteurs ;
- des automates programmables industriels (API) pour piloter les processus ;
- des systèmes d’acquisition pour la mesure, l’archivage et l’analyse des informations scientifiques.
Ces ensembles existent à l’échelle industrielle, mais sont hétérogènes et nécessitent donc un grand nombre d’interconnexions pour assurer :
- la connexion des voies des capteurs aux automates du contrôle commande ;
- le partage de ces voies avec l’acquisition de données des expériences ;
- la circulation des données sur des réseaux de terrain comme WorldFip ou sur un réseau informatique au standard Ethernet.

Le programme de R&D Frontaux d’instrumentation partagée a pour objectif de regrouper ces différents éléments au sein d’une même plateforme, de limiter les volumes de câblage et de diminuer les coûts des installations.
Un frontal d’instrumentation partagé regroupe l’ensemble des fonctionnalités de contrôle et d’acquisition en intégrant :
- des cartes automates ;
- des cartes électroniques pour mesurer les signaux analogiques et numériques ;
- une liaison sur le réseau Ethernet pour regrouper les mesures physiques ;
- des cartes d’interface spécialisées avec les réseaux de terrain existants (FIP, Profibus …), avec des bus spécifiques (GPIB, Modbus …) ou encore d’autres applications particulières ;
- une carte processeur pour la centralisation, le traitement des informations, et les transmissions sur les réseaux.
Une première analyse des besoins concernant le partage des informations issues des capteurs entre le contrôle commande et l’acquisition a abouti à la conception de Bora, bornier de raccordement intelligent. Aujourd’hui, cent borniers Bora sont implantés sur la station d’essai des aimants supraconducteurs du projet W7-X.
Pour les frontaux d’instrumentation eux-mêmes, deux développements sur les plates-formes matérielles PC et VME-64X sont menés en parallèle. Dans les deux cas, l’impératif est la fiabilité des outils logiciels, pour assurer le plus longtemps possible un fonctionnement des systèmes d’instrumentation 24 heures sur 24.

Ce programme de R&D propose d’ores et déjà des solutions modulables -plusieurs frontaux sont raccordables-, moins onéreuses et plus faciles à mettre en œuvre.

Par ailleurs, des développements complémentaires à ce programme sont en cours de réalisation. Là encore, il s’agit de réaliser un ensemble facilitant la mise en œuvre des installations et diminuant leur coût. Dans ce but, le bornier Bora a été modifié pour intégrer une connexion directe au réseau de terrain WorldFip et pour supprimer les multiples câblages. Dans le même ordre d’idée, un autre développement consiste à équiper d’une interface WorldFip un tiroir de mesure de niveau d’hélium liquide.

Systèmes de protection des aimants supraconducteurs

L’implantation dans les expériences de physique d’aimants supraconducteurs nécessite l’étude, la réalisation et la mise en œuvre de systèmes électroniques de protection dont l’isolation doit supporter des tensions s’élevant jusqu’à plusieurs milliers de volts. Ces ensembles électroniques surveillent en temps réel, les paramètres importants des aimants : tension, température, pression, etc. Lorsqu’un paramètre dépasse les limites spécifiées, une décharge de l’énergie de l’aimant et une mise en sécurité de l’installation sont obligatoires, sous peine de dommages irréversibles pour le supraconducteur. Ces systèmes de protection sont couramment utilisés dans les stations d’essai des aimants ou dans des installations de physique incluant des aimants.
La fiabilité de ces systèmes est un objectif majeur. Dans ce but, deux développements novateurs sont en cours. Ils seront validés sur la nouvelle station d’essai cryogénique horizontale Schema.
Le premier développement concerne la mise en place d’un contrôle en ligne des cartes électroniques du système de protection. Ce contrôle, réalisé à partir d’une liaison de type série, teste les différents éléments du système, vérifie leur bon fonctionnement et s’assure de l’intégrité des interconnexions. Le contrôle en ligne établit également un relevé de la configuration des cartes électroniques. Cet aspect est fondamental pour les systèmes implantés sur les stations d’essai où les paramètres varient en fonction des aimants testés.
Le second développement s’intéresse à la surveillance des paramètres d’environnement des circuits électroniques implantés dans une baie : température des cartes, tensions d’alimentation, etc. La mise au jour de ce besoin résulte de l’expérience acquise lors des opérations de maintenance dans les installations complexes. La possibilité de superviser la température et les tensions d’alimentation des cartes améliore la qualité des diagnostics et la rapidité des interventions en cas de défaillance d’une installation. Cette supervision peut être conduite à distance à travers le réseau Ethernet et facilite la maintenance. Cette fonction est assurée par une carte électronique basée sur un microcontrôleur. Grâce à cette carte, les paramètres sont retransmis vers le système de supervision de l’installation par le réseau de terrain WorldFip.

Connectique appliquée aux domaines de la cryogénie et du vide

Beaucoup d’expériences de physique incluent des dispositifs où vide et cryogénie sont présents. Le Dapnia mène une activité de veille technologique concernant la connectique spécifique à ces deux domaines, afin de constituer une base de données regroupant les principales caractéristiques des connecteurs disponibles.
Dans cette optique, une activité de R&D est menée pour étudier et réaliser un banc d’essai, afin de tester des connecteurs dans différentes ambiances de pression (de la pression atmosphérique au vide secondaire) et température (de la température ambiante aux températures cryogéniques jusqu’à 4 K). Ce banc mesure les résistances de contacts d’un connecteur, les tensions d’isolement entre les contacts et la tenue au vide par le biais d’analyses de fuite à l’hélium gazeux. Le banc est bâti sur une instrumentation PXI et piloté par un logiciel en langage LabView. Il assure le contrôle commande d’actionneurs (moteurs, vérins, électrovannes, chaufferettes) et automatise, par exemple, la connexion et la déconnexion de connecteurs en test, ou l’organisation et le suivi de cycles thermiques pour des simulations de vieillissement accéléré.
L’année 2003 a été consacrée à la réalisation des différents éléments du banc. La mise en fonctionnement à température ambiante et à la pression atmosphérique, puis à température cryogénique et sous vide sont prévus ultérieurement.