Computational Controls of Accelerators (CDL4)
Leiter des CDL4: Prof. Dr. Görschwin Fey, Dr. Holger Schlarb
Komplexe Steuerungsprozesse in Großanlagen, zum Beispiel für die Fertigung von Produkten oder zur Durchführung wissenschaftlicher Experimente, werden heute mittels einer vielschichtigen stark verteilten Hardware-Software-Architektur betrieben. Hierbei fallen durch die große Anzahl von Sensoren, Steuergeräten und weiterer Infrastruktur große Datenmengen an. Aufgrund der Anforderungen des zugrunde liegenden physikalischen Prozesses müssen diese Daten in hoher Geschwindigkeit verarbeitet und zur Regelung des Prozesses eingesetzt werden. Konfiguration und Betrieb beruhen auf umfangreichem Expertenwissen. Dabei wird jedoch nur ein geringer Teil der verfügbaren Daten berücksichtigt und zielführend eingesetzt.
Das CDL Computational Control of Accelerators wird am Beispiel des Kontroll- und Regelungssystems des European XFEL (EuXFEL) und möglicher Erweiterungen die Prozesskontrolle als „Big Data“-Problem betrachten und neuartige Ansätze zur Optimierung, Diagnose, Kontrolle und Wartung erarbeiten. Ziele dabei sind zum Beispiel die Erhöhung der Präzision von wissenschaftlichen Instrumenten sowie der Verfügbarkeit des Gesamtsystems.
Im Falle von EuXFEL ist die Rechner-Infrastruktur über 3 Kilometer verteilt und besteht aus 300 Rechnereinheiten, die bis zu 30 TByte an Rohdaten pro Tag erzeugen. Jede Recheneinheit selbst besteht aus zahlreichen Mikrocontrollern für die Datenakquise und Aktuator-Steuerung. Über dieser Frontend-Layer arbeitet eine Middle-Layer vornehmlich in Software, die die Regelung übernimmt. Auf Applikationsebene werden Nutzerdaten, z.B. von Bildgebungssensoren schließlich ausgewertet und genutzt.
Zur Regelung müssen Daten in Echtzeit verarbeitet werden. Nur durch eine effiziente dezentrale Vorverarbeitung kann ein vollständiges Bild erreicht werden. Gleichzeitig müssen Reaktionszeiten von unter 0.01 ms erreicht werden. Aufgrund nicht vollständig kontrollierbarer Umweltbedingungen verändern sich die Abhängigkeiten zwischen Gerätekonfiguration und Qualität ständig, so dass kontinuierliches Nachjustieren der Einstellungen notwendig ist.
Mitarbeiter CDL4
Dr. Ahmad Al-Zoubi, Technische Universität Hamburg
Dr. Antonin Sulc, DESY
Beteiligte Arbeitsgruppen
Dr. Annika Eichler, DESY, Machine Beam Controls
Dr. Holger Schlarb, DESY, Machine Beam Controls
Prof. Dr. Görschwin Fey, TUHH, Institut für Eingebettete Systeme
Dr. Tim Wilksen, DESY, Accelerator Control System
Assoziierte Arbeitsgruppen
Prof. Dr. Tobias Knopp, TUHH, Institut für Biomedizinische Bildgebung