CERN wybiera pakiet oprogramowania nadzorującego PcVue firmy ARC Informatique do zarządzania systemami wentylacji i chłodzenia akceleratora LHC

LHC (Large Hadron Collider – Wielki Zderzacz Hadronów) jest największym spośród kiedykolwiek zbudowanych akceleratorów. Uruchomiony po raz pierwszy w październiku 2008 roku w ośrodku CERN, w pobliżu Genewy, na granicy szwajcarsko - francuskiej, mieści się w kolistym tunelu o obwodzie 27 kilometrów, położonym na średniej głębokości 100 metrów, w miejscu, w którym poprzednio działał zderzacz LEP (Large Electron Positron collider – Wielki zderzacz elektronowo – pozytonowy), na miejscu którego został umieszczony. W akceleratorze LEP przyspieszano elektrony i pozytony doprowadzając do ich zderzeń, natomiast w LHC przyspieszane będą protony, cząstki z rodziny hadronów, a także ciężkie jony, na przykład jony ołowiu. To monumentalne urządzenie umożliwi fizykom z całego świata badanie najmniejszych znanych cząstek, stwarzając nadzieje na odkrycie tajemnic naszego Wszechświata.

W tym celu dwa strumienie hadronów lub ciężkich jonów, krążące w przeciwnych kierunkach w 27 kilometrowym pierścieniu, są przyspieszane, osiągając prędkości zbliżone do prędkości światła i bardzo wielką energię. Zderzając te cząstki ze sobą czołowo można na przykład odtwarzać eksperymentalnie warunki bliskie tym, jakie panowały tuż po momencie Wielkiego Wybuchu. Cząstki powstające w wyniku tych zderzeń są analizowane za pomocą specjalnych detektorów dostarczających danych, które następnie są interpretowane przez badaczy z ponad stu krajów.

Aby umożliwić przeprowadzanie tego rodzaju eksperymentów, akcelerator LHC wymaga nie mniej niż 9.300 magnesów chłodzonych do temperatury – 271,3°C (1,9K) dzięki 10.080 tonom ciekłego azotu i 130 tonom ciekłego helu, rozprowadzanym za pomocą gigantycznego kriogenicznego systemu dystrybucji. Tego rodzaju instalacja wymaga również systemu wentylacji, będącego w stanie utrzymać atmosferę odpowiednią zarówno dla pracujących tam ludzi, jak i dla aparatury zainstalowanej w strefach prowadzenia eksperymentów. System wentylacyjny akceleratora LHC zapewnia także usuwanie chłodnej mgły i wyrównywanie ciśnień w podziemnych strefach przebywania ludzi. Konstrukcja systemu wentylacji obejmuje zarówno modyfikację już istniejących procesów wentylacji (unowocześnienie systemu wentylacji LEP) jak i instalację nowych urządzeń.

Aby umożliwić zarządzanie systemami wentylacji i chłodzenia akceleratora LHC, CERN potrzebował pakietu oprogramowania nadzorującego odpowiedniego dla aplikacji o tych rozmiarach, obejmującej ponad 200 elementów automatyki, oferowanego po atrakcyjnej cenie, a przede wszystkim zapewniającego konkurencyjny całkowity koszt eksploatacji. Proponowane rozwiązanie musiało również spełniać wymagania CERN dotyczące integracji: oczywiste warunki dotyczące pracy w sieci oraz warunki dotyczące dyspozycyjności. „W architekturze stosowanej w CERN, liczba aplikacji klienckich mogących równocześnie połączyć się z systemem wynosi około 30 (8 aplikacji typu “gruby klient” i 20 aplikacji klienckich Terminal Serwer), co oznacza konieczność pracy wirtualnej w czasie rzeczywistym. Z tego powodu wymagania dotyczące dyspozycyjności są szczególnie wysokie. W konsekwencji oznacza to, że system musi być zawsze dostępny. Musieliśmy zatem zastosować zasadę nadmiarowości, zapewniając, że zawsze będzie istniał serwer, który przejmie funkcje każdego serwera, który w danej chwili przestanie być dostępny” - wyjaśnia Lionel Diers, kierownik projektu w firmie Assystem France, głównego dostawcy usług w tym projekcie.

Po przestudiowaniu dostępnych na rynku rozwiązań w zakresie nadzoru, aby móc spełnić warunki specyfikacji, CERN zdecydowała się na pakiet PcVue stworzony przez firmę ARC Informatique. „Oprócz tego, że rozwiązanie PcVue spełnia nasze wymagania dotyczące wydajności i kosztów, produkt ten ma także tę przewagę, że jest doskonale znany integratorom systemów, którzy posiadają spore doświadczenie w jego wdrażaniu” - deklaruje Mario Batz, kierownik projektu w grupie zajmującej się chłodzeniem i wentylacją w Dziale Inżynieryjnym CERN. PcVue umożliwia podłączenie osprzętu automatyki za pomocą standardowych sieci obiektowych, takich, jak Profibus, Industrial Ethernet i wiele innych, w celu monitorowania i sterowania nadzorowanym procesem. Zadanie nadzoru obejmuje zbieranie danych oraz przesyłanie ich do Systemu Informacyjnego, gdzie są one analizowane. Dane te są przetwarzane bezpośrednio przez oprogramowanie PcVue i mogą być wyświetlane w postaci animowanych schematów (tak zwanych “mimic displays”) za pomocą symboli (obiektów), których egzemplarze można tworzyć w czasie działania programu. Zebrane informacje są tłumaczone na standardowe obiekty programu PcVue (obiekty zdarzeń i alarmów w przypadku danych typu “Włączony/Wyłączony” lub analizy wykresów dla danych analogowych) a następnie archiwizowane w bazach danych, w celu późniejszej analizy za pomocą pomocniczych narzędzi typu arkuszy kalkulacyjnych itp. W tym przypadku pakiet PcVue zarządza 80.000 zmiennych (66.000 spośród nich jest archiwizowanych), 1.200 animowanymi schematami oraz 600 obiektami.

PcVue dostarcza wielu innowacji mających na celu skrócenie czasów wdrażania i uruchamiania oraz redukcję kosztów projektów nadzorowania procesów przemysłowych, szczególnie w aplikacjach o dużej skali, takich, jak zakłady montażowe, elektrownie jądrowe, zakłady chemiczne, farmaceutyczne lub przetwarzania żywności itp. „Specyficzną cechą oprogramowania PcVue w porównaniu z innymi narzędziami dostępnymi na rynku jest pojęcie struktury drzewiastej. Wiąże się to z kwestia tworzenia egzemplarzy poszczególnych obiektów, a stąd z możliwością ograniczenia pracy niezbędnej do wdrożenia systemu. I tak, jeżeli mamy do czynienia z kilkoma urządzeniami typu „napęd o zmiennej prędkości”, wystarczy utworzyć obiekt „napęd o zmiennej prędkości” i następnie tworzyć jego egzemplarz za każdym razem, gdy tego typu urządzenie występuje w trakcie procesu” - wyjaśnia Lionel Diers z Assystem France.

Oprogramowanie PcVue zawiera również inne szczególnie interesujące narzędzia, takie, jak narzędzie archiwizacji HDS (Historical Data Server – Serwer danych historycznych), zarządzające interfejsem pomiędzy systemem nadzoru a bazą danych archiwalnych lub “Serwer Terminali”, który, wykorzystując funkcje systemu Windows, umożliwia otwarcie kilku sesji PcVue na dowolnej stacji roboczej. W środowisku takim, jak akcelerator LHC, funkcja ta wydaje się szczególnie istotna z punktu widzenia użyteczności i elastyczności wdrożenia, gdyż obiekt jest rozległy, toteż występuje w nim znaczna liczba “klientów” (użytkowników łączących się z aplikacją).

W celu dalszego ułatwienia wdrożenia i redukcji kosztów eksploatacji systemów nadzoru, oprogramowanie PcVue obsługuje także środowisko wirtualne Vmware, co umożliwia równoczesną pracę kilku systemów operacyjnych, działających niezależnie od siebie na pojedynczej maszynie tak, jakby pracowały na różnych fizycznie odrębnych komputerach. Ten proces wirtualizacji umożliwia zastąpienie kilku realnych komputerów rozmieszczonych wokół nadzorowanego obiektu, które na ogól nie są w pełni wykorzystywane i szybko stają się przestarzałe, jednym komputerem PC, który symuluje tyle maszyn wirtualnych, ile potrzeba, przydzielając część swoich zasobów każdej z nich. Dodatkowe wirtualne stacje nadzoru mogą być łatwo dodawane przez skopiowanie istniejącej maszyny wirtualnej na centralnym komputerze i zaopatrzenie użytkownika w odpowiedni terminal. W przypadku modyfikacji procesu (zmiana szybkości, nowe potrzeby itd.), wystarczy dostosować zasoby przydzielone na centralnym komputerze maszynie wirtualnej, której dotyczą zmiany. “Przy tej skali aplikacji, jak w przypadku akceleratora LHC, implementacja infrastruktury wirtualnej prowadzi do znacznej redukcji liczby wykorzystywanych maszyn fizycznych, z dodatkowymi korzyściami: mniejszym zużyciem energii, łatwością użytkowania i doskonałą integracją z istniejącą w CERN architekturą systemu IT” - wskazuje Lionel Diers z Assystem France.

Oznacza to, że nadzór nad systemem wentylacji akceleratora LHC wymaga tylko dwóch fizycznych maszyn, każda z pamięcią RAM 12 GB RAM sześcioma napędami twardych dysków o pojemności 250 GB każdy. Zadania nadzoru są dzielone pomiędzy te dwa nadmiarowe serwery fizyczne (serwery Windows 2003), przy czym pierwszy z nich pełni funkcje serwera akwizycji danych nr 1 programu PcVue, serwera sieciowego (użytkownicy pracujący za pośrednictwem Internetu) i serwera bazy danych (archiwizacja danych), natomiast drugi pełni funkcje serwera akwizycji danych nr 2 w programie PcVue oraz Serwera Terminali.

Obiektowe stacje akwizycji danych – w liczbie ośmiu (po jednej na każdą strefę eksperymentalną) – są stacjami serwerowymi z ekranem dotykowym, przeznaczonymi dla lokalnych operatorów zajmujących się konserwacją układów. Ponieważ obszary interwencji położone około 2 km od tych stacji są istotne i powinno być możliwe sterowanie z nich pracą urządzeń wentylacyjnych, jeden z dwóch centralnych serwerów powinien uporać się również z tym problemem.

Nie jest to pierwszy projekt realizowany w kooperacji ARC Informatique, Assystem France i CERN. Te trzy organizacje współpracowały już przy dwóch innych projektach: CSAM (CERN Safety Alarm Management – zarządzanie alarmami bezpieczeństwa w CERN), dotyczącym nadzoru nad alarmami technicznymi w CERN, czujnikami przeciwpożarowymi i czujnikami gazu oraz RAMSES (Radiation Monitoring System for the Environment and Safety – system monitoringu promieniowania w celu zapewnienia bezpieczeństwa i ochrony środowiska), mający na celu uruchomienie i konserwację systemu kontroli promieniowania jonizującego w obiektach doświadczalnych CERN. “Mocne punkty oferty firm ARC Informatique/Assystem France to przede wszystkim wzajemne uzupełnianie się ich zespołów , odpowiedzialność za świadczone usługi oraz zapewnienie kompetentnego wsparcia technicznego, a także fakt, że skupiają sie one na potrzebach użytkownika” - wyjaśnia Mario Batz z CERN. Prace nad dalszym rozwojem i ulepszaniem pakietu oprogramowania PcVue zespół ARC Informatique opiera sie na doświadczeniu zebranym, dzięki wdrożeniu ponad 38.000 licencji.

Opis ilustracji CERN-LHC-N°1.jpg : Biegnący na średniej głębokości 100 metrów pod ziemią tunel akceleratora LHC ma obwód liczący blisko 27 kilometrów.
Opis ilustracji CERN-LHC-N°2.jpg : Jedna z jednostek systemu wentylacji akceleratora LHC.
Opis ilustracji CERN-LHC-N°3.jpg : Reprezentacja jednej ze stref eksperymentalnych i jej jednostek wentylacyjnych w programie PcVue.