CERN wählt das PcVue-Softwarepaket von ARC Informatique für das Managen der LHC-Lüftung und -Kühlung

Der LHC (Large Hadron Collider) ist der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger, der jemals gebaut wurde. Er wurde im Oktober 2008 im Forschungszentrum CERN in Genf in der Nähe der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich in Betrieb genommen. Er befindet sich in einem kreisförmigen Tunnel mit einem Umfang von 27 km in einer durchschnittlichen Tiefe von 100 m, in dem früher der LEP (Large Electron Positron)-Collider untergebracht war. Im Gegensatz zum LEP, in dem Elektronen und Positronen beschleunigt wurden, um Kollisionen zu produzieren, beschleunigt der LHC Protonen der Hadronfamilie und schwere Ionen, zum Beispiel des Elements Blei. Dieser monumentale Apparat erlaubt Physikern aus aller Welt, die kleinsten bekannten Teilchen zu studieren, welche die Geheimnisse unseres Universums verraten sollen.

Um dieses zu erreichen, werden zwei Strahlen aus Hadronen oder schweren Ionen gegenläufig in einem Ring mit 27 km Länge beschleunigt, um eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit und damit eine sehr hohe Energie zu erreichen. Wenn diese Teilchen frontal zusammenstoßen, werden experimentell Bedingungen erzeugt, die denen kurz nach dem Urknall sehr ähnlich sind. Die bei diesen Kollisionen entstehenden Teilchen werden mittels spezieller Detektoren analysiert, und die Daten von Forschern aus über 100 Ländern interpretiert.

Um diese Versuche zu ermöglichen, benötigt der LHC 9.300 Magnete, die mit 10.080 t flüssigem Stickstoff und 130 t flüssigem Helium über ein riesiges kryogenes Verteilsystem auf eine Temperatur von -271,3 °C (1,9 K) gekühlt werden. Zur Einrichtung gehört auch eine entsprechend dimensionierte Lüftungsanlage, die sowohl für die Mitarbeiter als auch für das installierte Gerät eine geeignete Atmosphäre schafft. Die Lüftung des LHC bietet auch eine Kaltrauch-Abscheidung und eine Überdruckfunktion für die unterirdischen Überlebenszonen. Für die neue Lüftungsanlage wurden Änderungen an der vorhandenen LEP-Lüftung vorgenommen und neue technische Ausrüstung installiert.

Um die Lüftungs- und Kühlsysteme des LHC zu betreiben, benötigte CERN ein Überwachungssoftware-Paket zu einem attraktiven Preis und konkurrenzfähigen Gesamtbetriebskosten, das für die Größe dieser Anwendung mit mehr als 200 automatisierten Geräten geeignet ist. Die vorgeschlagene Lösung musste auch die Integrationsanforderungen von CERN bezüglich der Netzwerkfähigkeit und der Verfügbarkeit erfüllen. „In der Architektur von CERN sind nahezu 30 Clients (8 Fat Clients, 20 Terminal Server Clients) an das System angeschlossen, die gleichzeitig in Echtzeit arbeiten müssen. Die Verfügbarkeitsvorgabe ist deshalb äußerst hoch. Folglich muss das System immer zugänglich sein. Wir haben deshalb das Redundanzprinzip angewandt, das einem Server ermöglicht, die Aufgaben eines anderen zu übernehmen, wenn dieser nicht mehr verfügbar ist“, erklärt Lionel Diers, Projektleiter bei Assystem France, der für das Projekt verantwortliche Service-Provider.

Nach der Analyse der auf dem Markt verfügbaren Überwachungslösungen, die diesen Spezifikationen entsprechen, entschied sich CERN für das von ARC Informatique entwickelte PcVue-Paket. „Außer der Tatsache, dass die PcVue-Lösung unsere Leistungs- und Preisanforderungen erfüllt, bietet dieses Produkt auch den Vorteil bei Systemintegratoren etabliert zu sein, die eine Menge Erfahrung mit seiner Implementierung haben“, sagt Mario Batz, Projektleiter im Kühlungs- und Lüftungsteam der technischen Abteilung von CERN. PcVue ermöglicht den Anschluss von Automatisierungsgeräten mittels Standard-Feldbusnetzwerken, wie Profibus oder Industrial Ethernet, um den Prozess zu überwachen und zu steuern. Der Supervisor-Task erfasst die Daten und sendet sie an ein Informationssystem, wo sie analysiert werden. Diese Daten werden direkt von PcVue verarbeitet und mittels Symbolen (Objekten) in animierten Ansichten (Mimic Displays) angezeigt. Die gesammelten Informationen werden in Standard-PcVue-Objekte übersetzt (Ereignis-Objekte und Alarm-Objekte für digitale Daten, grafische Analyse für analoge Daten) und dann in Datenbanken archiviert. Somit können sie auch später noch analysiert werden. In dieser Anwendung verwaltet PcVue 80.000 Variablen (von denen 66.000 archiviert werden), 1.200 Mimic-Displays und 600 Objekte.

PcVue bietet bedeutende Innovationen und reduziert Zeit und Kosten bei Entwicklung und Betrieb von industriellen Überwachungsprojekten besonders in großen Anwendungen, wie Fertigungseinrichtungen, Atomkraftwerken und Produktionsbetrieben der Chemie-, Pharma- und Nahrungsmittelindustrie. „Das spezielle Merkmal von PcVue, in Bezug auf die anderen am Markt verfügbaren Lösungen, ist die Baumstruktur. Sie erleichtert die Spezialisierung von Objekten und verringert so die Entwicklungsarbeit. So muss zum Beispiel ein Objekt für einen drehzahlveränderlichen Antrieb nur einmal angelegt werden; dieses wird dann einfach für jeden drehzahlveränderlichen Antrieb im Prozess aufgerufen“, erklärt Lionel Diers von Assystem France.

Darüber hinaus gibt es noch andere interessante Tools in der PcVue-Software, wie die HDS (Historical Data Server)-Archivierung. Diese verwaltet die Schnittstelle zwischen dem Überwachungssystem und der Archiv-Datenbank oder dem „Terminalserver“, welcher mit Hilfe einer Windows-Funktion, mehrere PcVue-Sitzungen auf verschiedenen Stationen ermöglicht. In einer Umgebung wie dem LHC ist diese Funktion besonders in Bezug auf die Auslastungs- und Einsatzflexibilität attraktiv, da die Anwendung sehr umfangreich und die Anzahl der „Clients“ (Benutzer, die an die Anwendung angeschlossen sind) sehr groß ist.

Mit Blick auf einen einfachen Einsatz und niedrige Betriebskosten von Prozessüberwachungssystemen, unterstützt PcVue auch die virtuelle Umgebung Vmware. Diese erlaubt die Verwendung von mehreren Betriebssystemen auf einer einzelnen Maschine, als ob sie auf unterschiedlichen physischen Maschinen liefen. Dieser Virtualisierungs-Prozess macht es möglich, mehrere in der Umgebung installierte reelle Maschinen zu ersetzen, die im Allgemeinen nicht ausgelastet sind und schnell veralten. Stattdessen simuliert ein einzelner PC so viele virtuelle Maschinen wie erforderlich sind, mit den Ressourcen die den einzelnen virtuellen Maschinen zugeordnet wurden. Eine zusätzliche virtuelle Überwachungsstation wird einfach durch Kopieren und Einfügen einer vorhandenen virtuellen Maschine auf dem zentralen PC angelegt und dem Benutzer über ein Terminal zur Verfügung gestellt. Bei einer Modifizierung des Prozesses (Änderung der Geschwindigkeit, neue Anforderungen, usw.) werden einfach die Ressourcen auf dem zentralen PC den von dieser Änderung betroffenen virtuellen Maschine neu zugeordnet. „Bei der Anwendung des LHC hat die Implementierung einer virtuellen Infrastruktur zu einer drastischen Verringerung der Anzahl von physischen Maschinen geführt. Als Bonus wurde der Energieverbrauch gesenkt, die Nutzung vereinfacht und die Integration in die IT-Architektur verbessert“, bestätigt Lionel Diers von Assystem France.

Dies bedeutet, dass die Überwachung der LHC-Lüftung nur zwei physische Maschinen erfordert mit je 12 GByte RAM und sechs 250-GB-Festplatten. Die Supervision-Arbeitsbelastung wird von diesen zwei redundanten physischen Servern (Windows 2003 Server) gemeinsam übernommen. Der erste physische Server übernimmt die Funktionen des PcVue Acquisition Server Nr. 1, des Webservers (für die Nutzung über das Internet) und des Datenbankservers (für das Archivieren der Daten); der zweite physische Server erfüllt die Funktionen des PcVue Acquisition Server Nr. 2 und des Terminalservers.

Die acht, in der Anlage verteilten Akquisitionsstationen sind Touch-Screen-Serverstationen, die für die Nutzung durch das lokale Wartungspersonal verwendet werden. Da die Bereiche etwa 2 km auseinander liegen, sind diese Stationen essentiell und ermöglichen auch die Steuerung der Lüftungsanlagen, wenn einer der zwei zentralen Server ein Problem hat.

Dies ist nicht das erste Mal, dass ARC Informatique, Assystem France und CERN bei einem Projekt zusammengearbeitet haben. Zuvor wurden schon zwei weitere Projekte realisiert: das CSAM (CERN Sicherheitsalarmmanagement) für die Überwachung von technischen Alarmsignalen, Feuermeldern und Gasspürgeräten, sowie RAMSES (Strahlungs- und Überwachungssystem für die Einrichtung und Sicherheit) für die Inbetriebnahme und Wartung des Kontrollsystems für ionisierende Strahlung in den Forschungseinrichtungen des CERN. „Die Stärken von ARC Informatique und Assystem France liegen in der guten Zusammenarbeit der Teams, der Reaktionsfähigkeit des Services, der Kompetenz des technischen Supports und dem Fokus auf die Wünsche des Kunden“, erklärt Mario Batz von CERN. Für die Verbesserung und Weiterentwicklung von PcVue nutzen die Teams von ARC Informatique die Erfahrung, die sie mit mehr als 38.000 installierten Lizenzen gesammelt haben.

Bildunterschrift CERN-LHC-N°1.jpg : Der LHC-Tunnel hat einen Umfang von fast 27 km und liegt in einer durchschnittlichen Tiefe von 100 m.
Bildunterschrift CERN-LHC-N°2.jpg : Eine Lüftungseinheit des LHC.
Bildunterschrift CERN-LHC-N°3.jpg : PcVue-Darstellung einer experimentellen Zone und ihrer Lüftungseinheiten.