[论文解读] The Overview of the National Ignition Facility Distributed Computer Control System

L. Lagin, R. C. Bettenhausen+7 more|ArXiv.org|Nov 16, 2001

Laser Design and Applications参考文献 5被引用 10

一句话总结

本文介绍了国家点火装置（NIF）分布式计算机控制系统（ICCS）的设计与架构，该系统为分层的面向对象系统，采用基于CORBA的中间件，协调300个前端处理器（FEPs）及激光、诊断和工业系统中的59,000多个控制点。系统实现了30 ps的精确时间同步，用于光束对准和点火控制，软件采用Ada95和Java编写，并通过ATM网络支持500台摄像机的实时视频流传输。

ABSTRACT

The Integrated Computer Control System (ICCS) for the National Ignition Facility (NIF) is a layered architecture of 300 front-end processors (FEP) coordinated by supervisor subsystems including automatic beam alignment and wavefront control, laser and target diagnostics, pulse power, and shot control timed to 30 ps. FEP computers incorporate either VxWorks on PowerPC or Solaris on UltraSPARC processors that interface to over 45,000 control points attached to VME-bus or PCI-bus crates respectively. Typical devices are stepping motors, transient digitizers, calorimeters, and photodiodes. The front-end layer is divided into another segment comprised of an additional 14,000 control points for industrial controls including vacuum, argon, synthetic air, and safety interlocks implemented with Allen-Bradley programmable logic controllers (PLCs). The computer network is augmented asynchronous transfer mode (ATM) that delivers video streams from 500 sensor cameras monitoring the 192 laser beams to operator workstations. Software is based on an object-oriented framework using CORBA distribution that incorporates services for archiving, machine configuration, graphical user interface, monitoring, event logging, scripting, alert management, and access control. Software coding using a mixed language environment of Ada95 and Java is one-third complete at over 300 thousand source lines. Control system installation is currently under way for the first 8 beams, with project completion scheduled for 2008.

研究动机与目标

• 为国家点火装置（NIF）设计一个可扩展、容错的控制系统，实现在192束激光光束之间的精确同步。
• 将激光、诊断、脉冲功率和工业控制等不同子系统整合到统一的分布式架构中。
• 通过分层的面向对象软件框架，实现光束对准和点火控制的亚30 ps时间精度。
• 通过基于VxWorks和Solaris的FEP及PLCs，支持对超过59,000个控制点的实时监控与控制。
• 通过ATM网络支持500台摄像机的高带宽视频传输，将视频实时传送到操作员工作站。

提出的方法

• 系统采用分层架构，300个前端处理器（FEPs）运行VxWorks或Solaris，通过VME或PCI总线连接45,000个控制点。
• 工业控制（如真空系统、安全联锁）由14,000个额外控制点通过Allen-Bradley PLCs管理。
• 基于CORBA的面向对象中间件框架提供配置、日志记录、脚本执行、警报管理及图形用户界面等服务。
• 500台摄像机的实时视频通过异步传输模式（ATM）网络传输至操作员工作站。
• 软件在Ada95和Java混合环境中实现，代码量达约30万行，在系统完成三分之一时已实现。
• 主管子系统以30 ps时间分辨率协调光束对准、波前控制、诊断和点火控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大型聚变实验设施中，如何实现192束激光光束之间的30 ps时间精度？
• RQ2 何种架构方法可将异构控制设备（FEP、PLC、传感器）整合到统一系统中？
• RQ3 如何高效传输并显示500台摄像机的实时视频以供操作员监控？
• RQ4 基于CORBA的中间件在实现可扩展、安全且可扩展的控制服务中发挥何种作用？
• RQ5 如何在Ada95与Java混合编程环境下，通过一致的软件工程实践开发大规模控制系统？

主要发现

• ICCS架构成功协调了300个前端处理器及激光、诊断和工业子系统中的超过59,000个控制点。
• 系统实现了光束对准和点火控制的30 ps时间精度，这对惯性约束聚变实验至关重要。
• 通过ATM网络基础设施，500台摄像机的实时视频可靠地传输至操作员工作站。
• 基于CORBA的中间件框架为分布式组件之间的配置、日志记录、脚本执行和访问控制提供了稳健支持。
• 在系统完成约三分之一时，已实现超过30万行Ada95与Java代码，表明系统集成工作进展顺利。
• 系统已开始安装前8束激光，整个项目预计于2008年完成。