Construction d'un système d'enregistrement de transitoires pour le Grand collisionneur de hadrons du CERN

Odd Oyvind Andreassen, CERN

"Compact RIO étant le seul système de contrôle et de surveillance embarqué modulaire sur le marché à permettre d'avoir un contrôle total du code source qui définit la fonctionnalité du système, il s'est avéré être la solution idéale."

- Odd Oyvind Andreassen, CERN

Le défi:

Trouver une plate-forme modulaire définie par logiciel pour un système d'enregistrement de transitoires destiné au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, qui devra inclure un système de mesure continue avec 10 000 échantillons/s, effectuer des analyses temps réel de plus de 100 voies sur plusieurs stations de données, synchroniser toutes les stations de données, mettre les données correctes en mémoire tampon, les stocker quand un phénomène transitoire est détecté dans les signaux d'entrée, et recueillir des données sur deux serveurs à des emplacements différents pour assurer la redondance, analyser les signaux transitoires furtifs et apprendre à les atténuer.

La solution​:

Utiliser la plate-forme NI CompactRIO, le module NI LabVIEW Touch Panel, le logiciel de conception graphique de système NI LabVIEW, les modules NI LabVIEW Real-Time et NI LabVIEW FPGA ainsi qu'une architecture logicielle basée sur des événements afin de construire un système d'enregistrement de transitoires facile à maintenir.

Auteur(s):

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

 

CERN : L'Organisation européenne pour la recherche nucléaire

Les physiciens du CERN emploient des accélérateurs de particules parmi les plus plus puissants du monde pour mieux comprendre de quoi l'univers est fait et en apprendre davantage sur ses origines. Avec les ingénieurs, ils utilisent des instruments scientifiques imposants et complexes pour étudier les particules fondamentales. Ils font circuler ces particules à une vitesse proche de celle de la lumière avant de les faire entrer en collision, afin de réunir des informations sur leurs interactions et de mieux appréhender les lois élémentaires de la nature. Le CERN, fondé en 1954, se situe sur la frontière franco-suisse, près de Genève. Il a été l'une des premières coentreprises en Europe et compte actuellement 21 États membres.

 

 

 

Le LHC du CERN est le plus grand système de mesure du monde, et son fonctionnement nécessite une énorme quantité d'électricité. Envrion 10 000 aimants supraconducteurs doivent être refroidis à 1,9 K (-271,3 °C), une température inférieure à celle de l'espace intersidéral.

 

À l'origine, une sous-station située du côté suisse du campus fournissait l'électricité nécessaire aux activités du CERN. Mais dans les années 1970, une ligne a été installée pour relier une nouvelle sous-station du côté français. C'est elle qui alimente à présent l'ensemble du CERN ; celle du côté suisse a été maintenue comme sous-station de réserve. Le transfert d'énergie électrique est assuré par sept sous-stations, réparties entre la France et la Suisse.

 

 

 

Un système d'enregistrement de transitoires, indispensable à la sécurité des opérations du CERN

Le fonctionnement du LHC requiert un transfert d'électricité de bonne qualité. Il existe un risque lié à des facteurs externes tels que des orages ou des signaux transitoires dus au fournisseur d'énergie susceptibles d'affecter les systèmes de mesure et de contôle. Lorsqu'un signal transitoire survient sur le réseau électrique, l'accélérateur est généralement contraint d'arrêter son opération, ce qui, en plus d'être frustrant, s'avère également très coûteux. Le système d'enregistrement de transitoires permet aux ingénieurs de mieux comprendre les circonstances d'apparition de ces phénomènes. En s'appuyant sur ces informations, ils peuvent alors trouver un moyen d'atténuer ces signaux transitoires soit dans le secteur d'alimentation, soit dans le secteur de contrôle du LHC. Cela permet d'en limiter les arrêts imprévus et d'optimiser son temps de bon fonctionnement.

 

Le système d'enregistrement de transitoires devait être en mesure de :

  • Effectuer l'enregistrement et l'analyse temps réel de tous les signaux transitoires
  • Supporter des fréquences d'acquisition de données de 10 kHz/voie dans plus de 100 voies
  • Enregistrer plusieurs secondes de données
  • Communiquer entre différents systèmes d'exploitation tels que Linux, Windows et des systèmes d'exploitation temps réel

 

Nous avons tenté de trouver différents fournisseurs pour ce type de système, mais nous nous sommes finalement aperçus que la plate-forme NI CompactRIO était le seul système sur le marché à nous permettre de prendre le contrôle total du logiciel. Les autres systèmes s'apparentaient davantage à des solutions sous forme de boîtes noires dont les fonctionnalités sont définies par le fournisseur. Nous tenions à définir le système nous-même afin de pouvoir y apporter des modifications ultérieures en fonction de nos besoins. Nous étions par ailleurs ravis de pouvoir programmer intégralement la plate-forme CompactRIO avec NI LabVIEW. Le CERN compte plus de 500 développeurs LabVIEW actifs, et LabVIEW est utilisé quotidiennement.Il est utilisé ici pour programmer l'interface utilisateur graphique, le processeur temps réel et le FPGA.

 

 

 

Architecture du système pour l'enregistrement de transitoires

En raison de la complexité du système, nous avons fait appel à CIM Industrial Systems A/S, un membre du programme NI Alliance Partner situé au Danemark, pour concevoir l'architecture et nous proposer une solution que nous pourrions facilement mettre à jour. CIM a fait preuve d'une grande maîtrise des systèmes LabVIEW et CompactRIO, et s'est donc avéré être un partenaire idéal sur ce projet. La société disposait au préalable de plusieurs modules LabVIEW exploitables dans le cadre de notre projet, ce qui a permis de réaliser une importante économie en termes de temps de développement. CIM a fourni un système simple à mettre en place, à maintenir et à modifier pour les années à venir.

 

Notre système d'enregistrement de transitoires est construit sur une architecture événementielle similaire au Framework d'acteur courant. Il s'agit d'un modèle pour la création d'applications LabVIEW composées de plusieurs tâches indépendantes qui doivent communiquer entre elles. Ce framework a été sélectionné pour faire face aux scénarios de développement les plus courants susceptibles de provoquer une duplication significative de code lors de l'extension de fonctionnalités ou de l'ajout de processus supplémentaires. En outre, plusieurs développeurs peuvent travailler facilement et de manière simultanée sur des tâches de codage ou de conception.

 

CIM a utilisé l'intégration de LabVIEW avec le protocole syslog afin d'assurer un bon environnement de mise au point pour ce système multi-nœuds complexe. Cela signifie qu'un seul ingénieur peut accéder à tout ce qui se passe sur le système depuis n'importe quel poste de travail. Ce procédé fournit également un aperçu temps réel de la manière dont les déclenchements générés par l'analyse se propagent dans le système, dont les données sont extraites du buffer, stockées dans les serveurs de données et requises à partir de ces mêmes serveurs.

 

 

 

Une solution pour un système d'enregistrement de transitoires souple et modulaire destiné au LHC du CERN

Nous avons construit un système d'enregistrement de transitoires souple et modulaire pour le LHC du CERN à l'aide du logiciel de conception graphique de systèmes LabVIEW et de la plate-forme embarquée CompactRIO. Les ingénieurs du CERN sont à même d'analyser facilement la grande quantité de données collectées, ce qui permet aux ingénieurs électriciens de comprendre l'origine de ces signaux transitoires et de réduire les temps d'arrêt du LHC.

 

La flexibilité du système nous permet d'étendre davantage l'analyse temps réel qu'il effectue. La nouvelle génération de matériel CompactRIO à processeurs multiples offre la possibilité d'étendre le système pour analyser davantage de voies avec une fréquence d'échantillonnage plus élevée, ce qui signifie que nous sommes à présent en mesure de détecter davantage de phénomènes transitoires d'ordre n.

 

Informations sur l’auteur:

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

Figure 1. Le LHC du CERN dans le tunnel sous la France et la Suisse (image publiée avec la permission du CERN)
Figure 2. La sous-station électrique du CERN à Prévessin, en France (image publiée avec la permission du CERN)
Figure 3. Vue aérienne du LHC du CERN (image publiée avec la permission du CERN)
Figure 4. Architecture du système