ECAD unter besonderen Bedingungen

Bei der elektrotechnischen Ausstattung des European XFEL in Hamburg ist vieles außergewöhnlich: sowohl die eingesetzten Komponenten als auch die Experimentierstationen der einzigartigen Forschungseinrichtung, die ab 2017 Einblicke z. B. in Nanostrukturen, Moleküle und Viren erlauben wird. Dennoch haben die Elektroplaner ihre Arbeit durch Automatisierung erheblich vereinfachen können – mit EPLAN Electric P8, EEC One und dem Zusatzmodul EPLAN FieldSys. Mit dem „European XFEL“ entsteht in Hamburg eine große Einrichtung der Grundlagenforschung, die zahlreichen Disziplinen neue Erkenntnisse bringen wird. In einem rund 2 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger werden Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dabei mit hoher Energie aufgeladen. Anschließend fliegen sie in einem Slalomkurs durch eine besondere Magnetanordnung („Undulator“) und senden dabei laserartige Röntgenstrahlung aus. Wissenschaftler und Forschungseinrichtungen aus vielen Nationen arbeiten für den Bau des Röntgenlasers zusammen, elf beteiligte Staaten finanzieren das Großprojekt.

Röntgenblitz bringt neue Erkenntnisse

Die extrem energiereichen Röntgenblitze ermöglichen neue Einblicke in Nanostrukturen und sogar einzelne Moleküle. Sie können zum Beispiel helfen, die dreidimensionale Struktur von Biomolekülen zu entschlüsseln. Oder sie ermöglichen es, chemische Reaktionen zu filmen, die sich in weniger als 0,1 billionstel Sekunden abspielen. Zudem erlauben sie die Beobachtung von Zellbestandteilen und ganzen Viren. Von den Einblicken, die sich hier ergeben, profitieren zahlreiche Disziplinen. Deshalb wird es in der unterirdischen Experimentierhalle sechs Experimentierstationen geben, in denen weltweit führende Wissenschaftler z. B. auf den Gebieten Biologie, Chemie, Medizin und Teilchenphysik ihre Experimente durchführen können. Die sechs Bereiche sind deshalb jeweils mit anderen Messinstrumenten und -geräten ausgestattet.

Große Herausforderung für die elektrotechnische Planung

Der Bau dieser Anlage, der 2009 begonnen hat, wird im Jahr 2017 abgeschlossen sein. Für die beteiligten Planer und Zulieferer ist das Projekt eine große Herausforderung, weil auch auf der Ebene der Komponenten vielfach Neuland beschritten werden muss. Aus demselben Grund ist die elektrotechnische Planung besonders anspruchsvoll. Und es gibt noch mehr Herausforderungen. Dr. Antonios-Vassilios Lalechos, der bei European XFEL unter anderem die elektrotechnisch Planung in der Experimentierhalle verantwortet (Bild): „Das Projekt ist außerordentlich komplex. Es gibt allein mehrere tausend Ventile, die elektrisch angeschaltet werden. Dabei stellen wir sehr hohe Anforderungen nicht nur an die Planung, sondern auch an die Dokumentation. Und wir verwenden kaum Bauteile von der Stange: Die meisten Komponenten werden speziell für European XFEL entwickelt, und wenn wir Standardbauteile verwenden, werden sie bei uns oft zweckentfremdet.“ Tscheu erstellt auch die elektrotechnische Dokumentation: „Die Dokumentation ist von zentraler Bedeutung, weil die gesamte Anlage während des Betriebs stetig weiter entwickelt und verändert wird. Dazu brauchen die Ingenieure immer den aktuellen Dokumentationsstand.“

Automatisierte Schaltplanerstellung – sinnvoll auch bei Sonderprojekten

Bei seiner Arbeit wird Antonios Lalechos von drei Mitarbeitern unterstützt. Vor zweieinhalb Jahren wurde zunächst ein Konzept für die anspruchsvolle Elektroplanung entwickelt. Dazu gehörte auch die Entscheidung für EPLAN Electric P8 und das EEC One. Diese Software erlaubt das automatisierte Erstellen von Schaltplänen auf der Basis einer Excel-Oberfläche. Der Konstrukteur wählt dann aus einer individuell konfigurierbaren Liste Komponenten oder selbst definierte Makros aus, die er noch bearbeiten bzw. variieren kann, und erhält auf dieser Basis den – vom System generierten – Stromlaufplan. Dass die European XFEL-Planer die Möglichkeiten der automatisierten Schaltplanerstellung nutzen, mag zunächst überraschen, denn der Röntgenlaser ist weltweit einzigartig und kein Serienprodukt. Dennoch beschleunigt die Automation die Elektroplanung ganz erheblich. Antonios LalechosAntonios Lalechos: „Wir haben für verschiedene Funktionen Makros entwickelt, die wir jeweils variieren. Wir müssen dann also nur die Varianten bzw. die abweichenden Planungsdaten generieren.“ Ein Beispiel: Es gibt im EEC One ein funktionales Makro „Detektor“ als Standard-Design, das sich in verschiedene Subfunktionen untergliedert und jeweils mehrere hundert Verkabelungen erfordert: „Insgesamt haben wir 165 Varianten dieses Makros erzeugt – eine enorme Arbeitsersparnis.“ Ähnlich gehen die Elektroplaner auch bei der Anschaltung von Elektromotoren vor – davon gibt es in den einzelnen Experimentierstationen jeweils mehr als tausend Stück, viele in individueller Ausprägung, und auch bei der Integration von Sensoren und Ventilen, Pumpen und Vakuumkomponenten. Nochmals erleichtert wird ihnen die Arbeit dadurch, dass alle Zulieferer ebenfalls mit EPLAN entwickeln: Das schafft die Voraussetzung für ein durchgängiges Planungstool. Eine weitere Besonderheit: Die elektrotechnischen Komponenten werden nicht in Schaltschränken untergebracht, sondern in wassergekühlten Racks. Die Kommunikation erfolgt über PCP/ IP, und bei den Steuerungen hat sich European XFEL für Beckhoff entschieden. Routing im Tunnel – bei knapper Zeit auf engem Raum EEC One ist aber nicht das einzige Automations-Werkzeug der Elektroplanung. Tscheu und sein Team nutzen auch die Möglichkeiten der automatisierten Bestimmung von Kabellängen- und -verlegewegen. „Eins sehr genaues Routing ist für uns von größter Bedeutung, weil die Kabel alle im Tunnel verlegt werden. Dort ist der Platz ebenso begrenzt wie die Montagezeit. Umso wichtiger ist für uns eine genaue, fehlerfreie Planung.“ Gewährleistet wird sie durch das Modul EPLAN FieldSys, das European XFEL intensiv nutzt: „Wir senden die Daten an einen externen Dienstleister, der die Kabel mit speziellen Verbindungselementen vorkonfektioniert. Die Installation selbst erfolgt dann in sehr kurzer Zeit, und die Kabel passen immer.“

Flexibilität des Systems ist entscheidend

Warum haben sich die Elektroplaner bei European XFEL für EPLAN entschieden? Antonios Lalechos: „Entscheidend waren für uns die Makro-Funktionalität und das Routing. Die erste Funktion beschleunigt die Planung, die zweite die Installation der komplexen Elektroanlagen in der Experimentierhalle.“ Sehr wichtig ist den Planern auch die sehr weit gehende Flexibilität von EEC One: „Wir haben es fast ausschließlich mit ´ungewöhnlichen´, kundenspezifischen Bauteile zu tun, die wir in die Elektroplanung integrieren. Aus dem EPLAN Data Portal können wir fast nichts übernehmen. EEC One ist für uns deshalb eher ein Integrations- als ein Entwicklungswerkzeug, und diese Aufgabe erfüllt es zu unserer vollen Zufriedenheit.“