Magnetsteuerung mit Revolution Pi: Stabile Lösung für das Mu3e-Experiment am PSI
Herausforderung
Instabile Magnetsteuerung am PSI
Das Mu3e-Experiment arbeitet mit einem supraleitenden Solenoid-Magneten der Firma Cryogenic mit einem Magnetfeld von rund einem Tesla. Vier Spulen werden mit Strömen von bis zu 200 Ampere erregt. Damit der Magnet supraleitend bleibt, muss er auf etwa 4,2 Kelvin gekühlt werden, also auf die Temperatur von flüssigem Helium. Vier Lastzellen messen mechanische Kräfte bis zu 4000 Newton an den Spulen.
All diese Werte müssen kontinuierlich ausgelesen, dargestellt und kontrolliert werden. Auch die Power-Supplies der Magnete werden über die Steuerung angesprochen. Das vorhandene System bestand aus einem Windows-10-PC mit einer LabVIEW-Anwendung. Im Alltag führte das jedoch immer wieder zu Problemen. LabVIEW stürzte gelegentlich ab, Windows verlangte regelmäßig nach Updates, und auf den Bildschirm konnte man nicht ohne weiteres über das Netzwerk zugreifen. Für ein Experiment, das rund um die Uhr laufen soll, war das langfristig keine gute Lösung.
Das Paul Scherrer Institut (PSI) ist die größte Forschungseinrichtung für Natur- und Ingenieurwissenschaften in der Schweiz und betreibt am Standort Villigen den weltweit intensivsten kontinuierlichen Myonenstrahl. Diesen nutzt das internationale Mu3e-Experiment, das nach einem extrem seltenen Zerfall eines positiven Myons in zwei Positronen und ein Elektron sucht. Würde dieser nachgewiesen, wäre das ein klares Zeichen für Physik jenseits des Standardmodells.
Lösung
Hutschienenlösung mit Revolution Pi
Die Forschenden am PSI ersetzten das bisherige Setup durch eine kompakte Industrielösung auf Hutschiene. Zum Einsatz kommen ein RevPi Core und ein RevPi AIO Erweiterungsmodul zur Erfassung der analogen Signale.
Auf dem Gerät läuft die Open-Source-Datenerfassungssoftware MIDAS. MIDAS wird seit über 30 Jahren in der Teilchenphysik eingesetzt. Die Software beinhaltet ein modernes Webinterface und integriert sich nahtlos in die bestehende Mu3e-Infrastruktur. Damit lässt sich der Magnet von jedem Rechner im PSI-Netzwerk aus überwachen und steuern.
Implementierung
So funktioniert die Magnetsteuerung
Auf dem RevPi Core läuft das KUNBUS Standard-Image, MIDAS wurde nativ kompiliert. Drei parallel laufende Frontend-Prozesse decken den Funktionsumfang ab:
- Lakeshore für die Temperatursensoren
- Loadcell für die mechanischen Lastzellen
- Cryogenic SMS für die Magnet-Power-Supplies
Die Lastzellen liefern 0 bis 10 Millivolt. Verstärker vom Typ TXDIN1600 von Omega wandeln das Signal in 0 bis 10 Volt um, das RevPi AIO Erweiterungsmodul digitalisiert es. Power-Supplies und Temperatursensoren laufen über USB-to-RS232-Konverter, gebündelt durch einen USB-Hub auf der Hutschiene.
Ergänzt um Schutzkomponenten und ein 24-Volt-Netzteil entsteht eine kompakte Installation ohne externen PC. Im MIDAS-Webinterface zeigt eine eigene HULK-Seite den Magnetzustand in Echtzeit und erlaubt kontrolliertes Hoch- und Herunterfahren. Über das Mu3e-Backend ist die Steuerung zudem Teil der globalen Datenerfassung.
Verwendete Technologien:
- RevPi Core als zentrale Steuerung auf der Hutschiene
- RevPi AIO Erweiterungsmodul für die analogen Eingänge
- KUNBUS Standard-Image als Betriebssystem
- MIDAS als Open-Source-Datenerfassungs- und Steuerungssoftware
- TXDIN1600 Lastzellen-Verstärker (Omega)
- USB-Hub auf Hutschiene mit USB-to-RS232-Konvertern für Power-Supplies und Lakeshore-Temperaturcontroller
- 24-Volt-Industrienetzteil
„Am Paul Scherrer Institut haben wir die Magnetsteuerung des Mu3e-Experiments von einer PC- und LabVIEW-Lösung auf einen Revolution Pi der KUNBUS GmbH umgestellt. Die neue Lösung arbeitet deutlich zuverlässiger, ist dank Hutschienen-Montage kompakter und robuster und ermöglicht über das MIDAS-System eine komfortable webbasierte Steuerung bei gleichzeitig geringeren Kosten."
– Dr. Stefan Ritt, Head Muon Physics, Laboratory for Particle Physics, Paul Scherrer Institut
Ergebnis & Ausblick
Zuverlässige Steuerung, weniger Kosten
Mit dem Umstieg auf den RevPi Core hat das Team am PSI mehrere Probleme auf einen Schlag gelöst. Die Steuerung läuft stabil im Dauerbetrieb. Ungeplante Neustarts durch Windows-Updates oder abgestürzte LabVIEW-Prozesse spielen heute praktisch keine Rolle mehr. Über das MIDAS-Webinterface lässt sich der Magnet zudem direkt über das Netzwerk überwachen und steuern. Statt eines kompletten Industrie-PCs samt LabVIEW-Lizenz reicht dafür jetzt eine kompakte Lösung auf Hutschiene.
Auch finanziell ist die neue Variante attraktiv. Statt teurer proprietärer Hardware in der Größenordnung einer NI CompactRIO-Lösung mit LabVIEW kommt das PSI mit RevPi Core, RevPi AIO Erweiterungsmodul und 24-Volt-Netzteil auf einen Bruchteil der bisherigen Kosten. Hinzu kommt der Open-Source-Charakter von MIDAS, der dem Forschungsteam volle Kontrolle über die Software gibt.
Für die Zukunft plant die Gruppe weitere Anwendungen auf RevPi-Basis. Im Gespräch sind Steuerungen für Beam Line Separators und X-Y-Scanner am PSI. Da MIDAS in der weltweiten Teilchenphysik-Community weit verbreitet ist, hat die Kombination aus RevPi und MIDAS Potenzial weit über das PSI hinaus.
Verwendete Produkte
STEUERUNG KOMPAKT
REVPI CORE
- Kompakt und kosteneffizient
- Ideal bei begrenztem Platz im Schaltschrank
- Erweiterbar mit I/Os und Gateways
Weitere Success Stories
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