Uiterst precies klimaat in de Zwitserse elektronenversneller

De onderzoeksröntgenlaser SwissFEL gebruikt geconcentreerde energie en baanbrekende technologie om uiterst korte processen zoals het ontstaan van nieuwe moleculen zichtbaar te maken. Omdat daarbij slechts minimale temperatuurschommelingen mogen optreden, regelt een uiterst precieze automatiseringsoplossing van SAUTER de klimatologische omstandigheden in de meer dan 700 meter lange structuur.

In oktober 2017 opent het Paul Scherrer Institut (PSI) zijn vrije-elektronen-röntgenlaserinstallatie SwissFEL in het kanton Aargau, ongeveer 30 kilometer buiten Zürich. In de pas tweede installatie van dit type wereldwijd zullen onderzoekers elektronen versnellen tot extreme snelheden en het röntgenlicht dat daardoor ontstaat, gebruiken om inzicht te krijgen in de fysieke processen binnenin moleculen.

Om de temperaturen in het onderaardse straalkanaal uiterst nauwkeurig te kunnen regelen, heeft het Zwitserse onderzoeksinstituut een innovatieve en betrouwbare totaaloplossing nodig. In SAUTER vond het PSI een partner met de omvangrijke kennis en de technische vaardigheden om na een succesvol proefproject de geïntegreerde automatiseringsoplossing volledig te realiseren. Aan de installatie ging ook een gedetailleerde risicoanalyse vooraf om de hoge beschikbaarheid van de installatie door middel van passende redundanties op elk moment te kunnen garanderen.

Uiterste precisie in het straalkanaal

Om de sterk versnelde elektronen door het 630 meter lange straalkanaal van de SwissFEL-installatie te laten suizen, moet de nieuwe grootschalige onderzoeksinstallatie veel energie opbrengen. Er is circa 5 megawatt nodig om elektronen met behulp van magneten op de juiste baan te dwingen. Dezelfde hoeveelheid energie moet via koelsystemen weer worden afgevoerd. Helemaal in de geest van de focus van dit onderzoek ‘Energie en milieu’ gebruikt het systeem de afvalwarmte van de SwissFEL-installatie om de gebouwen te verwarmen.

Ondanks de optredende piekbelastingen liggen de hoogste eisen bij de stabiliteit van het binnenklimaat en het koelwater. Voor een perfecte werking van de onderzoeksinstallatie mogen de temperaturen nooit meer dan ± 0,1 kelvin fluctueren. Opdat bij elke activiteit een constant binnenklimaat gegarandeerd blijft en de installatie niet oververhit raakt, gebruikt het PSI intelligente koelapparaten. De geïnstalleerde temperatuursensoren van SAUTER met een meetnauwkeurigheid van maximaal 0,03 kelvin dienen voor de nauwkeurige stabilisatie van de temperaturen in het straalkanaal.

Redundante totaaloplossing

Voor optimale temperaturen en de gelijkmatige ventilatie in het straalkanaal zorgt een geïntegreerde, storingsbestendige automatiseringsoplossing van SAUTER. Zo loopt de besturing van de redundant uitgevoerde koel- en verwarmingssystemen voor de zekerheid via onafhankelijke schakelkasten. Ook bij storingen van afzonderlijke inlaatlucht- of afzuigventilatoren blijft een voldoende ventilatie altijd gegarandeerd, want back-upsystemen nemen de taak onmiddellijk over. Zelfs als er een component uitvalt, moet er in het straalkanaal altijd minstens 3000 m 3 lucht per uur door de installatie stromen.

114 modulaire automatiseringsstations van de systeemfamilie SAUTER EY-modulo 5 evenals meer dan 600 temperatuur-, druk- en vochtsensoren zijn naadloos geïntegreerd in het bovenliggende managementsysteem. Om een precieze besturing van de verwarming, koeling en ventilatie in het kanaal mogelijk te maken, zijn alle activiteiten via een netwerk van 9000 datapunten door middel van BACnet/IP, Modbus RTU en M-Bus geïntegreerd. De bediening van het totale systeem gebeurt via bedieningsstations, mobiele eenheden en vast geïnstalleerde panelen met touchscreen in de gebouwautomatiseringsschakelkasten.

Hulpbronnen sparen

Door de experimenten met SwissFEL hopen de onderzoekers onder andere op een beter begrip van chemische reacties om industriële processen efficiënter en daarmee voordeliger of zuiniger vorm te kunnen geven. Om deze doelstellingen te bereiken, vertrouwen ze op moderne en intelligente systemen, zowel in het straalkanaal als in de gebouwautomatisering.

Atomen en moleculen op het spoor

Het Zwitserse Paul Scherrer Institut (PSI) houdt zich bezig met het onderzoeken van fenomenen van de natuur- en ingenieurswetenschappen. In het middelpunt staan materie en materiaal, energie en milieu alsook mens en gezondheid.

Het grootste onderzoeksinstituut van Zwitserland bouwt en exploiteert meerdere grootschalige onderzoeksinstallaties. Jaarlijks gebruiken meer dan 2500 wetenschappers uit de hele wereld de installaties van PSI voor hun experimenten.