Erstellung eines Transientenrekorders für den Large Hadron Collider am CERN

Odd Oyvind Andreassen, CERN

"NI CompactRIO stellte eine ideale Lösung dar, da es auf dem Markt das einzige modulare Embedded-System für Steuerung, Regelung und Überwachung war, das uns die volle Kontrolle über den Quellcode verleiht, der die Systemfunktionalität definiert."

- Odd Oyvind Andreassen, CERN

Die Aufgabe:

Hier soll ein System zur Aufzeichnung von Transienten, wie z. B. Überstrom oder Überspannung in der Versorgung, für den Large Hadron Collider (LHC) am CERN entwickelt werden. Das System soll auf einer softwaredefinierten modularen Plattform basieren und folgende Anforderungen bewältigen: kontinuierliche Messung mit 10.000 S/s, Echtzeitanalyse von über 100 Kanälen auf mehreren Messstationen, Synchronisieren aller Messstationen, sorgfältiges Puffern und Speichern der korrekten Daten, wenn eine Transiente in den Eingangssignalen entdeckt wird, sowie Sammeln von Daten auf zwei Servern an verschiedenen Standorten, um Redundanz zu gewährleisten, schwer nachvollziehbare Transienten zu analysieren und diese zu mäßigen.

Die Lösung:

Mit der Plattform NI CompactRIO, dem NI LabVIEW Touch Panel Module, der Systemdesignsoftware NI LabVIEW, dem NI LabVIEW Real-Time Module und dem NI LabVIEW FPGA Module sowie einer anspruchsvollen, ereignisbasierten Softwarearchitektur wird ein flexibles und wartungsfreundliches System zur Aufzeichnung von Transienten erstellt.

Autor(en):

Bjarke Dahl-Madsen - CIM Industrial Systems A/S
Odd Oyvind Andreassen - CERN

 

CERN: Die Europäische Organisation für Kernforschung

Physiker am CERN nutzen einige der weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger, um mehr über unser Universum und seine Ursprünge zu erfahren. Mit großen, hochkomplexen Forschungsinstrumenten studieren Physiker und Ingenieure Elementarteilchen. Dafür lassen sie die Teilchen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen, um Informationen über die Interaktion der Teilchen sowie Einblicke in grundlegende Naturgesetze zu erhalten. Das CERN wurde 1954 gegründet und befindet sich in der Schweiz, in der Nähe von Genf an der französischen Grenze. Es war damals eine der ersten europäischen Organisationen. Derzeit hat es 21 Mitgliedsstaaten.

 

 

 

Der LCH des CERN ist das größte Messsystem der Welt und benötigt für seinen Betrieb enorm viel Energie. Ca. 10.000 supraleitende Magneten müssen auf 1,9 K (-271,3 °C) heruntergekühlt werden.

 

Zunächst lieferte das Umspannwerk auf dem Schweizer Teil des Campus genug Elektrizität für den Bedarf des CERN. Bereits in den 1970ern allerdings wurde ein neues Umspannwerk auf der französischen Seite des CERN in Betrieb genommen. Dieses betreibt heute das gesamte CERN und das Schweizer Umspannwerk dient als partielles Backup. Sieben Umspannwerke in Frankreich und in der Schweiz leiten die Elektrizität dorthin, wo sie gebraucht wird.

 

 

 

Sicherer Betrieb des LHC erfordert einen Transientenrekorder

Für den LHC ist eine qualitativ hochwertige Übertragung der Elektrizität unabdingbar. Eventuell auftretende externe Faktoren wie Gewitter oder vom Energieversorger induzierte Transienten können die Mess-, Steuer- und Regelsysteme beeinträchtigen. Tritt im Stromnetz eine Transiente auf, wird der Teilchenbeschleuniger meist gestoppt, was frustrierend und sehr teuer ist. Der Transientenrekorder erleichtert Ingenieuren das Verständnis dafür, wann, wie und wo Transienten auftreten. Mit diesem Wissen können sie die Transienten bei der Versorgung und der Steuerung des LHC abschwächen. So lassen sich unvorhergesehene Abschaltungen größtenteils vermeiden und Betriebszeiten optimieren.

 

Der Transientenrekorder muss:

  • alle Transienten in Echtzeit aufzeichnen und analysieren
  • Datenerfassungsgeschwindigkeiten von 10 kHz pro Kanal über mehr als 100 Kanäle ermöglichen
  • Daten mehrere Sekunden lang aufzeichnen
  • die Kommunikation zwischen verschiedenen Betriebssystemen wie Linux, Windows und Echtzeit gewährleisten

 

Wir suchten nach verschiedenen Herstellern für solche Systeme, doch schließlich mussten wir feststellen, dass die Plattform NI CompactRIO die einzige war, die uns die umfassende Kontrolle der Software ermöglichte. Andere Systeme waren eher beschaffen wie ein geschlossenes System, das vom Hersteller vordefiniert ist. Wir wollten das System allerdings selbst definieren, sodass wir es an künftige Anforderungen anpassen können. Ein zusätzlicher Vorteil bestand darin, dass die CompactRIO-Plattform vollständig mit NI LabVIEW programmierbar ist. LabVIEW wird am CERN tagtäglich eingesetzt und über 500 Mitarbeiter arbeiten aktiv damit. Wir können LabVIEW nutzen, um die grafische Benutzeroberfläche, den Echtzeitprozessor und den FPGA zu programmieren.

 

 

 

Systemarchitektur des Transientenrekorders

Aufgrund der Komplexität des Systems beauftragten wir CIM Industrial Systems A/S, einen dänischen NI Alliance Partner mit dem Entwurf der Architektur und einer Lösung, die wir problemlos aktualisieren können. CIM erwies sich wegen seiner Erfahrung mit LabVIEW und CompactRIO-Systemen als der ideale Partner für dieses Projekt. Das Unternehmen konnte einige LabVIEW-Module für dieses Projekt wiederverwenden, was eine Menge Entwicklungszeit sparte. So erstellte CIM ein System, das problemlos implementiert und viele Jahre lang einfach gewartet und modifiziert werden kann.

 

Die Architektur des Transientenrekorders baut auf einer ereignisbasierten Architektur ähnlich dem gängigen Akteur-Framework auf. Dieser Entwurf wurde zum Erstellen von LabVIEW-Anwendungen verwendet, die aus mehreren unabhängigen Tasks bestehen, welche miteinander kommunizieren müssen. Dieses Framework wurde für häufige Entwicklungsszenarien entworfen, bei denen signifikante Programmcodeabschnitte dupliziert werden, wenn die Anwendung um Funktionen und Prozesse erweitert wird. Darüber hinaus konnten mehrere Entwickler ohne Weiteres simultan an den Entwicklungs- und Codieraufgaben arbeiten.

 

CIM nutzte die Integration von LabVIEW mit dem Syslog-Protokoll, um eine passende Umgebung für die Fehlerbehebung in diesem komplexen System mit mehreren Knoten zu gewährleisten. Das bedeutet, dass ein einzelner Anwender von jedem Arbeitsplatz aus Zugriff auf alles hat, was auf dem System geschieht. Außerdem bietet diese Umgebung eine Echtzeitübersicht darüber, wie sich durch Analysen erzeugte Trigger im gesamten System verbreiten, wie Daten aus dem Puffer extrahiert und wie sie auf Datenservern gespeichert und von ihnen abgerufen werden.

 

 

 

Eine Lösung für einen modularen und flexiblen Transientenrekorder für den LHC am CERN

Mit der Systemdesignsoftware LabVIEW und der Embedded-Plattform CompactRIO erstellten wir einen modularen und flexiblen Transientenrekorder für den LHC am CERN. Ingenieure am CERN können damit die großen Mengen der gesammelten Daten mühelos analysieren, so den Ursprung von Transienten besser verstehen und Ausfälle des LHC minimieren.

 

Die Flexibilität des Systems erlaubt uns die Erweiterung der Echzeitanalyse, die mit dem System durchgeführt wird. Dank der neuen Generation von CompactRIO-Hardware mit mehreren Prozessoren sind wir in der Lage, das System so zu erweitern, dass es noch mehr Kanäle schneller analysieren kann und wir noch mehr schwer nachvollziehbare Phänomene „n-ter Ordnung“ erfassen.

 

 

 

Informationen zum Autor:

Odd Oyvind Andreassen
CERN
odd.oyvind.andreassen@cern.ch

Abb. 1: Der LCH des CERN im Tunnel unter Frankreich und der Schweiz (Mit freundlicher Genehmigung des CERN)
Abb. 2: Umspannwerk des CERN in Prévessin, Frankreich (Mit freundlicher Genehmigung des CERN)
Abb. 3: Luftaufnahme des LHC (Mit freundlicher Genehmigung des CERN)
Abb. 4: Systemarchitektur