Share to Facebook Share to Twitter Share to Twitter More...

Надежная инвестиция в будущее одного из ведущих центров ускорителей частиц

Адаптация к изменяющимся условиям эксплуатации имеет большое значение для охладительных установок ускорителей. Чтобы соответствовать сложным требованиям данной технологии, исследовательский центр DESY выбирает цифровые позиционеры и системы онлайн мониторинга Metso.

Исследовательский центр DESY – это один из лидирующих мировых центров по физике частиц, известный своей научной работой, разработками, производством и эксплуатацией ускорителей. Длительное время кольцевой ускоритель HERA оставался важнейшей технологией института. Преемниками этой технологии стали European XFEL и FLASH. Для этих двух ускорителей центру DESY пришлось переделать и модернизировать всю систему охлаждения. Компания Metso была привлечена в качестве генерального подрядчика для полной модернизации цифровых позиционеров и подачи сжатого воздуха системы охлаждения 

«Охлаждающая установка работает в режиме 24/7 круглый год. Поэтому мы должны обеспечить максимальную надежность установки». Торстен Бёкманн (Torsten Böckmann), Сервисный инженер центра DESY

Сейчас цифровые позиционеры Neles ND9000 используются для регулировки всех полевых устройств, а программное обеспечение Metso FieldCare позволяет оптимизировать мониторинг всех функций. Благодаря этой передовой технологии центру DESY удается достичь максимальных уровней безопасности и готовности установки, которые необходимы при использовании ускорителей данного типа. 

XFEL, FLASH, EPICS, CSS – это термины, которые часто используются в исследовательском центре, и любому, кому доведется случайно услышать разговор сотрудников DESY за работой, может показаться, что он очутился в будущем. Здесь все вертится вокруг физики частиц и синхротронов. Неспециалистам не всегда просто это понять. Однако, помимо фундаментальных исследований (например, о происхождении вселенной), физика элементарных частиц применяется и в нашей повседневной жизни, в таких областях, как Интернет, технологии воспроизведения изображений, радиология и лечение опухолей в медицине, исследования материалов, которые широко применяются во многих отраслях промышленности, и многое другое. 

«Внимание DESY переключилось с физики элементарных частиц на исследования с использованием фотонов. Мы работаем сейчас над новым проектом European X-Ray Free-Electron Laser XFEL. Это ускоритель длиной 3,5 км для экспериментов с рентгеновским лазерным лучом. Для эксплуатации этой установки нам нужна система охлаждения, работающая с жидким гелием», –рассказывает инженер Торстен Бёкманн (Torsten Böckmann), Сотрудник отдела оборудования, криогенной физики и сверхпроводимости (MKS) в компании DESY, ответственный за КИП и сенсорную технологию. Охладительная установка использовалась ранее для ускорителя HERA и была изготовлена из трех равных секций. Входная мощность составляла 2,7 МВт на секцию, а охлаждающая способность –6800 Вт при 4 К. После вывода из эксплуатации ускорителя HERA в 2007 г. Торстен Бёкманн был руководителем проекта и отвечал за оснащение охладительной линии 2 новыми КИП. «Для ускорителя HERA в охладительной установке использовалось резервирование. Такая конструкция нецелесообразна для новой установки по причине высоких затрат. Тем не менее, здесь мы также должны обеспечить очень высокую готовность установки. Охлаждающая установка работает в режиме 24/7 круглый год. Поэтому мы должны обеспечить ее максимальную надежность», – говорит Бёкманн. 

Центр DESY в Гамбурге является одним из ведущих мировых центров исследования по физике частиц - Компания Metso установила до 150 цифровых позиционеров серии Neles ND9000 на клапаны охладительной установки DESY. - Позиционеры серии Neles ND9000 обеспечивают оптимальный контроль давления, температуры, расхода, уровня жидкости и скорости вращения турбин. - Программное обеспечение Metso FieldCare облегчает онлайн мониторинг всех функций. - Линейные и поворотные клапаны находились в эксплуатации с момента изготовления установки около 20 лет.

 

Максимально высокая готовность благодаря тысячам испытаний 

В будущем охладительная установка будет использоваться для сверхпроводящего линейного ускорителя FLASH (Free-Electron Laser Hamburg), который, среди прочих задач, будет выполнять роль платформы для испытаний будущего ускорителя European XFEL (X-Ray Free Electron Laser), одного из самых мощных источников рентгеновского излучения в мире. Институты всего мира используют установки DESY для проведения своих испытаний. Торстен Бёкманн хорошо знаком с проблемами, возникающими по причине высокого спроса: «Тысячи ученых регистрируют свои эксперименты и резервируют временные интервалы для измерений. Эти интервалы распланированы так строго и плотно, что в случае неисправностей или, что еще хуже – отказов, измерения нельзя будет выполнить. Поэтому мы полагаемся на максимальные уровни готовности».  

Охладительная установка FLASH состоит из компрессоров низкого и высокого давления, очистителя, осушителя на трубопроводе, системы удаления масла и холодильной камеры. «Модернизированная установка предназначена для охлаждения гелия до 2 К (-271,15°C), что позволяет получить сверхжидкий гелий 2; его высокая теплопроводность и требуется для проведения экспериментов, – поясняет Бёкманн. – Мы выбрали Metso в качестве партнера для внедрения необходимых изменений». Компания отвечала за модернизацию всей системы подачи воздуха и замену позиционеров. 

 

Metso в роли генерального подрядчика по модернизации установки 

В качестве генерального подрядчика Metso в свою очередь привлекла субподрядчика для выполнения новой системы подачи воздуха и установила до 150 цифровых позиционеров серии Neles ND9000 на клапаны охладительной установки. Хотя линейные и поворотные клапаны находились в эксплуатации с момента изготовления установки около 20 лет, они подверглись очень небольшому износу, поскольку использовались с газообразным веществом и не подвергались воздействию сильных вибраций и загрязнений. «Это идеальные условия эксплуатации для клапанов, однако с учетом того, что система находится в эксплуатации уже длительное время, нам необходима система мониторинга для обеспечения высокой готовности установки, – отмечает Бёкманн. – Позиционеры позволяют нам контролировать их работу, а также определять и решать проблемы на ранней стадии». 

150 позиционеров серии ND9000 обеспечили оптимальную функциональность контроля и диагностики. «У нас нет такого количества специалистов, чтобы выполнять измерения и расчеты заранее по всем циклам управления и устанавливать соответствующие параметры. В этой работе мы полагаемся на автоматические процессы и самостоятельную адаптацию параметров управления к меняющейся ситуации», – говорит Бёкманн. Это позволяют сделать позиционеры Neles ND9000. Они корректируют свою работу в процессе эксплуатации и адаптируют свои параметры к условиям эксплуатации, технологического процесса и окружающей среды. Если по одному параметру необходимо сделать 

Вся информация, необходимая для эксплуатации установки, отображается на различных экранах в операторской. Здесь Торстен Бёкманн также может определить возможные неисправности полевых устройств с помощью программного обеспечения Metso FieldCare и принять необходимые меры до того, как эти неисправности приведут к простоям установки.

несколько поправок, позиционер ND9000 сообщает оператору, что для конкретной проблемы требуется другое решение. Бёкманн подчеркивает: «Интеллектуальными опциями данного позиционера являются его возможности диагностики и тот факт, что сенсорная технология и диагностика полностью объединены, что позволяет датчикам непосредственно влиять на управление клапана». 

Руководитель проекта также упомянул другую проблему, которая была решена благодаря принципу «сопло–заслонка», который использовался в устройстве ND9000: «В прошлом позиционеры с пьезосистемами не всегда на 100% были герметичными. Это приводило к потерям воздуха в зоне привода, большой просадке при достижении давления отрыва и в конечном итоге к необходимости повторной закачки. В результате в системе создавались ненормальные повторяющиеся колебания. С новыми позиционерами эта проблема была решена».

Среди критериев, говорящих в пользу выбора позиционера серии ND9000, можно отметить также длительное использование шин PROFIBUS в компании DESY. Это стандарт, которому позиционер должен соответствовать. «Во время работы со многими поставщиками у нас складывалось впечатление, что они скорее хотели продать шины HART. Но с такими шинами мы не смогли бы воспользоваться многими функциями диагностики», – говорит Бёкманн. – С другой стороны, используя позиционеры ND9000, мы имеем одно интеллектуальное решение с графическим интерфейсом и оптимальным анализом различных неисправностей. При этом мы можем воспользоваться преимуществами их классификации, которые позволяют легко определить неисправности на долгосрочных трендах». 

 

Программное обеспечение Metso FieldCare на базе полевой шины PROFIBUS контролирует полевые устройства 

Следующим логическим шагом DESY было решение использовать программное обеспечение по управлению оборудованием и ресурсами Metso FieldCare для контроля всех данных от 150 позиционеров Neles ND9000. Торстен Бёкманн называет это сочетание позиционеров и системы онлайн мониторинга надежной инвестицией в будущее: «Теперь нам уже не нужно предусматривать резервирование для системы. Система рассчитана надлежащим образом, и мы можем интуитивно выполнять много задач. Мы используем эту программу как систему передачи данных для импортирования данных от позиционеров в нашу собственную систему управления EPICS. Мы используем эту базовую систему в сочетании с нашей собственной системой управления на базе Java с графическим интерфейсом, что позволяет нам визуализировать все аспекты процесса управления. К сожалению, нельзя получить доступ к технологии FDT/DTM непосредственно через нашу систему EPICS».  

Однако программа Metso FieldCare – это программный инструмент на базе FDT/ DTM (инструмент полевого устройства/менеджер типов устройств) для настройки, диагностики и мониторинга полевых устройств независимо от их поставщиков. Система обеспечивает DESY как оператора охладительной установки всей необходимой информацией для настройки параметров, эксплуатации и технического обслуживания подключенных полевых устройств. Всеми полевыми устройствами можно управлять, используя только этот один инструмент, поскольку их полная функциональность доступна через соответствующие DTM (менеджеры типов устройств). Кроме этого, встроенная система мониторинга состояния обеспечивает автоматический вывод всей информации в режиме реального времени. С помощью веб-интерфейса можно получить удаленный доступ к данным. Система онлайн мониторинга состояния автоматически собирает все данные устройств и диагностики, а также предупреждения и сообщения об ошибках в условиях реального времени, отправляет эту информацию оператору, визуализирует и записывает ее.  

Все измерения сохраняются в виде трендов, чтобы можно было позже отследить соответствующие диагностические параметры за весь период эксплуатации и использовать эти данные для точных прогнозов. Программа Metso FieldCare поддерживает условно-ориентированный подход к техническому обслуживанию: на основании собранных данных DESY может составить точный график технического обслуживания, который также предусматривает достаточно времени на заказ запасных деталей. Торстен Бёкман отмечает важнейшие преимущества программы: «Наша охладительная установка может работать в режиме 24/7 круглый год без отказов. Мы можем определить и решить возможные проблемы заранее, чтобы избежать значительных простоев. В будущем мы планируем использовать установку, работающую без оператора, а также программу Metso FieldCare не только для охладительной установки, но также непосредственно для ускорителя European XFEL». 

Центр DESY в Гамбурге –один из ведущих мировых центров ускорителей элементарных частиц, занимающийся исследованиями в данной области. DESY разрабатывает, изготавливает и эксплуатирует ускорители и детекторы для проведения исследований с фотонами и элементарными частицами. DESY – это государственный исследовательский центр, который финансируется правительством Германии и входит в Ассоциацию Helmholtz. У DESY есть также отделение в Цойтене. Image © DESY 

DESY center

DESY (нем. Deutsches Elektronen-Synchrotron («Немецкий электронный синхротрон»)) – это исследовательский центр, который финансируется правительством Германии и входит в ассоциацию Helmholtz. DESY основан 18 декабря 1959 г. В настоящее время его отделения находятся в Гамбурге и Цойтене (Брандербурге). В DESY работают около 2000 ученых, из них 650 занимаются вопросами исследования, разработки и эксплуатации ускорителей. Еще 3000 ученых из более чем 40 стран используют для своих исследований объекты и установки в DESY.  DESY имеет более чем 50-летний опыт в разработке, изготовлении и эксплуатации ускорителей и является мировым лидером в области исследований фотонов и физики частиц. Сотрудничество DESY с компаниями из различных областей привело к созданию важных инноваций в сфере электроники, охлаждения, высокочастотных и вакуумных технологий, а также эксплуатации сложных сверхпроводниковых систем. 

 

Статьи