Controle en Bewaking van Vloeibaar Helium in het Duits Laboratorium voor Hoge-Energiefysica (DESY)

Het Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) is één van ‘s werelds toonaangevende laboratoria voor deeltjesfysica en kan - met de XFEL lineaire versneller tot zijn beschikking - bogen op een ongeëvenaarde onderzoekscapaciteit. In deze installatie worden röntgenflitsen gecreëerd, waardoor het mogelijk is processen in de nanokosmos in realtime te observeren. Deze lichtflitsen zijn een miljard aantal keren rijker aan energie dan standaard röntgenbronnen en worden opgewekt met behulp van supergeleidende magneten. De extreem lage temperaturen die nodig zijn om deze magneten te bedienen, worden gerealiseerd door vloeibaar helium te gebruiken. De speciale stromingseigenschappen van superfluïd helium leveren de koelcapaciteit die de XFEL deeltjesversneller nodig heeft om zijn topprestaties te leveren. Deze aggregatietoestand doet zich voor bij een temperatuur van 2,0 Kelvin. Om een toereikende hoeveelheid superfluïd helium te creëren, moest het personeel van het DESY-onderzoekscentrum de capaciteit van de cryogene installatie uitbreiden.

De cryogene installatie in de Europese XFEL draait constant, i.e. 24 uren per dag, 365 dagen per jaar. Bij het opdrijven van de capaciteit van het koelingssysteem moest het bestaande beschikbaarheidsniveau van meer dan 99% worden gehandhaafd, omdat elke ongeplande stopzetting de deeltjesversneller gedurende meerdere uren zou stilleggen. Het hoge gebruiksniveau betekent dat een herschikking van geplande wetenschappelijke experimenten zou resulteren in vertragingen van verscheidene maanden. De gevolgen hiervan zouden rampzalig zijn—zowel voor de wetenschappers als voor het onderzoek dat hier ter plekke wordt uitgevoerd. Een foutenanalyse op basis van statistieken opgemaakt tijdens jarenlang gebruik toonde aan dat een verbetering in de beschikbaarheid van het procesbesturingssysteem een positief effect zou hebben op de algemene beschikbaarheid van de installatie.

De procesapparatuur wordt met behulp van veldbustechnologie met het Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS) verbonden. De operator ontvangt boodschappen en systeemupdates via EPICS. De Segment Coupler 3 (SK3) integreert kleppen, druktransmitters en debietmeters—allemaal voorzien van PROFIBUS PA-technologie—in de IO-controller (IOC) om een netwerk te vormen. Alle vereiste automatiseringscomponenten—de IOC, power supply, SK3, en glasvezelkabel in de vorm van een dubbele ring—worden met redundantie voorzien. De PROFIBUS PA-veldbusinstallatie zelf wordt continu gemonitord door de FieldConnex® Advanced Diagnostic Module (ADM).

Er wordt een trunk-and-spur topologie gebruikt voor PROFIBUS PA-toepassingen: Bij deze topologie wordt de veldapparatuur via korte spurs met de Segment Protectors op de fabrieksvloer verbonden. De ingebouwde kortsluitingsbeveiligingwaarborgt communicatie tijdens de normale werking van de installatie. Alarmsignalen en gedetailleerde waarschuwingsboodschappen worden via een PROFIBUS-masterverbinding van klasse 2 naar een apart systeem verstuurd. Diagnostiek in de apparatuur en van de physical layer zelf maken het mogelijk voor onderhoudspersoneel om de installatie te monitoren en onderhoudstaken op verzoek uit te voeren. Dit garandeert een maximale beschikbaarheid van het koelsysteem. Parametrering van alle apparatuur vanaf afstand en inbedrijfstelling verliepen uiterst vlot en op efficiënte wijze met minimale kosten en personeel, en dit onder aanzienlijke tijdsdruk.

In het verleden is het gebruik van PROFIBUS DP om de cryogene installatie van DESY te besturen, uiterst nuttig en efficiënt gebleken. Het documentatieproces is zeer duidelijk, bijvoorbeeld met gebruik van Excel of Visio. Door PROFIBUS PA-technologie te gebruiken om de installatie te upgraden, is de procesapparatuur nu even gebruiksvriendelijk als de motorbediening en compressoren. De mogelijkheid om alle apparaten vanop afstand te configureren bespaart het personeel aanzienlijk wat tijd en werk bij de installatie en indienstname van de apparatuur. Een controle van de ADM toont ook aan dat het systeem robuust is en foutloos draait. Natuurlijk waardeert DESY de uitstekende diagnostiekfunctionaliteit van het veldbusprotocol. Deze diagnostiekfunctionaliteit helpt systeemfouten in een beginstadium op te sporen en maximale installatiebeschikbaarheid te garanderen met behulp van een proactieve aanpak van het onderhoud. Maar het grootste voordeel voor het onderzoekscentrum is ongetwijfeld de betrouwbaarheid van PROFIBUS.

• Het Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) vertrouwt op PROFIBUS DP- en PA-technologie
• PROFIBUS PA-systemen met FieldConnex®-infrastructuurelementen bieden indrukwekkend gebruiksgemak en betrouwbaarheid
• De diagnostiekfunctionaliteit van het veldbusprotocol garandeert de maximale beschikbaarheid van de installatie