Netzgerät Digital programmierbare Netzteile versorgen Hochvakuumpumpen

In den letzten Jahren lagen bei Stromversorgungen die Entwicklungsschwerpunkte hauptsächlich im Bereich der Schaltungstechnik. Jetzt gibt es digital programmierbare Stromversorgungen, die sich über RS232- oder CANopen-Schnittstelle direkt in applikationsspezifische Automatisierungsumgebungen integrieren lassen. Die Kommunikation wird über die serielle Schnittstelle oder Busanbindung realisiert. Davon profitieren auch große Forschungsprojekte.

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Die weltweit leistungsfähigste Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle Petra III wird 2009 in Hamburg in Betrieb gehen. Von der hochmodernen Forschungsanlage bei DESY, dem Deutschen Elektronen-Synchroton in der Helmholtz-Gemeinschaft, werden Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Bereichen profitieren. So brauchen beispielsweise Materialforscher die energiereiche Strahlung, um die Qualität von Schweißnähten zu prüfen oder Ermüdungserscheinungen von Werkstücken zu untersuchen. Vor allem Struktur- und Dynamikuntersuchungen an Nanoteilchen oder Messungen mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich werden von den fokussierbaren Röntgenstrahlen profitieren.

Über hundert 3-kW-Netzteile im Automatisierungsverbund

Der weltweit feinste Röntgenlichtstrahl erfordert technisch einigen Aufwand. Der 2,3 km lange Speicherring musste dafür entsprechend umgebaut und umgerüstet werden. Damit der Teilchenbeschleuniger auch funktioniert, muss das notwendige Ultrahochvakuum erzeugt werden. Dafür werden in Zukunft 438 NEG-Pumpen (Non-Evaporavle Getter), aufgeteilt in 128 Stromkreise, eingesetzt. NEG-Pumpen sind im Prinzip Konstantstreifen, auf denen ein chemisch aktives Substrat aufgebracht ist. Sie sind innerhalb der Vakuumkammern des Beschleunigers installiert und in der Lage, die letzten Atome „einzufangen“ und chemisch zu binden, um so das benötigte Ultrahochvakuum zu erzeugen. Eine elektrische Erwärmung von 300 °C bis 450 °C aktiviert die Pumpen. Dieser Vorgang muss in bestimmten zeitlichen Abständen wiederholt werden, um die bestmögliche Pumpleistung zu garantieren. Gleichzeitig müssen die Streifen dosiert erwärmt werden, damit die Materialien möglichst lange funktionsfähig bleiben und die empfindlichen Vakuumkammern keine Schäden durch thermische Spannungen erleiden. Deshalb sollten sowohl die Stromstärken als auch zeitliche Abläufe programmierbar sein.

Eine weitere Anforderung war die räumliche Audehnung der Anlage. Die Pumpen sind über den gesamten Speicherring verteilt. Um die Installationsarbeiten zu vereinfachen, sollte das bereits vor dem Umbau vorhandene Ethernet zur Steuerung der Netzgeräte genutzt werden. Dafür wurden die Primärschaltregler der 3-kW-Klasse von Kniel eingesetzt. Die integrierten Mikroprozessoren steuern selbst komplette Abläufe. Der Anwender kann also nicht nur Soll- und Grenzwerte definieren, sondern auch Sequenzen programmieren, die die Stromversorgung dann automatisch abarbeitet.

Stromversorgungen kommunizieren über das Bus-System

Alle zur Konfiguration der Stromversorgung notwendigen Eingaben sind sowohl über die CANopen- als auch über die RS232-Schnittstelle möglich. Bei Petra III erwiesen sich gleich beide Möglichkeiten als praktisch: Jeweils 16 Stromversorgungen sind - verteilt auf zwei Schaltschränke - in jeder der acht Versorgungshallen des Beschleunigers eingebaut. In jeder der Hallen gibt es einen Server, der die Kommunikation mit „seinen“ Netzgeräten übernimmt. Er betreibt dazu einen CANopen-Strang, der eine maximale Länge von 250 m haben darf und eine Übertragungsgeschwindigkeit von 250 kbit/s erreicht. Gleichzeitig setzt der Hallen-Server das Ethernet-Protokoll mit Hilfe eines integrierten Controllers ins CAN-Protokoll um. Über das Ethernet sind die acht Versorgungshallen an den zentralen Server in der Petra-Leitwarte angebunden. Da das Verhalten der Stromversorgungen über CANopen- und RS232-Schnittstelle identisch ist, ließen sich die Vorabtests bereits zu einem frühen Stadium über die Punkt-zu-Punkt-Verbindung realisieren, bevor die Controller betriebsbereit waren.

Programmieren über RS232- und CANopen-Schnittstelle

Um während der Testphase die Stromversorgungen über die RS232-Schnittstelle einzustellen, werden die entsprechenden Anweisungen als Zeichenfolgen im ASCII-Format gesendet. Dazu hat Kniel einen eigenen Befehlssatz entwickelt. Auch bei der Programmierung der Stromversorgungen über CANopen hat Kniel dazu die nicht normierten Teile des CANopen-Protokolls anwendungsgerecht definiert und gleichzeitig die Normierung vorangetrieben, die auf dem CiA Draft Standard 301, Version 4.02 aufsetzt. Es wurde ein anwenderspezifisches Objektverzeichnis geschaffen, indem die Gerätefunktionalität beschrieben wird. Jeder Eintrag ist über einen 16-Bit-Index und einen 8-Bit-Subindex gekennzeichnet.

Sicherheit im Betrieb und Schutz vor Fehlbedienungen

Zur Strom- und Spannungsregelung lassen sich die Sollwerte getrennt mit jeweils 12 Bit Auflösung einstellen. In der Stromversorgung können individuelle Grenzwerte eingestellt werden, die die angeschlossenen NEG-Pumpen vor versehentlich falsch programmierten Sollwerten schützt. Damit sich auch bei den Istwerten kein bedrohlicher Betriebszustand ergibt, lassen sich Überwachungswerte setzen. Diese Schutzfunktionen legen den unteren und/oder oberen Spannungs-, Strom- und Leistungsüberwachungswert fest. Wird ein Istwert außerhalb der zulässigen Fenstereinstellungen detektiert, gibt es eine Fehlermeldung und der Geräteausgang der Stromversorgung wird deaktiviert.

* Dipl.-Ing. Lothar Droll ist Projektleiter bei Kniel System Electronic.

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