Kleinsteuerung von Phoenix Contact sorgt bei einem Elektronenbeschleuniger für den sicheren Betrieb

Alex Dusdal, M.Sc., Geschäftsbereich Control Systems, Phoenix Contact Electronics

Der S-Dalinac dient zur Grundlagenforschung über die Eigenschaften und den Aufbau von Atomkernen. Dazu werden mit den beschleunigten Elektronen unter anderem Streuexperimente an verschiedenen Materialien durchgeführt. Die Ergebnisse erlauben ein tieferes Verständnis dafür, wie sich Atomkerne verhalten, wenn sie mit Elektronen angeregt werden, und was sie im Inneren zusammenhält. Darüber hinaus liefern sowohl die Entwicklungen auf dem Gebiet der Beschleunigerphysik als auch die technischen Entwicklungen rund um die kernphysikalischen Experimente Beiträge für andere Wissenschaftsbereiche wie etwa die Medizintechnik. Beispiel ist die weltweit größte drehbare Strahlenkanone der Uniklinik Heidelberg, die eine millimetergenaue Bestrahlung von Krebszellen und Tumoren ermöglicht.

Zur Erzeugung eines Elektronenstrahls werden die Elektronen zunächst von einer thermionischen Elektronenkanone emittiert und dann durch ein elektrostatisches Feld beschleunigt. Anschließend erhöht ein Vorbeschleuniger die Geschwindigkeit der Elektronen bis auf maximal 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit. Die kinetische Energie des Elektronenstrahls wird im Hauptbeschleuniger weiter erhöht. Dabei erlangt der Elektronenstrahl eine Energie von maximal 130 MeV. Lenkmagnete leiten ihn zu verschiedenen Messplätzen ab, wo er für die unterschiedlichen Experimente genutzt wird.

Während des Betriebs dürfen sich keine Personen in den Hallen aufhalten. „Im Betrieb dominiert die sogenannte Bremsstrahlung des Strahlungsfelds in den Hallen“, berichtet Manfred Hess, Elektromechaniker-Meister am Institut für Kernphysik der TU Darmstadt. „Das ist elektromagnetische Strahlung, die dann entsteht, wenn die Flugrichtung der Elektronen durch die strahlführenden Ablenkmagnete geändert wird“. Um jederzeit die Sicherheit der an den Anlagen arbeitenden Personen zu garantieren, ist der Einsatz sicherheitstechnischer Maßnahmen erforderlich und gesetzlich vorgeschrieben. Die Technik muss ausfallsicher dafür sorgen, dass die Anlage nur dann freigegeben wird, wenn sich niemand mehr in den Hallen befindet. Dazu ist ein systematisches Absuchen der Hallen notwendig, die in drei Bereiche mit mehr als 33 Suchpunkten unterteilt sind. Jeder Suchpunkt muss vor der Inbetriebnahme von der absuchenden Person kontrolliert werden. Während des Absuchvorgangs überwacht eine Kombination aus Lichtschranke und Lichtgitter den Eingang des abzusuchenden Bereichs. Betritt eine andere Person diesen Bereich und unterbricht zuerst das Lichtgittersignal, muss die Absuchprozedur neu gestartet werden.

Die gesamte Logik des Absuchvorgangs ist in einer Applikation hinterlegt, die eine Kleinsteuerung ILC 151 ETH von Phoenix Contact abarbeitet. Nach dem Beginn der Absuchprozedur beim ersten Absuchpunkt wird im SPS-Programm ein Zeitglied gestartet, das 180 s abzählt. Werden nicht alle Suchpunkte innerhalb dieses Zeitraums durch das dreisekündige Drücken eines Tasters aktiviert oder läuft eine Person durch das Lichtgitter am Anlageneingang von außen hinein, bewertet die Kleinsteuerung den Suchvorgang als gescheitert. Nach der Aktivierung sämtlicher Suchpunkte passiert die absuchende Person beim Verlassen des Bereichs die Lichtschranke. Die Logik der SPS erkennt die zeitgerechte Aktivierung der Suchpunkte sowie das Durchlaufen der Lichtschranke. Daraufhin schaltet das Lichtgitter für drei Sekunden ab, damit der absuchende Mitarbeiter die Anlage räumen kann. Abschließend wird die tonnenschwere Betonblock-Tür zugefahren.

Neben der Personen- muss auch die Maschinensicherheit gegeben sein, bevor der Elektronenbeschleuniger zum Betrieb freigegeben wird. „Zu diesem Zweck haben wir eine weitere Kleinsteuerung ILC 151 ETH installiert“, erläutert Manfred Hess, der die Automatisierungslösung entwickelt und programmiert hat. „Die beiden Inline-Controller arbeiten unabhängig voneinander. Das gesamte Automatisierungsnetzwerk ist autark und aus öffentlichen Netzen nicht erreichbar“. Die Maschinensicherheit bezieht sich in erster Linie darauf, dass die Strahlrohre, in denen der Elektronenstrahl verläuft, vor der Inbetriebnahme evakuiert sind.

Entdeckt die Sensorik ein Vakuumleck, wird ein vor der Elektronenkanone angebrachtes Schnellschlussventil geschlossen. Der ILC 151 ETH steuert anschließend Relais an, die zusätzliche Magnetventile verriegeln, sodass die komplette Strahlrohrstrecke in Bereiche unterteilt wird. Der Vorgang vollzieht sich analog zu einem Leck im Schiff, wo einzelne Schotten dicht gemacht werden. Ist die Personen- und Maschinensicherheit vorhanden, geben die Steuerungen die Anlagen frei. Jetzt können die Mitarbeiter die Hochspannungsquelle des Elektronenbeschleunigers im Kontrollraum aktivieren und die Anlage in Betrieb nehmen.

Die ILC 151 ETH verarbeiten über 900 digitale I/O-Signale der an den Rückwandbus angeschlossenen modularen I/O-Klemmen. Beispielsweise gehen die digitalen Signale des Lichtschranken-Lichtgitter-Systems, die die Personensicherheit überwachen, direkt auf die Eingangsmodule der Kleinsteuerung. Der Inline-Controller, der für die Maschinensicherheit eingesetzt wird, übernimmt neben dem Schließen der Magnetventile auch das Not-Aus: Löst ein Mitarbeiter den Not-Halt aus, wird das Signal hartverdrahtet auf die Hochspannungsquelle geführt, die sich abschaltet. Darüber hinaus erfolgt eine redundante Übertragung an die für die Maschinensicherheit zuständige ILC 151 ETH, die ein Relais ansteuert, das ebenfalls für das Abstellen der Hochspannungsquelle sorgt. Sollte also die hartverdrahtete Abschaltung beim Auslösen des Not-Aus ausfallen, wird die Hochspannung über den redundanten Weg von der Kleinsteuerung gekappt.

Die beiden ILC 151 ETH verfügen über einen Web-Server. Die Mitarbeiter des Instituts können mit dem Software-Tool WebVisit Visualisierungen erstellen und auf die Kleinsteuerungen laden. Sie werden dann vom Web-Server ausgeführt. Um auf die Visualisierung zuzugreifen, ist lediglich die IP-Adresse des Inline-Controllers notwendig. Der Zugriff kann über einen Web-Browser erfolgen, der Java oder HTML5 unterstützt. ge