[論文レビュー] Design and Performance Analysis of a Non-Standard EPICS Fast Controller

J. Jugo, Mikel Eguiraun+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、粒子加速器における高性能制御を実現するため、NI PXIeハードウェアを用いたLabVIEW RTベースのEPICSファストコントローラを提案している。このアプローチは、カスタムゲートウェイを介してリアルタイム信号処理とEPICS統合を可能にし、標準EPICS IOCsと同等の性能を達成するが、80台を超える同時モニタ負荷がかかると不安定になる傾向を示している。

ABSTRACT

The large scientific projects present new technological challenges, such as the distributed control over a communication network. In particular, the middleware EPICS is the most extended communication standard in particle accelerators. The integration of modern control architectures in these EPICS networks is becoming common, as for example for the PXI/PXIe and xTCA hardware alternatives. In this work, a different integration procedure for PXIe real time controllers from National Instruments is proposed, using LabVIEW as the design tool. This methodology is considered and its performance is analyzed by means of a set of laboratory experiments. This control architecture is proposed for achieving the implementation requirements of the fast controllers, which need an important amount of computational power and signal processing capability, with a tight real-time demand. The present work studies the advantages and drawbacks of this methodology and presents its comprehensive evaluation by means of a laboratory test bench, designed for the application of systematic tests. These tests compare the proposed fast controller performance with a similar system implemented using an standard EPICS IOC provided by the CODAC system.

研究の動機と目的

• COTS PXIeハードウェアとLabVIEW RTを用いた、高パフォーマンスでリアルタイムな制御アーキテクチャの開発。
• カスタム通信ゲートウェイを介して、LabVIEWベースのコントローラをEPICSネットワークにシームレスに統合すること。
• 提案されたアーキテクチャのパフォーランスと耐障害性を、標準EPICS IOC実装と比較して評価すること。
• 特に高PVおよびモニタ負荷下でのスケーラビリティの限界を特定し、緩和戦略を提案すること。

提案手法

• FPGAおよびRTモジュールを備えたNational Instruments PXIeハードウェアを用いたリアルタイムコントローラの実装。
• LabVIEW Real-Time (RT) 内部にEPICS Channel Access (CA) サーバを構築し、EPICSネットワークとの直接通信を実現。
• LabVIEWベースの制御論理を完全なEPICS IOCとして公開するための通信ゲートウェイの設計。
• LabVIEWのDSC（Distributed Shared Memory）モジュールを活用し、EPICS PVおよびモニタイベントを管理。
• 標準CODACベースのEPICS IOCと比較するためのラボテストベンチの構築。
• PV数、getリクエスト、および同時モニタ接続数を変化させた負荷テストによるベンチマーク。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LabVIEW RTベースのファストコントローラのパフォーマンス（遅延およびスループット）は、標準EPICS IOCと比べてどの程度か？
• RQ2 高数のPVおよび同時モニタがかかる状況下で、LabVIEW EPICSサーバのスケーラビリティの限界は何か？
• RQ3 LabVIEWベースのシステムは、大規模加速器制御に適した信頼性の高いリアルタイム動作を達成できるか？
• RQ4 LabVIEWベースのシステムの初期化時間は、標準EPICS IOCのデプロイメントと比べてどの程度か？
• RQ5 LabVIEW EPICS統合における主なパフォーマンスボトルネックは何か、そしてそれらをどのように緩和できるか？

主な発見

• 提案されたLabVIEWベースのコントローラは、通常の制御ワークロードにおいて、標準EPICS IOCsと同等のパフォーマンスを達成している。
• 1つのコントローラで最大16,000 PVをサポートでき、ベースライン設定の8倍のスケーラビリティを実現している。
• 1回のgetリクエストあたり180 PVまで処理可能であり、パフォーマンス劣化を示さない。
• 80台を超える同時EPICSモニタがかかると、LabVIEWベースのシステムに不安定性が生じ、データリクエスト中にランダムなフリーズが発生する。
• LabVIEWベースのソリューションの初期化時間は、標準EPICS IOCよりも長い。
• ゲートウェイアーキテクチャにより、EPICS統合が透明に実現され、将来的なモニタスケーラビリティ向上のための拡張が可能である。