S O M M A I R E CHAPITRE VI ASPECTS INFORMATIQUES

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3 S O M M A I R E CHAPITRE VI ASPECTS INFORMATIQUES 1. INTRODUCTION CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES Fiabilité Disponibilité Sécurité Performance Ouverture Flexibilité et évolutivité Homogénéité et standardisation Facilité d utilisation CONTRÔLE DES SOURCES Synthèse des besoins Equipements à contrôler Entrées/sorties à contrôler Caractéristiques nécessaires Outils à prévoir Architecture informatique Principes logiciels et matériels Niveau Frontaux de contrôle Entrées/sorties directes et déportées Synchronisation et datation des mesures Niveau Niveau Interface opérateur Archivage et gestion des paramètres Réseau de contrôle CONTRÔLE ET ACQUISITION DES EXPÉRIENCES Synthèse des besoins Contrôle Acquisition et prétraitement des données expérimentales Caractéristiques nécessaires Architecture informatique Principes logiciels et matériels Niveau Niveau Réseau expériences INFORMATIQUE SCIENTIFIQUE Synthèse des besoins Stockage des données Visualisation et analyse des données Traitements, calculs et simulations SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 3/45

4 Caractéristiques nécessaires Architecture informatique Stockage des données expérimentales Sauvegardes Visualisation et analyse des données Traitements, calculs et simulations Liaisons haut débit MOYENS INFORMATIQUES GÉNÉRAUX Réseau de site Synthèse des besoins Architecture du réseau de site Informatique de bureautique Synthèse des besoins Architecture informatique Administration de la bureautique Informatique d administration Synthèse des besoins Architecture informatique Informatique du bureau d étude Synthèse des besoins Architecture informatique RÉFÉRENCES Documents Coordonnées des sociétés citées SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 4/45

5 CHAPITRE VI : ASPECTS INFORMATIQUES Ce chapitre résume les différents aspects informatiques de SOLEIL : l informatique de contrôle des Sources, l informatique d acquisition et de contrôle des Expériences, l informatique scientifique et les moyens informatiques généraux pour les communications, la bureautique, l administration du laboratoire et les études. Après une description des caractéristiques générales nécessaires, il présente, pour chacun de ces aspects, une synthèse des besoins et l architecture informatique prévue en fonction de la technologie actuelle. 1. INTRODUCTION Les besoins en informatique du laboratoire SOLEIL couvrent des domaines spécifiques à une installation synchrotron pour : ª le contrôle des accélérateurs, lignes de lumière et gros équipements de l infrastructure ; ª l acquisition et le contrôle des expériences ; ª le stockage, l analyse et le traitement des données expérimentales, les calculs théoriques et les simulations. et des domaines plus généraux, pour : ª les communications internes et externes ; ª la bureautique ; ª la gestion administrative du laboratoire ; ª le bureau d étude. La division Informatique sera chargée de mettre en place, et ensuite de maintenir, des ressources informatiques bien dimensionnées qui répondent aux besoins de SOLEIL dans les domaines cités ci-dessus. Cela inclut des développements éventuels, l installation, les tests, la mise en service et la maintenance des matériels et logiciels. Dans la mesure du possible, elle utilisera des technologies développées dans d autres laboratoires de rayonnement synchrotron et dans l industrie. En effet, il est inutile de redévelopper des produits existants ailleurs s ils satisfont aux besoins. Cette stratégie permettra de focaliser les éventuels développements sur les besoins spécifiques à SOLEIL. La technologie en matière d informatique progresse très rapidement. Dans les années précédentes, on a constaté un doublement des performances des processeurs quasiment tous les 18 mois. Il en est de même de la capacité des disques. On estime généralement que les stations de travail et les serveurs doivent être renouvelés au bout de 5 ans, 3 ans pour les micro-ordinateurs. Les réseaux évoluent aussi très rapidement. Les matériels Ethernet 100 Mbps sont courants alors que cette technologie est apparue il y a quelques années. Certains matériels offrent déjà le Gbps. Toutes les architectures informatiques décrites ci-après ont été établies avec les matériels et logiciels disponibles aujourd hui. Elles devront donc être adaptées en fonction des évolutions de la technologie à la date de l investissement. Elles ne seront pas approvisionnées par avance, sinon elles risquent d être obsolètes avant d être utilisées. Nota : les références des documents et les coordonnées des sociétés citées sont rassemblées en fin de chapitre. SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 5/45

6 2. CARACTERISTIQUES GENERALES Pour contribuer au mieux à la productivité de SOLEIL, les ressources informatiques devront répondre aux caractéristiques générales suivantes : 2.1. Fiabilité La fiabilité des ressources informatiques fait partie des impératifs pour que les expérimentateurs disposent d un faisceau de qualité et puissent l exploiter. Aussi, certaines précautions seront prises dès la mise en place : ) tous les matériels sensibles aux coupures brutales de leur alimentation seront secourus par des onduleurs, aucun réseau général secouru n étant prévu. Cela concerne les serveurs, les stations de travail, certains micro-ordinateurs, les équipements actifs des réseaux, les unités de stockage sur disques, les moyens de sauvegarde, ainsi qu une partie des frontaux de contrôle des Sources (cf. paragraphe ). ) les équipements électroniques seront raccordés au réseau de masse, pour les protéger contre les perturbations électromagnétiques. Ceci concerne non seulement les matériels informatiques, mais aussi les écrans ou blindages de câbles, ainsi que les panneaux de brassages des réseaux, cf. référence [INFO/01]. ) les locaux informatiques seront climatisés et équipés de détection incendie. L accès aux locaux les plus sensibles sera sécurisé. ) les fibres optiques reliant les points nodaux principaux et secondaires des réseaux seront doublées et, autant que possible, via un cheminement différent. ) les câbles informatiques utiliseront des chemins de câbles à usage exclusif. Il est impossible de doubler tous les composants de l informatique en raison du coût que cela engendrerait. Mais elle sera organisée de telle sorte que la défaillance d un de ses composants perturbe aussi peu que possible le fonctionnement. En cas de panne d un composant, SOLEIL disposera de rechange sur place. Pendant son remplacement, ses fonctions seront reprises en secours par un composant similaire en fonctionnement, éventuellement au prix d une légère dégradation des performances Disponibilité Les ressources informatiques sont indispensables au fonctionnement de SOLEIL, que l installation soit en opération ou non. Toutefois, il sera nécessaire d intervenir régulièrement pour effectuer des opérations de maintenance : correction d erreurs, nouvelles installations, mises à jour ou reconfigurations. Ces interventions sont susceptibles d interrompre le fonctionnement de tout ou partie des systèmes. Elles seront donc organisées en accord avec les utilisateurs de l informatique de façon à les gêner le moins possible. En particulier, une période de l ordre d une semaine, voire plus selon les besoins, sera systématiquement réservée à la maintenance corrective et préventive de l informatique pendant les arrêts planifiés de SOLEIL. SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 6/45

7 2.3. Sécurité Les ressources informatiques seront suffisamment sécurisées pour empêcher toute opération intempestive sur : ª les équipements de l installation contrôlés par l informatique ; ª les informations enregistrées : données expérimentales, administratives, techniques, fichiers utilisateurs ; ª les ressources informatiques elles-mêmes : programmes, systèmes. En particulier, des droits d accès seront attribués à chacun selon sa fonction et son domaine de compétence. Pour éviter tout risque de perte d informations, des sauvegardes régulières seront effectuées et stockées en lieu sûr (dans une armoire ignifuge ou dans un local de l installation géographiquement distant des machines sauvegardées). Enfin, les systèmes seront organisés de façon à interdire toute intrusion extérieure via le réseau Performance Les ressources informatiques seront suffisamment performantes pour répondre aux besoins des applications les plus critiques en termes de puissance de calcul, de précision des mesures, de vitesse d acquisition, de temps de réponse et de synchronisation. Toutefois, il faut se garder d utiliser des techniques trop coûteuses ou qui n auraient pas fait leurs preuves Ouverture Les ressources informatiques seront suffisamment ouvertes pour être accessibles de tout poste de travail des locaux SOLEIL, moyennant les droits d accès individuels mentionnés cidessus. Cela doit se faire sans dégradation des performances. De plus, les ressources informatiques de SOLEIL pourront s interfacer avec d autres progiciels ou systèmes, par exemple pour intégrer un équipement fourni avec son informatique de contrôle ou d acquisition Flexibilité et évolutivité Les ressources informatiques seront organisées de façon à pouvoir s adapter à l amélioration des technologies et aux nouveaux besoins qui ne manqueront pas d apparaître. Les expériences, en particulier, sont constamment en évolution : il s agira d intégrer de nouvelles expériences, d augmenter la puissance de calcul ou la capacité de stockage des données. Cela devra pouvoir se faire sans remettre en cause l architecture ni se heurter à des limitations Homogénéité et standardisation Pour optimiser l installation, la mise en service, l utilisation et la maintenance, les ressources informatiques seront aussi homogènes que possible. Il ne s agit pas de rassembler une collection de systèmes spécifiques qui répondent chacun à un problème individuel mais de construire une solution globale avec des composants standardisés, matériels comme logiciels. Des standards seront donc définis en adéquation avec les besoins. Bien entendu, la définition de ces standards devra tenir compte de l apport en productivité au plus grand nombre et des ressources en personnel et budgétaires. Si des équipes intègrent des produits matériels ou SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 7/45

8 logiciels non standardisés SOLEIL, ils resteront de leur responsabilité. La division Informatique ne pourra leur apporter qu un support limité Facilité d utilisation Chacun pourra utiliser les ressources informatiques, pour la partie qui le concerne, avec un effort minimum d apprentissage et un risque réduit d erreur. La division Informatique apportera une formation et une assistance technique aux utilisateurs. Elle assurera la rédaction de manuels utilisateurs pour les produits spécifiques, la diffusion de l information et de la documentation informatique. 3. CONTROLE DES SOURCES Le système de contrôle-commande des Sources permettra de contrôler tous les équipements de ses sous-ensembles : Linac, ligne de transfert LT1 entre Linac et booster, booster, ligne de transfert LT2 entre booster et anneau, anneau, têtes de lignes et insertions. Il comprend tous les matériels et logiciels à mettre en œuvre depuis les interfaces électroniques des signaux jusqu aux affichages graphiques utilisés par les opérateurs, y compris les contrôleurs d équipements déportés via bus de terrain. L analyse des besoins a permis de définir son architecture informatique Synthèse des besoins Les utilisateurs du système de contrôle-commande seront multiples : ª les opérateurs pour la conduite de l installation ; ª les spécialistes des Sources pour tester et faire fonctionner leurs équipements ; ª les expérimentateurs pour avoir accès aux paramètres critiques à tout instant et effectuer certaines opérations de contrôle ; ª les autres, personnel SOLEIL ou extérieur, pour avoir une vue synthétique de l état de l installation Equipements à contrôler Plusieurs rencontres avec les responsables des différents équipements ont permis de faire un premier recensement des besoins : cf. références [INFO/02][INFO/03][INFO/04][INFO/05] [INFO/06]. Ce bilan devra être affiné, en particulier pour les diagnostics, la radiofréquence (RF) et l hydraulique. Le tableau récapitule la liste des équipements qui devront être gérés par le système de contrôle-commande, soit un total provisoire de 2004 équipements. Parmi ces équipements, 426 concernent les alignements : ils ne seront utilisés que pendant les périodes d arrêt de façon ponctuelle. Il n est pas certain qu ils doivent être interfacés au système de contrôle-commande. Ils n ont donc pas été pris en compte dans le dimensionnement de l architecture informatique du paragraphe 3.2. SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 8/45

9 tableau : Liste des équipements machine à contrôler Equipement Linac LT1 Booster LT2 Anneau 24 têtes de lignes Alimentations Alims Dipôles (18 bits) Alims Quadrupôles (18 bits) Alims Sextupôles (18 bits) 2 8 Alims Correcteurs H&V (16 bits) Alims Quadrupôles tournés (16 bits) 8 Alims correcteurs feedback à préciser Eléments pulsés Kickers 2 4 DOF (Bumpers) 3 Septa 3 2 Vide Pompes Sublimateurs Titane Jauges Penning Jauges Bayard-Alpert 64 Vannes de secteur Vannes de sortie de lumière 24 Vannes expérience 24 Vannes shutter 24 Spectromètres Hydraulique Débitmètres eau Température eau 5 Pression eau 11 2 Diagnostics BPM Feedback rapide de position 32 Mesureur d'intensité (20 bits) Mesureur de charge 2 Ecrans Caméras CCD Streak Caméra 1 Mesure fréquentielle (longueur paquets) 1 Scraper 3 16 Collimateur 1 1 Arrêtoir fixe 1 Arrêtoir mobile 1 Mesures premiers tours à préciser RF 14 insertions Klystrons 2 1 Tétrode ou ampli solide 1 Modulateurs 2 Cavités 1 2 Prégroupement 1 Groupeur 1 Sections accélératrices 2 Canon et son modulateur 1 14 dispositifs d'insertions moteurs 84 Alignement HLS (Hydrostatic Levelling System) WPS (Wire Positionning System) Vérins de positionnement des poutres 192 Sécurité du personnel sur les Sources Centrale logique 1 Total SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 9/45

10 Pour les insertions, 14 sections droites sont disponibles. Suivant la longueur, elles pourront être équipées avec 2 ou 3 dispositifs d insertions, en fonction des besoins des expériences. Pour cette évaluation, on a considéré qu il y aurait, en moyenne et dans un premier temps, un seul dispositif d insertion par section droite. La sécurité du personnel sera assurée par un système câblé, à base de relais mécaniques, cf. référence [INFO/07] et chapitre VII. Les différents circuits de sécurité sont indépendants de l informatique. Néanmoins, ils seront interfacés au système de contrôle-commande pour pouvoir présenter l état du système de sécurité en salle de contrôle et lui transmettre des commandes (initialiser une ronde, mettre une zone en accès contrôlé, ). De même, la sécurité du matériel sera assurée par des dispositifs extérieurs, interfacés au système de contrôle-commande : systèmes câblés ou automates programmables Entrées/sorties à contrôler Ces équipements seront interfacés au système via des entrées/sorties de différents types : ª ETOR/STOR : entrées/sorties tout ou rien, 1 seul bit significatif ; ª ENUM/SNUM : entrées/sorties numériques, n bits significatifs ; ª EANA/SANA : entrées/sorties analogiques. La liste est récapitulée sur le tableau Le détail par installation est donné dans la référence [INFO/16]. tableau : Bilan des entrées/sorties associées aux équipements à contrôler Installations ETOR STOR EANA SANA ENUM SNUM ENUM SNUM Liaisons Signaux Signaux 12 bits 12 bits 16 bits 16 bits 18 bits 18 bits automate oscillo vidéo Linac LT Booster LT Anneau têtes de ligne 14 insertions Total Pour les équipements dont les besoins demandent à être précisés, nous avons pris pour exemple l ESRF, cf. référence [INFO/08]. Pour les trois quarts des signaux analogiques et numériques recensés, la précision demandée est de 12 bits. Le quart restant concerne les alimentations qui nécessitent des précisions plus élevées : 16 bits pour les entrées et sorties des alimentations de correction ; 18 bits pour les sorties des alimentations principales et 16 bits pour leurs entrées. Le contrôle des équipements nécessite généralement un temps de réponse de 83,3 ms (12 Hz du booster), ou plus lent par exemple pour le vide. Mais, pour environ 10 % de ces signaux, dont ceux des éléments pulsés, des temps de réponse inférieurs à 1 ms sont nécessaires. Pour pouvoir analyser le comportement fin des équipements, certains des signaux ci-dessus seront aussi acquis en continu à cadence rapide, environ 1 MHz. En cas de défaut, on enregistrera une plage de valeurs encadrant le défaut pour l analyser a posteriori. En fonctionnement normal, les valeurs ne seront pas enregistrées. Les acquisitions de mesure seront synchronisées au moyen de signaux de timing émis par des dispositifs extérieurs au système de contrôle-commande mais pilotés par ce dernier. Huit signaux de timing sont prévus pour le Linac : par exemple pour les modulateurs, il s agira SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 10/45

11 d impulsions réglables en durée, de 0,5 à 2 µs, et en délai, environ 2 µs, avec une stabilité de 50 ns. Pour les autres sous-ensembles des Sources, les signaux de timing ne sont pas encore connus avec précision. Les signaux dits oscilloscopiques sont des signaux très rapides qui doivent pouvoir être visualisés en temps réel en salle de contrôle mais qui ne nécessitent pas d être enregistrés. Typiquement, ils demandent des fréquences caractéristiques d échantillonnage supérieures à 1 MHz (par exemple les impulsions RF du Linac sont d une largeur de 5 µs). Les signaux vidéo correspondent à des acquisitions de signaux de caméras des diagnostics. Certains équipements sont fournis avec des moyens de pilotage intégrés, par exemple les spectromètres de masse du vide. Ils dialogueront avec le système de contrôle-commande via des liaisons automates. Il en sera de même des automates programmables utilisés pour la sécurité du matériel Caractéristiques nécessaires Le système de contrôle-commande de SOLEIL répondra aux caractéristiques générales décrites au paragraphe 2. Certaines d entre elles peuvent être complétées : ) Fiabilité : il est à noter que la réinitialisation du système ou d un de ses composants ne doit pas avoir de conséquence sur les équipements. En particulier, les sorties seront maintenues en l état. ) Disponibilité : en période de fonctionnement, le système devra être totalement disponible pour la conduite de l installation. Il devra aussi fonctionner pendant la majeure partie des arrêts, pour tester les modifications éventuelles de l installation. En cas de panne d un de ses composants, l intervention pour mettre en place le rechange ne devra pas dépasser un délai maximum qui sera fixé en fonction des éléments de l installation concernés : l indisponibilité d un des postes opérateurs est moins grave que celle des contrôleurs au plus près des équipements. ) Sécurité : les fonctions autorisées à chacun seront modulées non seulement en fonction de son profil (opérateur, spécialiste Sources, ) mais également en fonction de la localisation du poste de travail utilisé. Par exemple, un opérateur verra son champ d action restreint s il utilise un poste hors de la salle de contrôle. Enfin, l accès à certaines fonctions pourra être soumis à l autorisation de l opérateur en salle de contrôle, en particulier pour le contrôle des insertions depuis les cabanes d expériences. ) Performance : le système sera suffisamment performant pour supporter des changements de toutes les grandeurs contrôlées à la fréquence de 12 Hz du booster. On pourra corréler l évolution des signaux sans ambiguïté, et donc dater les prises de mesure. La précision de datation nécessaire varie selon les signaux : généralement de 1 ms à 100 µs, voire 1 µs dans certains cas. ) Ouverture : n importe quel poste de travail des locaux SOLEIL pourra accéder au système de contrôle-commande. Cela concerne en particulier les expérimentateurs pour le contrôle des insertions depuis les cabanes d expérience. A l inverse, les utilisateurs du système de contrôle auront accès aux moyens informatiques généraux de SOLEIL, dont les moyens de calcul situés en salle informatique du bâtiment central. Depuis leurs postes de conduite en salle de contrôle, les opérateurs visualiseront l état du système de sécurité SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 11/45

12 du personnel ou du système de GTC 1 et demanderont éventuellement certaines actions. Enfin, des progiciels intégrés tels que LabView pourront communiquer avec le système. ) Evolutivité : on pourra changer les caractéristiques des équipements à contrôler ou de leurs entrées/sorties, ajouter de nouveaux équipements ou des entrées/sorties, en supprimer, sans se heurter à des limitations du système, telles que nombre de nœuds ou nombre de points de contrôle. De même, le nombre de synoptiques ou la profondeur de détails ne seront pas limités. ) Facilité d utilisation : il sera judicieux d uniformiser la présentation des synoptiques, la signification des couleurs (en particulier pour les alarmes), d utiliser des unités standards ou universellement acceptées Séquences de commandes et synoptiques seront modifiables facilement (et en toute sécurité) par des non-informaticiens Outils à prévoir La division Informatique fournira à la division Sources les outils décrits ci-après, et assurera la formation et l assistance pour leur utilisation. ) Affichage : pour la construction de synoptiques animés, à base d éléments de type boutons, menus, ascenseurs, textes, graphiques,... Il s agira de synoptiques de commande pour les opérateurs, de synoptiques d affichage distribués sur des moniteurs dans les locaux SOLEIL. On disposera de synoptiques synthétiques et de synoptiques de détails. ) Courbes en temps réel : pour suivre en temps réel l évolution plus ou moins lente d une ou plusieurs variables, avec glissement automatique de l intervalle de temps visualisé. Ces courbes pourront être intégrées dans des synoptiques. ) Gestion des séquences : pour la commande des équipements. Cet outil devra inclure des fonctionnalités de démarrage, d arrêt et de mise au point de séquences hiérarchisées d actions, de mise en manuel et en automatique, ) Gestion des alarmes : pour détecter, filtrer en fonction du contexte et signaler les alarmes. La détection se fera sur changement d état de variables de type tout ou rien, sur dépassement de seuil de variables analogiques,... Les seuils seront paramétrables. Il pourra y avoir des alarmes conditionnelles, par exemple «si dépassement de seuil d une variable et changement d état d une autre». Plusieurs niveaux hiérarchiques d alarmes seront définis en fonction du degré de gravité : avertissement, erreur, erreur fatale, ) Archivage : l état des différents équipements sera enregistré en continu et conservé sur toute la durée de vie de l installation, sur disques magnétiques pour la dernière année et sur un support de sauvegarde pour les années précédentes. On pourra configurer les variables et paramètres à archiver, les cadences individuelles d archivage et le mode d archivage (périodique, sur changement d état ou dépassement de valeur). Il sera possible de restaurer l état à un instant donné pour effectuer un traitement, visualiser un synoptique, une courbe, On pourra également rejouer le comportement de variables sur une plage de temps antérieure donnée. Ces fonctions seront accessibles sans changer d environnement. ) Gestion des paramètres : pour interroger et mettre à jour la base de données des équipements de l installation qui regroupera tous leurs paramètres, comme les valeurs de calibration. 1 GTC = Gestion Technique Centralisée pour le contrôle de la climatisation, de l électricité,, cf. chapitre VIII SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 12/45

13 ) Journal de bord : pour avoir une trace de toutes les actions demandées et de toutes les alarmes détectées. Elles seront enregistrées dans un ou plusieurs fichiers type journal de bord. Les informations suivantes seront renseignées : heure, intitulé de la commande ou de l alarme, et, dans le cas d actions, demandeur et localisation du poste. L outil permettra d exploiter ces journaux : affichage, recherche mono-critère (date, plage de date, type d alarme...) ou multi-critères. ) Analyse d incident : pour analyser a posteriori le comportement de variables sélectionnées en cas d alarme, sur une plage de temps courte encadrant l incident. A toute variable, on pourra associer une zone de mémorisation de ses valeurs à cadence configurable, typiquement 10 Hz sur quelques dizaines de secondes. Pour quelques signaux, une analyse plus fine sera possible via des cartes d acquisition adaptées (cf. paragraphe 3.1.2). ) Corrélation : pour pouvoir corréler le comportement de plusieurs signaux datés avec précision. ) Configuration : pour installer et maintenir les différents logiciels et matériels du système de contrôle-commande. Tous ces outils seront munis de fonctions d aide en ligne et d impression Architecture informatique Nous nous sommes interrogés sur la possibilité de choisir une solution du commerce. Cependant, ce type de solution ne couvre pas tous les besoins, en termes de : ª précision des mesures supérieure à 16 bits ; ª temps de réponse inférieur à 1 ms ; ª synchronisation des mesures ; ª débit supérieur à 1 Mo/s. L installation suisse en construction, SLS, face à la même problématique, a consulté des industriels du contrôle qui ont déclaré forfait devant les performances exigées. Par ailleurs, il est indispensable de conserver la maîtrise du système en interne pour pouvoir en assurer maintenance et évolutions. Par conséquent, le système de contrôle-commande de SOLEIL s appuiera sur le système TACO développé à l ESRF, qui sera amélioré en fonction de l avancée technologique : bus de terrain au lieu de liaison série pour relier les équipements déportés comme les alimentations, les équipements du vide et les automates ; progiciels industriels d interface hommemachine Une collaboration a donc été mise en place avec les Services Informatiques de l ESRF, cf. référence [INFO/09] Principes logiciels et matériels Le produit TACO est un logiciel distribué et orienté-objet qui a été développé à l ESRF, cf. référence [INFO/10]. Il est libre d utilisation et, pour la majeure partie de ses modules, téléchargeable par le réseau Internet. Il fonctionne sous systèmes d exploitation Unix (HP et SUN), Linux, Windows NT, OS9 et VxWorks. Son principe est schématisé sur la figure : ) Les objets, dits devices, symbolisent des équipements matériels ou des ensembles d équipements matériels. SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 13/45

14 ) Les applications gestionnaires d équipements, dites device servers, contrôlent directement les équipements via leurs entrées/sorties. ) Les applications clientes, séquences de commandes, menus, synoptiques, accèdent aux applications de contrôle soit par interrogation directe (cas du client 1), soit via une mémoire partagée rafraîchie périodiquement (cas du client 2). Une interface de programmation DSAPI, C et C++, permet d accéder aux informations des équipements de façon transparente. La mémoire partagée est maintenue par une application cliente dédiée dite data collector. ) Un gestionnaire d applications, dit manager, supervise leur fonctionnement. Les communications entre applications sont basées sur les mécanismes RPC 2. Manager Device 1 Device Server Client 1 Device 2 Device Server Client 2 Device 3 Device Server Data Collector Device 4 Mémoire figure : Architecture logicielle de principe du système TACO de l ESRF Une nouvelle version du système, baptisée TANGO 3, est en cours de développement à l ESRF, cf. référence [INFO/11] et document 4 de la référence [INFO/09]. Basée sur les mécanismes standards CORBA 4 et compatible avec le langage JAVA, elle permettra de s affranchir du type de plate-forme matérielle. Elle apportera aussi des nouveautés comme la transmission d informations sur événement aux applications clientes. Le système de contrôle de SOLEIL s appuiera sur ces évolutions. A condition d utiliser des matériels supportés par l ESRF, SOLEIL pourra reprendre des applications device servers développées pour l ESRF : par exemple pour les cartes d entrées/sorties, liaisons séries, GPIB. De même, certaines applications clientes pourront être utilisées si elles correspondent aux besoins de SOLEIL. Autour du produit TACO, l ESRF dispose déjà d outils réutilisables pour SOLEIL, dont : ª archivage basé sur Oracle proposant plusieurs modes paramétrables, cf. référence [INFO/12] ; 2 RPC = Remote Procedure Calls 3 TANGO = TACO New Generation Objects 4 CORBA, Common Object Request Broker Architecture, est un standard industriel d interopérabilité dans un environnement informatique distribué. Il est spécifié par l OMG, Object Management Group. SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 14/45

15 ª relecture des données archivées, cf. référence [INFO/12] ; ª analyse d incidents développée dans le cadre de la RF, cf. document 4 de la référence [INFO/09] ; ª gestion des paramètres avec une base de données ndbm sous Unix. Les affichages de l ESRF sont basés sur X11/Motif et sur les produits graphiques PHIGS. Le générateur d interface homme-machine LOOX a aussi été utilisé, par exemple pour les alimentations du booster. TACO supporte une architecture matérielle à deux ou trois niveaux suivant la complexité de l installation à piloter. L architecture retenue pour le système de contrôle-commande de SOLEIL est une architecture à 3 niveaux, similaire à celle de l ESRF, cf. figure affichages Postes de pilotage Archivage, Paramètres Développement, Rechange niveau 3 Réseau de contrôle (Ethernet) Serveurs de process Réseau de site niveau 2 Synchro Ethernet Entrées/Sorties équipements Frontaux Bus de terrain Contrôleurs d équipements niveau 1 figure : Architecture matérielle de principe du contrôle-commande de SOLEIL Chaque niveau a été dimensionné au vu des équipements à contrôler et des réalisations sur les installations existantes, comme l ESRF ou le LURE Niveau 1 Au premier niveau, le plus proche des équipements, se trouvent les frontaux de contrôle. Ils sont connectés aux équipements soit par des modules d entrées/sorties directement intégrés dans les frontaux, soit par des contrôleurs déportés au plus près des équipements via un bus de terrain. Les device servers de TACO sont implantés dans ces frontaux Frontaux de contrôle Dans l état actuel de la technique, nous prévoyons des frontaux de contrôle au standard VME, sans disque et sous système d exploitation temps réel VxWorks, de la société WindRiver i. Le système d exploitation et les programmes d application ( device servers ) leur seront téléchargés via le réseau. SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 15/45

16 Le standard VME est une architecture performante et éprouvée qui offre une large gamme de processeurs et de cartes d entrées/sorties. D autres architectures seraient possibles : en particulier, l architecture CompactPCI occupe un marché croissant et pourrait présenter une alternative. Cependant, elle manque encore de maturité (on rapporte des problèmes de compatibilité entre fournisseurs) et présente certaines restrictions par rapport au VME (nombre de cartes plus limité, pas de multi-processing). Le système de contrôle-commande de l ESRF est également basé sur des frontaux VME, mais sous système d exploitation OS9. Ce système leur pose des difficultés en environnement multi-processeur. Nous avons donc préféré nous orienter vers VxWorks. Supporté par TACO, il offre un très bon environnement de mise au point, permet de travailler au plus près des équipements et gère le multiprocessing. Les frontaux de contrôle seront répartis autour de l anneau et du booster dans le hall expérimental intérieur, près des têtes de lignes dans le hall expérimental extérieur, dans les salles alimentations, les locaux des déviateurs magnétiques rapides, et près des installations Linac et RF. tableau : Répartition des frontaux de contrôle Installation Equipements Frontaux VME Linac Tous sauf ceux du canon à la HT 1 éventuellement Canon (équipements à la HT) 1 regroupés sur un LT1 Tous 1 seul frontal Booster Alimentations pulsées 1 Alimentations continues 1 RF 1 Vide + hydraulique 1 Diagnostics 1 Eléments pulsés injection/extraction 1 LT2 Tous 1 Anneau Alimentations DPôles et SPôles 1 Correcteurs 1 Vide + Hydraulique + QPôles 16 RF 1 Eléments pulsés injection/extraction 1 Diagnostics 4 Sécurité du personnel sur les Sources 1 Têtes de ligne Vide + moteurs insertions 16 et insertions Divers Contrôle des frontaux 1 Total 52 Pour le Linac, il est envisagé de dédier un frontal au pilotage des équipements à la haute tension. Une alternative pourrait être de regrouper toutes les fonctions sur un seul frontal Linac et d y relier les entrées/sorties à la haute tension via fibres optiques, comme à l ESRF. Cela réduirait le nombre de frontaux nécessaires à 51. Certains frontaux gérant des applications sensibles, telles les alimentations du booster, seront secourus par onduleur. En ce qui concerne les acquisitions de signaux vidéo, il existe peu de solutions VME sur le marché. L ESRF a d ailleurs développé une carte spécifique. En revanche, les architectures de type PC industriel offrent d excellentes solutions pour ce type d applications. Une étude devra être menée pour en sélectionner une qui réponde aux besoins de SOLEIL et puisse être interfacée au système de contrôle-commande et à TACO. SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 16/45

17 Entrées/sorties directes et déportées Les entrées/sorties seront normalisées : 0/24V pour les niveaux numériques, -10V/+10V différentiel pour les signaux analogiques. Elles seront gérées soit directement par les frontaux VME via des cartes d entrées/sorties intégrées soit par des contrôleurs d équipements déportés. Les frontaux de contrôle seront donc équipés de cartes d entrées/sorties de contrôle tout ou rien, numériques et analogiques, et de cartes d acquisitions continues rapides avec mémorisation sur signal de trigger. Un modèle de chaque type de carte sera standardisé. Le chiffrage des coûts est basé sur des cartes de la société ADAS ii qui sont utilisées entre autres à l ESRF, cf. référence [INFO/14] : ª ICV196 : entrées/sorties numériques ; ª ICV150 : entrées analogiques ; ª ICV712 : sorties analogiques ; ª ICV101 : cartes d acquisition 1 MHz avec mémorisation et fonctions trigger. Plusieurs variantes existent selon le nombre de bits significatifs nécessaires. Les frontaux seront également équipés de cartes de liaisons pour connecter des entrées/sorties déportées intelligentes ou non. Pour cela, la technologie bus de terrain a été retenue. Il existe plus d'une vingtaine de bus sur le marché. Les études conduisent à mettre en avant les bus WorldFIP et CAN, cf. référence [INFO/13]. Le premier est utilisé au CEA, en particulier à Saclay, et a été choisi pour le Laser Méga-Joule. Le second est utilisé dans d autres installations synchrotron, comme BESSY et SRS, et a été choisi pour SLS. L un comme l autre ont été retenus par le CERN pour l installation LHC. Le chiffrage des coûts est basé sur du matériel compatible CAN de la marque SELECTRON iii, étudié au LURE. Certains équipements seront fournis avec des contrôleurs intégrés. Les fournisseurs proposent souvent de les connecter aux frontaux via liaison série ou GPIB. Cela peut poser des problèmes de mise au point et de fiabilité, comme à l ESRF. Il serait préférable que ces contrôleurs soient compatibles avec les bus de terrain sélectionnés. Ce n est pas le cas aujourd hui des équipements du vide, mais des fournisseurs comme VARIAN y réfléchissent Synchronisation et datation des mesures Les frontaux recevront les signaux de synchronisation émis par la RF via fibres optiques et les décoderont au moyen de cartes appropriées. La datation des mesures sera effectuée par les frontaux qui recevront, via le réseau, l heure précise à 1 ms. Cette heure sera acquise par GPS par un serveur de temps NTP. Quand une meilleure précision sera nécessaire, les frontaux concernés seront équipés d une carte de réception GPS, jusqu à 1 µs de précision, cf. [INFO/15] Niveau 2 Au second niveau, trois serveurs de process supporteront les applications clientes de TACO chargées de superviser et de coordonner le fonctionnement des frontaux de contrôle (séquences de commande, calculs, ). Le premier supervisera les frontaux du Linac, du booster et des lignes de transfert ; le second les frontaux de l anneau ; le troisième les têtes de lignes et les insertions. Ils seront installés en salle des calculateurs au rez-de-chaussée du cœur du bâtiment synchrotron. SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 17/45

18 Le chiffrage budgétaire, cf. référence [INFO/16], est basé sur des serveurs UNIX : serveurs bi-processeurs HP iv, similaires à ceux utilisés à l ESRF. Des variantes pourront exister avec Linux et Windows NT quand tous les modules de TACO seront disponibles sous ces systèmes d exploitation. Il faudra alors considérer ces options en fonction des performances obtenues et des facilités de maintenance : en particulier, on pourrait envisager une architecture matérielle de type PC. Cependant, il faut prendre garde que, si ce type d architecture peut être moins coûteux, le matériel est très rapidement obsolète Niveau Interface opérateur L interface opérateur, en salle de contrôle (située au premier étage dans le cœur du bâtiment synchrotron), sera composée de : ) 5 moniteurs d affichage : disposés en hauteur sur un mur de la salle de contrôle, ils reproduiront des synoptiques d information sur l état de l installation. Certains de ces affichages seront relayés par le circuit de diffusion vidéo dans les bâtiments, cf. chapitre VIII. ) 3 postes de pilotage pour les opérateurs : ils seront composés chacun de 3 stations avec écrans de très bonne résolution. Là encore, l évaluation est basée sur des postes sous UNIX. Ces postes supporteront les applications clientes TACO type menus, synoptiques. Nous prévoyons de sélectionner un générateur d interface homme-machine pour écrire des synoptiques et menus de commande efficaces et conviviaux. ) 1 poste sécurité : il sera composé d une station de même type que celles des postes de pilotage ci-dessus. Les salles de contrôle secondaires, type Linac, seront équipées de postes de pilotage plus compacts composés d une seule station Archivage et gestion des paramètres Un serveur de données archivées et de paramètres sera situé en salle des calculateurs. Il sera équipé d une unité de stockage sur disques sécurisés et de moyens de sauvegarde type DLT 5. Une base de données sera installée pour gérer données et paramètres. Elle pourra être interfacée avec la base de données techniques du bureau d étude, cf. paragraphe 6.4. La base de données Oracle a été utilisée pour l évaluation des coûts. Les fonctionnalités offertes par l outil de rejeu développé à l ESRF devront probablement être étendues Réseau de contrôle Un réseau de type Ethernet TCP/IP reliera les postes opérateur, les serveurs de process et d archivage, et les frontaux de contrôle. La technologie actuelle a conduit au choix d un réseau Ethernet 10 et 100 Mbps de type commuté, qui offre une meilleure bande passante, cf. paragraphe Le réseau aura une topologie de type étoile avec deux niveaux de concentration. Deux commutateurs principaux situés en salle des calculateurs desserviront des commutateurs 5 DLT = Digital Linear Tape SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 18/45

19 secondaires ou des concentrateurs installés dans des coffrets de raccordement répartis autour de l installation : ª dans le hall expérimental intérieur : 8 coffrets à la périphérie de l anneau de stockage, 4 autour du booster, 1 près du Linac. ª dans le hall expérimental extérieur : 16 coffrets pour les expériences qui devront accéder directement au système de contrôle. ª dans les locaux alimentations, RF, fluides, DMR, laboratoire de conduite et salle de contrôle : 12 coffrets au total. Les commutateurs principaux seront soit des commutateurs de niveau 2 interfacés aux autres réseaux (site, expériences) via un routeur, soit des commutateurs de niveau 3 intégrant la fonctionnalité routeur. Ces deux solutions permettent de sécuriser l accès au système de contrôle depuis les autres sous-réseaux de SOLEIL. La deuxième solution est plus performante mais un peu plus onéreuse aujourd hui. Le précâblage est pris en compte dans le programme Bâtiments (cf. chapitre VIII), du commutateur principal jusqu aux coffrets de raccordement : chaque coffret sera raccordé au commutateur principal par fibres optiques doublées et, dans la mesure du possible, via deux cheminements différents. L évaluation budgétaire, cf. référence [INFO/16], est basée sur des équipements réseau de la marque CISCO v de la gamme CATALYST, cf. document 1 de la référence [INFO/29]. Tous les commutateurs et concentrateurs seront administrables à distance. 4. CONTROLE ET ACQUISITION DES EXPERIENCES Le système informatique des Expériences permettra de contrôler les équipements des expériences, d acquérir les données expérimentales et d effectuer des prétraitements pour vérifier rapidement la qualité des données acquises. En revanche, le stockage des données expérimentales, leur analyse et leur traitement en temps différé seront réalisés grâce aux moyens de l informatique scientifique, cf. paragraphe 5. Dans le cadre de sa mission de support, la division Informatique affectera à chaque ligne d expériences un interlocuteur dédié qui aura en charge leur suivi informatique Synthèse des besoins Le système informatique des expériences sera utilisé par : ª le personnel de la division Expériences : expérimentateurs et supports techniques ; ª les expérimentateurs en provenance de laboratoires privés ou publics, français ou étrangers. Il est prévu 2 à 3000 utilisateurs extérieurs par an. L installation est dimensionnée pour quarante lignes potentielles. Vingt-quatre d entre elles sont prévues au programme de construction de SOLEIL. Les expériences qu elles hébergeront mettront en oeuvre diverses techniques, cf. chapitre V. On peut citer : ª les expériences de spectroscopie, qui bénéficieront du haut flux et de la brillance des onduleurs de SOLEIL et utiliseront des détecteurs multi-dimensionnels ; ª les expériences d imagerie, dont le développement sera favorisé par le fonctionnement «haute brillance» de SOLEIL et qui nécessiteront de hautes résolutions spatiales ; SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 19/45

20 ª les expériences de coïncidence qui exploiteront le mode de fonctionnement «structure temporelle» de SOLEIL (impulsions de quelques dizaines de picosecondes séparées de moins d une microseconde) ; ª les expériences de biocristallographie qui produiront d importantes quantités de données. Il est encore trop tôt pour pouvoir caractériser leurs besoins dans le domaine informatique aussi finement que ceux des Sources. Pour cela, une étude approfondie devra être menée en temps voulu avec chaque responsable de ligne. Toutefois, au vu des installations actuelles comme le LURE ou l ESRF, il est d ores et déjà possible de les résumer en grande partie : Contrôle Le système informatique des Expériences permettra aux expérimentateurs de contrôler les différents équipements de leurs expériences. Il pourra s agir de : ª monochromateurs ; ª optiques ; ª analyseurs multi-canaux ; ª caméras CCD ; ª divers équipements spécifiques à l expérience. Ce sont surtout des moteurs et des compteurs qui seront mis en jeu. Dans la mesure du possible, les moteurs seront de type pas à pas, cf. référence [INFO/17]. Pour piloter ces équipements, on retrouvera les mêmes types d entrées/sorties que pour le contrôle des Sources. Précision et cadence des mesures de contrôle ne seront pas sensiblement différentes. Par ailleurs, le système informatique des Expériences permettra aux expérimentateurs d accéder rapidement au système informatique de contrôle des Sources pour : ª suivre en temps réel l état de l installation ; ª contrôler localement les insertions ; ª piloter le gap des onduleurs. Les actions possibles seront limitées à celles autorisées par les opérateurs de la salle de contrôle Enfin, le système informatique des Expériences offrira des facilités de synchronisation, en particulier pour coordonner le mouvement des monochromateurs avec celui des insertions. Comme dans le cas des Sources, la sécurité du personnel et du matériel sera assurée par des dispositifs extérieurs à l informatique : systèmes câblés et automates programmables Acquisition et prétraitement des données expérimentales Chaque expérience aura des besoins spécifiques en terme d acquisition des données expérimentales. Toutefois, on retrouvera souvent des éléments communs. Les expériences pourront mettre en oeuvre des mesures de type : ª mesures au vol sur un signal de trigger ; ª comptages, par exemple pour la détection multi-dimensionnelle ; ª histogrammes ; ª images issues de caméras SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 20/45

21 SOLEIL est optimisée pour fournir un faisceau de très bonne durée de vie : 18 à 20 heures selon les modes de fonctionnement. De ce fait, beaucoup d expériences feront des mesures sur des temps longs, plusieurs heures, ou mettront en œuvre une détection séquentielle. Certaines expériences pourront produire des mesures à cadence très rapide, inférieure à la microseconde, pendant des temps de quelques dizaines de millisecondes, et ce de façon répétitive. Quand l intervalle entre mesures sera trop réduit (c est le cas par exemple des expériences de coïncidence), elles devront s accompagner d une électronique performante pour mémoriser les mesures et les présenter au système informatique des Expériences à cadence raisonnable. Les mesures une fois acquises seront visualisées en temps réel, et prétraitées grâce à des programmes de dépouillement souvent propres à l expérience. Les moyens de visualisation et de prétraitement devront être situés à proximité des expériences de façon à ce que les expérimentateurs puissent vérifier rapidement la qualité des données Caractéristiques nécessaires Le système informatique des Expériences sera très modulaire de façon à pouvoir construire une solution pour chaque expérience à partir de composants aussi standards que possible. Il présentera les mêmes caractéristiques que le système informatique de contrôle-commande des Sources. Une attention particulière sera portée aux aspects de : ) Sécurité : chaque ligne d expériences verra se succéder quantité d utilisateurs différents qui auront plus ou moins de connaissances de l outil informatique. ) Evolutivité : les expériences et donc les équipements mis en jeu seront susceptibles de fréquentes modifications. Leur contrôle devra donc être adapté. De même, les programmes d acquisition et de prétraitement doivent pouvoir évoluer. ) Ouverture : il sera fréquent de devoir intégrer, de façon provisoire ou non, des équipements supplémentaires provenant d autres laboratoires ou du commerce. Ces équipements sont généralement interfacés via des liaisons de type série ou GPIB. Des outils similaires à ceux du système informatique de contrôle des Sources seront nécessaires. On peut ajouter que, compte tenu des fréquentes modifications des expériences, il sera indispensable de disposer d une interface utilisateur très facile d utilisation, dont un langage de commande de haut niveau Architecture informatique L architecture informatique de chaque expérience utilisera des composants matériels et logiciels similaires à ceux adoptés pour les Sources. Cela facilitera son installation, sa maintenance, ainsi que les communications avec le système informatique de contrôle des Sources Principes logiciels et matériels D un point de vue logiciel, le système informatique des Expériences sera basé sur TACO et supportera les mêmes outils que le système informatique de contrôle des Sources, cf. paragraphe Nous prévoyons aussi des outils de haut niveau orientés expériences : configuration des expériences, visualisation temps réel des données expérimentales. SOLEIL Rapport d APD Chapitre VI ASPECTS INFORMATIQUES Page 21/45

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