Slow Control, Security and Process Monitoring Approaches for Large-Scale Industrial Automated Control Systems

Abstract

Slow control systems (SCS) are essential in Large-Scale Industrial Automated Control Systems (IACS) to regulate and monitor the processes, equipment performance, or systems that operate at a slower rate. It is crucial in applications requiring precision control and stability, such as scientific research, industrial processes, and other complex control systems. SCS employ algorithms, sensors, and feedback mechanisms to ensure that the system operates within specified parameters and offers near real-time monitoring and analysis of the system.Big scientific experiments have unique requirements even when compared to other large-scale IACS. These requirements include supporting custom instrumentation, adaptability to changing conditions during the experiment, and support for hundreds of users, including scientists, experts, and shifters. Furthermore, they must support custom instrumentation to facilitate data collection and control for various instruments and equipment.The paradigm of using industrial control standards while designing large scientific setups is often a demanding task. Nevertheless, this approach grants reliability, instrumental support, and development cycle requirements that would not be possible without the use of off-the-shelf modules and software. However, the option for such an approach comes with a cost both in flexibility and interface heterogeneity. The present work researches and discusses the process of designing an industrial automation and control system for a specific experiment setup in fundamental physics for the detection of dark matter (the XENON experiments). The design and implementation of SCS systems in large scientific experiments require careful consideration of these unique requirements. These systems must support custom instrumentation to collect, store, and analyze data. Additionally, the interfaces used should be user-friendly to facilitate the interaction between the user and the SCS.The development of the SCS architecture for scientific experiments is crucial to maintain stable and consistent operating conditions and increasing the safety of large-scale scientific experiments. The SCS architecture proposed in this thesis monitors and controls various aspects of the experiment, including temperature, pressure, and liquid levels, to ensure the experiment runs stable and safely, using multiple sensors and actuators to monitor, adjust, and control the parameters in real-time. Simultaneously, the SCS serves as a crucial tool for diagnosing the operational aspects of the experiment and plays a vital role in overseeing the experiment's long-term stability, ensuring the continuity and reliability of the scientific data. This control system is, therefore, essential for the security and safety of large-scale IACS, and its significance cannot be overstated.The XENON experiments represent a significant endeavor in our quest to decipher the mysteries of our universe, primarily focusing on investigating dark matter and other rare events. These scientific experiments strive to illuminate our understanding of dark matter's nature, uncovering the evidence of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Ultimately, the SCS architecture emerges as an integral component for safeguarding the security and safety of large-scale scientific experiments, particularly those as complex and critical as dark matter research.

Os sistemas de controlo lento são essenciais em Sistemas de Automação e Controlo Industrial (SACI) de Larga Escala para regular e monitorizar o desempenho de equipamentos, processos ou sistemas que operam em um ritmo mais lento. Esse tipo de controlo lento é crucial em aplicações que exigem controlo de precisão e estabilidade, como pesquisa científica, processos industriais e outros sistemas de controle complexos. Os sistemas de controlo lento empregam algoritmos, sensores e mecanismos de feedback para garantir que o sistema opere dentro dos parâmetros especificados e ofereçam monitorização e análise em quase tempo real.As grandes experiências científicas apresentam requisitos específicos em comparação com outros SACI de grande escala. Esses requisitos incluem suporte a instrumentação personalizada, adaptabilidade a condições variáveis e suporte para centenas de utilizadores, incluindo cientistas, especialistas e shifters. As experiências científicas são tipicamente dinâmicas, exigindo que mudanças sejam suportadas durante a experiência. Além disso, eles devem suportar instrumentação personalizada para facilitar a recolha e análise de dados para vários instrumentos.O paradigma de usar padrões de controle industrial ao projetar grandes experiências científicas costuma ser uma tarefa exigente. No entanto, essa abordagem garante requisitos de confiabilidade, suporte instrumental e ciclo de desenvolvimento que não seriam possíveis sem o uso de módulos e softwares disponíveis no mercado. A opção por tal abordagem tem um custo tanto em flexibilidade quanto em variabilidade de interface. O presente trabalho descreve e discute o processo de utilização de uma instalação industrial para um experiência específico em física fundamental para a deteção de matéria escura (as experiência da colaboração XENON).O projeto e a implementação de sistemas de controlo lento em grandes experiências científicas requerem consideração cuidadosa desses requisitos específicos. Além disso, as interfaces utilizadas nesses sistemas devem ser amigáveis e capazes de atender às diversas necessidades dos utilizadores, como cientistas, especialistas e shifter.O desenvolvimento da arquitetura de controlo lento para experiências científicas é crucial para manter condições operacionais estáveis e consistentes e contribui para aumentar a segurança de experiências científicas em larga escala. Essa arquitetura de controlo lento monitora e controla vários aspetos da experiência, incluindo temperatura, pressão e níveis de líquido, para garantir que a experiência seja executada de forma estável e segura, usando vários sensores e atuadores para monitorar, ajustar e controlar os parâmetros em tempo real. Ao mesmo tempo, os dados recolhidos pelo sistema de controlo lento são utilizados para diagnosticar e monitorar a estabilidade de longo prazo da experiência. O sistema de controlo lento é essencial para proteger o SACI em larga escala.O objetivo da experiência XENON é investigar a natureza da matéria escura e outros eventos raros no universo, descobrindo a evidência de Partículas Massivas de Interação Fraca, que se acredita constituir uma porção significativa do universo. Em última análise, a arquitetura de controlo lento é fundamental para garantir o sucesso e a segurança de experiências científicas de grande escala, como a investigação da matéria escura.