Největší stroj na světě

Tags: CERN | Dassault | PLM

Úvod s představením instituce CERN

Slajdy budou anglické, ale doufám, že moje vysvětlení bude dostačující. Pocházím ze Slovenska a pracuji v CERNu na pozici CAD Support. Jsem rád, že se dnes s vámi mohu podělit o to, jak postavit největší stroj na světě. Povězme si na úvod něco o CERNu.

CERN se může pyšnit několika nej... Je to nejstarší laboratoř částicové fyziky na světě, byl založen roku 1954 a patří mezi první instituce, které spojovaly Evropu. Přes 2000 zaměstnanců a 10 tisíc vědců pravidelně navštěvujících CERN pracuje v největší laboratoři tohoto druhu na světě. Spolupráce mezi zeměmi není ohraničená Evropou. V současnosti více jak 80 zemí, jak vidíme na mapě (obr. 1) , z celého světa se podílí na výzkumu v CERNu. Jako členské státy jsou zastoupeny i Česká a Slovenská republika. Udávaný počet zaměstnanců českých a slovenských institucí se liší od skutečného počtu zaměstnanců a vědců české a slovenské národnosti. Je větší, hlavně Slováků. CERN je poháněný dávnou touhou po poznání. Kdo jsme, odkud jsme přišli a kam jdeme. Cílem CERNu je zodpovědět základní otázky, například jak vznikl vesmír, proč ještě stále existuje, nebo proč částice mají hmotnost. Na cestě za poznáním bylo v CERNu nalezeno mnoho technologií, které byly revoluční i samy o sobě. Například roku 1989 Tim Berners-Lee vynalezl World Wide Web. Nepleťte si to s internetem. World Wide Web je vlastně pospojování mnoha dokumentů pomocí hyperlinků. CERN je kolébkou mnoha dalších vynálezů a inovací. Například v materiálech a elektronice. Ale i vylepšená metoda léčby rakoviny byla vynalezena právě v CERNu. A navzdory tomu, co tvrdí Dan Brown ve své knize Andělé a démoni, pokud to někdo četl, nemáme tam žádné superletadlo, ale je pravda, že vyrábíme antihmotu. Normálně jsem letěl se Swiss Air.

Large Hadron Collider

Všichni o něm hovoří, málo lidí ho vidělo, ale někteří úplně nechápou – Large Hadron Collider (LHC). Spuštěný v roce 2008, je vlajkovou lodí CERNu. Právem drží titul největší stroj na světě. Skládající se z miliónů hi-tech komponentů, délkou 27 kilometrů a předpokládanou životností 25 let je určitě i nejkomplexnějším strojem na světě. Pokud někdo zná coolovější stroj, ať mi pošle e-mail (michal.mlynarcik@cern.ch).

A takto to nějak vypadá pod zemí (obr. 2). Zobrazené město je švýcarská Ženeva a to modré je Ženevské jezero. Je zde dobře vidět i poloha čtyř hlavních experimentů.

Vidíme Atlas, CMS, ALICE a LHC. Ale myslím si, že další fotografie (obr. 3) víc napoví o rozměrech. Vystihuje právě rozměry. Pro orientaci – hlavní sídlo CERNu se nachází v bodě číslo 1. Ale CERN má i další sídla a budovy rozmístěné po celém areálu, hlavně pak po obvodu urychlovačů. Na označeném místě v bodě číslo 1 se nachází LHC experiment ATLAS. Je největší, ale ostatní detektory – to samé slovo pro experiment – velikostí nezaostávají. Všimněte si lidí na obrázku, jako referenci rozměrů. Ty barevné tečky tam. Pokud se vám model nezdá dost komplexní, realita je jiná. A když si představíme, že část je chlazena v tekutém héliu a to vše 100 metrů pod zemí a vystavené radiaci, nabízí nám to úplně nový rozměr.

LHC není jediným urychlovačem v CERNu. Máme tam celý řetěz urychlovačů, které závisí jeden na druhém. Jak se říká, řetěz je tak silný, jak je silný jeho nejslabší článek. Rekord drží PS (Proton Synchrotron) postavený v roce 1959. To znamená, že ho znali už od založení CERNu. Podotýkám, že všechny fungují výborně díky bezchybné péči.

Naše výzvy v Product Lifecycle Managementu

Padesát let je předpokládaná délka životního cyklu hlavních instalací v CERNu. To naráží i na biologické hranice lidského života. Znamená to, že pokud jedna generace stroj postaví, pracovat s ním a udržovat ho bude druhá generace. Jak si asi domyslíte, LHC nebo některého z jeho menších kolegů nekoupíte v obchodě, dokonce ani na eBayi. Mnoho komponentů je jedinečných a složitých. Také jejich výroba a montáž je náročná a finančně nákladná. Jako příklad používaného materiálu můžeme uvést hélium. V CERNu se využívá 140 tun super podchlazeného hélia, to jsou 2 % celého evropského trhu s héliem.

Kvalita má hlavní úlohu jednak kvůli vysokým požadavkům na stroje, ale hlavně kvůli komplexnosti. Mnohokrát jednou zabudované komponenty se stávají navždy nedosažitelnými, tak jak je tomu například u vesmírných družic. Jak už je jednou vystřelíme nahoru, nedají se opravit. Možná kromě Hubbleova teleskopu. Tady se často setkávají hranice technicky možného s požadavky vědců. Říká se, že je jednodušší mluvit jak udělat. Pokrok v technice dokáže způsobovat i problémy. Součástky, ze kterých byly postaveny urychlovače před padesáti lety, už dávno neexistují a nové nejsou kompatibilní. Proto musí mít technici přímý přístup k dokumentům z dávného období, aby mohli najít náhradní řešení, které zajistí perfektní chod celého řetězu urychlovačů, od těch nejstarších po ty nejnovější. V případě náhrady je často potřebné vytvořit součástku úplně od začátku.

Nepřetržitý provoz po dobu jeden a půl roku není maličkost. Kritické jsou poruchy, při kterých je nutné oteplení a opětovné podchlazení stroje. Cyklus oteplování a podchlazování trvá 3+3 týdny. Kromě vlastní opravy. Když si tuto skutečnost promítneme do časové osy, pokud se vyskytnou čtyři poruchy, tak je LHC vyřazen na celý rok. A tím pádem má CERN na krku 10 tisíc velmi nervózních vědců. Samozřejmě, že zařazení CERNU do kategorie nukleárních zařízení věci nezjednodušuje.

Product lifecycle management (PLM) systém v CERNu se nazývá EDMS. Ve skutečnosti není EDMS samostatným systémem, ale je to spíše platforma spojující různé aplikace postavené na komerčních systémech. Aplikace propojené s EDMS, naší PLM platformou, pokrývají spravování konstrukčních dat, sledování výroby, sledování instalace a zároveň i údržby technických prostředků v CERNu. Dva a půl miliónu dokumentů uložených v databázích, jako i 5400 aktivních uživatelů systému napovídají o rozměrech.

Právě probíhající rozšíření integrace mezi CATIA SmarTeam a EDMS, naší PLM platformou, zahrnuje publikování CAD dat a zároveň jejich prohlížení. Integrace využívá již existující schopnosti EDMS, jako jsou definované pracovní postupy workflow, management uživatelů a přístupová práva. Úložné kapacity a on-line dostupnost této platformy je zcela založena na webovém rozhraní. Sdílení dat probíhá pomocí propagování položek ITEM mezi PDM SmarTeam a ostatními aplikacemi pomocí EDMS platformy.

Můžeme to vidět na následné animaci (neumíme ji vložit do tištěné formy, nahradili jsme ji obr. 4), kde 3D data vložené do PDM SmarTeam a odhozená ITEM struktura je propagovaná do ostatních aplikací pomocí EDMS. Jak tyto struktury vznikají, si povíme později.

Výzvy pro náš CAD systém

Hlavními výzvami jsou přesnost, rozsah pokrytých disciplín mezinárodní spolupráce v multi-CAD prostředí. U začátků LHC projektu existovalo až 20 nástrojů, kterými byly dodávány informace. Neboli všechny tyto nástroje musely být integrovány.

Dále je to přesnost, respektive kvalita dat, která musí respektovat požadavky pro zátěžovou a termickou analýzu velmi senzibilních součástí, jako jsou vysokofrekvenční urychlovače, ale hlavně musí tuto přesnost udržet u sestav při délce několik kilometrů. Toto zabezpečujeme vícerými reprezentacemi modelů i víceúrovňovými skeletony. Zde vidíme (obr. 5) skeleton nejnovějšího urychlovače namodelovaného pouze v CATII, který má 80 metrů a je to jen jedna jeho část. Na této délce musí být udržena obrovská přesnost. CATIA, jako jediný úplně podporovaný CAD systém v CERNu, je využívaná ve více disciplínách a převážně splňuje jejich požadavky. Můžeme vidět jak modelování pudů – metalických struktur, chlazení, ventilace, tak i modelování vysokofrekvenčních urychlovačů, tzv. injektorů. Nenajdeme jediný větší komponent, který by vznikl bez spolupráce mezi vícerými instituty, respektive zeměmi.

Na obr. 6 můžeme vidět spolupráci na experimentu CMS, kde se nachází mnoho exotických zemí, jako Uzbekistán a Bělorusko. Neboli i takovéto země se podílejí na výzkumu v CERNu, nejsou vyloučeny. Z toho vyplývá i náročnost integrace dat generovaných různými CAD systémy. A náročnost výměny dat mezi CERNem a spolupracujícími organizacemi.

Náš CAD/PDM nástroj CATIA SmarTeam

CERN má 28 zkušeností s 3D CAD systémy. Nejprve byl používaný Euclid3, ve kterém byl navržen i LHC. Po roce 2003 jsme přešli na CATII V5 a data vytvořená v systému Euclid byla hromadně migrována do nového CAD systému. Na slajdu (!) můžeme vidět, že bylo migrováno asi 500 člověkohodin práce. A nyní máme asi 250 uživatelů systému CATIA. V současnosti pracujeme s verzí R19 a do konce roku 2011 máme v plánu přejít na verzi R20. Z důvodu přechodu na Windows 7 a 64bitovou architekturu, která nám umožní využívat víc paměti RAM.

Nyní se podívejme, jak je reálně řešený CAD item a BOM management v CERNu. CATIA a SmarTeam jsou spouštěny společně pomocí v CERNu vyvinutého rozhraní, které umožňuje uživateli volbu různých standardních nastavení. Začínáme v CATII, kde vytvořená data, v tomto případě sestava, jsou díky silné integraci se SmarTeamem uložená do PDM systému ve stromové struktuře. Každý dokument uložený v PDM systému SmarTeam je připojený k virtuální položce, tzv. Item, o které jsem mluvil už před tím. Znázorňuje nám to i následující animace (obr. 7). Je zde vidět struktura dat v PDM systému SmarTeam a jsou zde Item položky, které jsou připojené k jednotlivým dokumentům. Nezávisle na tom, jde-li o produkt nebo součást.

Pomocí v CERNu vyvinutého nástroje BOM Compare využijeme už existující stromovou strukturu dokumentů v PDM systému a podle ní vytvoříme stromovou strukturu položek Item. Tak, jak ukazuje animace. Tedy využijeme již existující strukturu, kterou replikujeme do struktury položek Item. Protože stromová struktura položek Item může být modifikovaná nezávisle na stromové struktuře dokumentů, jako například přidáváním nových Item nebo odebíráním starých, dává nám to flexibilitu při sběru dat mezi PDM SmarTeam a EDMS platformou. Názorný příklad je jako lepidlo, které nikde v modelu neuvidíme, ale pokud tam jednou je, tak musí být i v Item managementu, aby se na ně nezapomnělo. Existující struktura položek Item se pomocí v CERNu vyvinutého nástroje CartWeb využívá také na vytvoření kusovníku a popisového bloku výkresu. Všechny informace obsažené v kusovníku a popisovém bloku pocházejí z atributů položek Item. Ty nám umožňují modifikování struktury informací kusovníku přímo v PDM systému, nezávisle na struktuře 3D dokumentů pocházejících z CATIE. Takže například kdyby zde byl připojen Item s názvem Glu (lepidlo), tak bychom našli v kusovníku, že potřebujeme jednu tubu lepidla.

Naše současné projekty a závěry

Integrace SmarTeam PDM a EDMS PLM je v plném proudu. Součástí integrace je i zmiňovaný 3D Vieware na webovém rozhraní, umožňující spravovat 3D data i mimo PDM systém, který je lokálním pro CAD konstruktéry v CERNu. Například off-line EDMS Vieware nahrazuje tisk dokumentů tím, že zajišťuje přístup k EDMS datům tam, kde není přístup na internet. Jako například v některých tunelech v CERNu. Když jdou konstruktéři na zásah, kdy by tiskli stovky a stovky výkresů, stáhnou si je do off-line aplikace EDMS Vieware, která je automaticky synchronizovaná vždy, když přijdou na dosah připojení k síti. Tak nemusí nic tisknout a vláčet výkresy s sebou.

V CERNu prosazujeme Item-centrický přístup namísto dokument-centrického a snažíme se tento přístup rozšířit na celou organizaci. Někdy to není vůbec lehké.

Následuje elektronická dokumentace už existujících strojů, digitalizace dokumentů, mikrofilmů a výkresů. Některé digitalizované dokumenty mají i padesát let. Strategie CERNu je založena na lokálním PDM systému pro CAD konstruktéry a globálním PLM systému pro celou organizaci. Protože výměna CATIA V5 a SmarTeam za V6 je z pohledu Dassault Systèmes nezvratná, staví nás to před otázku, jak integrovat V6 v pozici lokálního PDM systému s EDMS, jako naším globálním PLM systémem. Bude možno skloubit tyto PLM systémy? Ale i integrace dalších potenciálních CAD systémů má víc otázek jak řešení. Integrovaný PLM systém přinutil inženýry pracovat jednotnými metodami a díky globálnímu plánu pro systém kvality byla umožněna úplná implementace i ve vědeckém prostředí, jako je CERN.

To je závěr mé prezentace, pokud byla moc rychlá, tak se omlouvám. Všichni mi to říkají, to je asi ten problém, když pracujete na urychlovačích, tak urychlíte i prezentaci.

Řídící středisko

Jak jsem uvedl již na začátku, chtěl bych doplnit některé zajímavé údaje, které jsem získal při letošní návštěvě CERNu. Hlavním cílem byla návštěva nového moderního řídícího střediska a zhlédnutí jeho technického zázemí, serverovny, síťových instalací a ukládání dat.

S historií a aktuálním stavem celého projektu nás seznámil François Briard. Jistě ne nezajímavou informací je roční rozpočet CERNu, který v roce 2010 činil 1200 miliónů švýcarských franků. Každý účastník Briardovy přednášky si také mohl doplnit vzdělání v oblasti fyziky, konkrétně v množství nejrůznějších částic hmoty. Do podmínek, ve kterých největší stroj na světě pracuje, patří již zmíněný 27kilometrový kruhový tunel 100 metrů pod zemí, tisíce supravodivých magnetů, ultra vakuum (10x vyšší než na Měsíci) a teplota minus 271° C. Při provozu dochází k 600 miliónům kolizí za sekundu a ty jsou detekovány stovkami miliónů senzorů. Výsledkem je přibližně 25 Petabajtů dat zaznamenaných každý rok. To představuje, pro lepší představu, záznam 1000 let trvajícího videa v DVD kvalitě, tedy 5,3 miliónu DVD. Za zaznamenání rozhodně také stojí fakt, že Briard zmínil důsledek podchlazení celého systému. Mnozí možná tušíte, že díky podchlazení se celý stroj smršťuje. Na 27 kilometrech toto zkrácení délky prý dělá asi 80 metrů, s čímž musí být při konstrukci dílů počítáno.

Díky projektu se přišlo na mnoho užitečných technologií, jak už naznačil Michal Mlynarčík. Doplnil bych ho například praktickým využitím detektorů na skenování naložených nákladních automobilů v čase kratším jak 1 hodina nebo velmi rychlým zpracováním satelitních snímků v případech přírodních katastrof.

S počítačovou sítí a celým počítačovým zázemím nás seznámil Jean-Michel Jouanigot. Samotné počítačové centrum v CERNu zvládá pouze 20 % kapacity, proto musí spolupracovat s mnoha dalšími počítačovými centry. Právě proto vzniklo řešení nazvané World Wide Web, které zmínil Michal Mlynarčík. Daná síť počítačů se musí koncovému uživateli jevit jako jediný systém, což zabezpečuje přídavný software nazývaný middleware. Ten automaticky tato data hledá a přiděluje výpočetní výkon k jejich analýze. Také ovládá přidělování různých zdrojů, bezpečnost, kontroluje, monitoruje a provádí mnoho dalších činností. Počítačová síť v CERNu má tři pásma. Do pásma 0 (Tier-0) patří CERN, kde se data nahrávají, provádí se jejich prvotní rekonstrukce a distribuce. V pásmu 1 je 11 center, kde se data trvale ukládají, znovu zpracovávají a analyzují. Do pásma 2 spadá přibližně 130 center, kde se dělají simulace a uživatelské analýzy. Čísla jsou ohromující. Například jen v CERNu je 8076 serverů s 13 802 procesory a 50 855 jádry. Pevných disků je 53 728 a jejich kapacita je 45 331 TB, počet paměťových modulů dosahuje čísla 48 794. Protože data jsou kvůli trvanlivosti ukládána na pásky, je zde 160 páskových jednotek, 45 tisíc páskových kazet a 56 tisíc páskových slotů. Pásková kapacita je 34 000 TB.