安全系统:用安全自动化保护研究人员、科学家

他们快速穿过两英里长的隧道，以接近光速的速度撞上了一堵墙。这不是高科技的小车祸。这根本不是意外。半个多世纪以来，世界级的研究人员从这些超高速、微观的碰撞中收集了改变生活的发现。

来自世界各地的顶尖科学家提前数月甚至数年申请机会，以进一步研究生命中最小的粒子SLAC国家加速器实验室在斯坦福大学．

对大多数研究人员来说，最主要的吸引力是有机会用世界上最强大的x射线激光进行实验，这种激光是通过电子在加速器令人垂涎的光束上产生的。卓越的x射线成像工具，SLAC的直线加速器相干光源，是最近新增的，它帮助将该设施转变为一个多用途实验室，并为比以往更多的科学家提供最终的试验场(见图1)。

需求如此之大，以至于SLAC正在提供24/7的加速器束访问，并正在扩建设施，使可以同时进行的实验数量增加一倍以上。突破性的发现，如最新的癌症治疗和对病毒、燃料电池、太阳和恒星的更好理解，都可以追溯到SLAC国家加速器实验室所做的研究。“高功率x射线激光使科学家们能够以一种几年前不可能甚至无法想象的方式观察分子，”实验室仪器和控制部门副主任兼安全系统部门负责人恩佐·卡罗内说。

确保安全、正常运行

然而，科学进步并非没有挑战。卡罗内说:“我们的首要任务是保护科学家和工作人员免受加速器产生的潜在辐射危害。”“我们还必须确保梁已经启动并运行。没有安全和光束，这里几乎无法进行科学研究。”

SLAC拥有无可挑剔的安全记录，但不断扩大和日益复杂的操作需要新的安全和控制水平。实验室最初的20世纪40年代基于继电器的系统做得很好，但它远远超出了预期的使用寿命。Carrone说:“继电器无法提供我们必须具备的智能保护和诊断支持水平。”

维持实验室正常运行时间至关重要。卡罗内说:“工厂停工的成本通常是用劳动力和产品的损失来衡量的，但你不能用潜在的科学突破的损失来衡量。”“当研究人员因为加速器故障而无法完成一个项目时，这正是关键所在。考虑到它对科学和发现的巨大影响，我们努力实现98%的光束可用性。”

SLAC的人员保护系统(PPS)升级经理克里斯蒂娜·特纳说:“加速器以前曾一度停机数小时，造成关键实验的长时间延误。”“我们需要一个新的平台，能够从加速器系统中提取新的见解和知识。我们必须找到一种智能解决方案，使我们能够更好地了解我们的操作，并通过在问题发生之前预测问题来帮助我们大大减少停机时间。”

卡罗内说:“这些加速器耗资数亿美元，它们本来打算在这里呆上几十年，以实现重要的研究。”“我们必须有一个控制和安全的解决方案，使我们能够充满信心地展望未来30多年。我们基于继电器的架构已经远远超出了它的轨道。我们快速发展的实验室必须有一个灵活和可扩展的架构，以满足实时科学突破不断变化的需求。”

许多改变生活的科学突破的家园需要一个控制平台，使加速器操作员能够管理和监控日益复杂的实验室及其多个激光束和辐射源。与此同时，SLAC需要一个安全平台，能够在可预见的未来使科学家和SLAC工作人员免受伤害。实验室需要在一年内安装好新的控制和安全系统。

SLAC控制，安全升级

在与全国各地的姐妹实验室对系统选项进行全面审查后，Carrone和他的团队选择了西门子工业公司的控制和安全自动化解决方案。SLAC使用的自动化是根据美国能源部其他科学实验室的控制平台设计的。特纳说:“我们与弗吉尼亚州的杰斐逊实验室、纽约的布鲁克海文实验室等机构合作，选择了一个硬件平台，并在重要的一年时间框架内设计了一个新的安全系统。”“我们必须快速有效地实施智能安全升级，以处理多用途实验室的复杂性。与已经进行过类似升级的同事分享想法的能力发挥了重要作用，使我们有可能实现崇高的目标。”

“安全PLC是我们新PPS背后的大脑，”Carrone说。在引盖下，安全PLC使用西门子S7-300F安全控制器和ET 200S分布式安全I/O来监控和管理进出加速器隧道的人员(见图2)。安全要求从未如此之高，因为地下实验室内部的辐射危害随着新光束和邻近实验区的增加而增加。

高功率x射线束可以在同一封闭区域内分裂成多达6条独立的光束线。“我们不再只有一个激光源和几个光束目的地，”特纳说。“我们现在有两个危险源。我们正在这条2英里长的隧道内安装第三根横梁，并讨论安装第四根横梁。”

特纳说:“考虑到几年前我们没有的新的复杂层次，我们使加速器操作员更容易了解光束的运行情况，这是非常重要的。”Turner和她的同事Matt Cyterski在加入安全系统小组之前都是加速器操作员。

移动forward-safely

新的控制和安全系统使操作人员能够突破旧的实验室筒仓，从而全面了解加速器的运行情况。Cyterski说:“如果没有PLC，操作和管理我们复杂的加速器活动是不可想象的。“这个PLC是主要的决策者，它决定何时工作人员和科学家在实验区走动是绝对安全的。”

安全PLC具有智能，使操作员不仅可以严格监管加速器实验室的限制区域，还可以向他们提供预防性维护警报。使plc能够通过密封的实验房间门管理授权进入的传感器也可以检测系统问题。在发生故障、错误或组件中断的情况下，控制平台可以快速排除问题，并为工程和维护人员确定罪魁祸首。

EandM项目工程师Marv Guggemos表示:“PLC通过ProfiSAFE网络进行通信，ProfiSAFE网络是分布式安全I/O和其他与加速器操作相关的关键内部信息的骨干。这位总部位于加州的自动化专家在SLAC的PPS升级中发挥了不可或缺的作用。ProfiSAFE是ProfiNET的一种变体，它通过以太网提供确定性和安全的通信。”

PLC和控制平台的诊断功能为加速器操作员和无数科学家提供了安心，他们聚集在SLAC上探索使用光束的无数可能性。

特纳说:“我们已经在加速器实验室设计和实施新的光束和实验区。”“我们必须绝对确定，我们所做的任何建筑选择都是下一代科学家和科学的正确选择。”

结论

随着越来越多的SLAC国家加速器实验室基础设施被彻底检修，控制和安全团队渴望利用他们在新的自动化平台上产生的动力。Carrone说:“新系统确实帮助我们为校园内新的令人兴奋的安全和诊断应用铺平了道路。”

Chris Sheehy是西门子工业公司的客户经理。他在加州萨克拉门托工作，专注于机器安全、运动控制、机器逻辑和可视化应用。在过去的5年里，他专注于开发和维护西门子的战略客户。Sheehy拥有加州大学圣巴巴拉分校机械工程学士学位．

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