Control system for remote handling equipment of nuclear fusion research facilities

Abstract

This thesis presents a comprehensive proposal and development of the Remote Handling Control System (RHCS) for the International Fusion Materials Irradiation Facility - Demo Oriented NEutron Source (IFMIF-DONES) project, which is a key component to commercial energy from fusion. Availability goal for DONES is 70% over calendar year which together with its specifications regarding damage rate is directly linked to the main mission of DONES. Given the challenging operating environment of fusion-related facilities, mainly due to the presence of radiation and a poorly structured environment, the design and implementation of reliable, safe and flexible Remote Handling (RH) is essential to perform maintenance, inspection and monitoring tasks of complex and heavy systems and components that need to be on site assembled and maintained. The control system is of critical importance because it must integrate the human operator into the control loop (the "human-in-the-loop" approach) to enable the execution of diverse, non-repetitive operations and facilitate adaptation to unforeseen circumstances due to the unstructured nature of the environment. The design of the RHCS poses a series of challenges that are shared by other similar installations. These challenges focus primarily on the integration of all machines and robots into a common control framework, providing a set of tools that operators can rely on when radiation prevents direct access to the maintenance area. Such a framework would be capable of offering common functionalities and interfaces to all of the machines and robots. Additionally, it would improve processes and reduce operating times. The primary hypothesis of this work is that the performance, cost, flexibility, and robustness of RH systems can be significantly enhanced by designing a control system based on state of the art technologies available in the industry and the latest standards. This hypothesis is explored through an analysis of applicable automation levels, the use of supervisory systems for process control, the application of the Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) standard unify interfaces among heterogeneus mechatronic devices, and the improvement of real-time communications with Time-Sensitive Networking (TSN) technology. The methodology employed in this thesis combines a system design approach with practical validation to ensure the effectiveness of the proposed RHCS architecture. The development process involved the detailed design and simulation of the preliminary RHCS for IFMIF-DONES project, followed by the implementation of a comprehensive testbench. This test-bench was utilized to simulate representative telemanipulation tasks, allowing us to integrate the main functional blocks of the control system, control strategies for telemanipulation, standardization of interfaces/data format using OPC UA and improving network capabilities using TSN. The results of the solution described were demonstrated through the execution of real RH procedure on the test bench, showing the improvement on execution times, number of errors and reduced cognitive load on the operator.

Esta tesis presenta una propuesta integral y el desarrollo del Sistema de Control de Manipulación Remota (en inglés Remote Handling Control System o RHCS) para el proyecto IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility - Demo Oriented NEutron Source), que es un componente clave para la energía comercial a partir de la fusión. El objetivo de disponibilidad de DONES es del 70% a lo largo del año natural, que junto con sus especificaciones relativas a la tasa de daños, está directamente relacionado con la misión principal de DONES. Dado el difícil entorno operativo de las instalaciones relacionadas con la fusión, debido principalmente a la presencia de radiación y a un entorno poco estructurado, el diseño y la implantación de un sistema de manipulación remota (en inglés Remote Handling o RH) fiable, seguro y flexible es esencial para realizar tareas de mantenimiento, inspección y supervisión de sistemas y componentes complejos y pesados que deben montarse y mantenerse in situ. El sistema de control es de vital importancia porque debe integrar al operador humano en el bucle de control (el enfoque «human-in-the-loop») para permitir la ejecución de operaciones diversas y no repetitivas y facilitar la adaptación a circunstancias imprevistas debidas a la naturaleza no estructurada del entorno. El diseño del RHCS plantea una serie de retos que comparten otras instalaciones similares. Estos retos se centran principalmente en la integración de todas las máquinas y robots en un marco de control común, que ofrezca un conjunto de herramientas en el que los operarios puedan confiar cuando la radiación impida el acceso directo a la zona de mantenimiento. Dicho marco sería capaz de ofrecer funcionalidades e interfaces comunes a todas las máquinas y robots. Además, mejoraría los procesos y reduciría los tiempos de operación. La hipótesis principal de este trabajo es que el rendimiento, el coste, la flexibilidad y la robustez de los sistemas de RH pueden mejorarse significativamente diseñando un sistema de control basado en las tecnologías más avanzadas disponibles en la industria y en los estándares más recientes. Esta hipótesis se explora mediante un análisis de los niveles de automatización aplicables, el uso de sistemas supervisores para el control de procesos, la aplicación del estándar OPC UA para unificar interfaces entre dispositivos mecatrónicos heterogéneos, y la mejora de las comunicaciones en tiempo real con la tecnología TSN. La metodología empleada en esta tesis combina un enfoque de diseño de sistemas con la validación práctica para garantizar la eficacia de la arquitectura propuesta para el Sistema de Control de Manipulación Remota. El proceso de desarrollo incluyó el diseño detallado y la simulación del Sistema de Control de Manipulación Remota preliminar para el proyecto IFMIF-DONES, seguido de la implementación de un completo banco de pruebas. Este banco de pruebas se utilizó para simular tareas de telemanipulación representativas, lo que nos permitió integrar los principales bloques funcionales del sistema de control, las estrategias de control para la telemanipulación, la estandarización de interfaces/formato de datos mediante OPC UA y la mejora de las capacidades de red mediante TSN. Los resultados de la solución descrita se demostraron mediante la ejecución de un procedimiento real de manipulacion remota en el banco de pruebas, mostrando la mejora en los tiempos de ejecución, la reducción del número de errores y de la carga cognitiva del operador.