i-doit beim Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Im Dienst der Zukunft - i-doit pro als Inventarisierungstool für die Kernfusionsforschung

ASDEX Upgrade: Fusionsforschung made in Europe

Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik gilt als eine der führenden und größten Einrichtungen zur Erforschung der Energiegewinnung aus Kernfusion. Weltweit herausragende Projekte wie Wendelstein 7-X in Greifswald wurden von den mehr als 1100 Mitarbeitern entwickelt.

Ein weiteres Projekt des Max-Planck-Instituts ist „ASDEX Upgrade“ (AxialSymmetrisches Divertor-EXperiment). Diese Anlage ist neben Wendelstein 7-X eine der größten deutschen Versuchsanlagen. Seit 1991 wurden hier mehr als 40.000 Plasmazündungen durchgeführt. Mit ASDEX Upgrade werden Aspekte der Plasmaphysik untersucht, die für den im Bau befindlichen Fusionsreaktor ITER und den späteren Nachfolger DEMO relevant sind. Die hier durchgeführten Experimente sollen unter kraftwerksähnlichen Bedingungen Fragen zur künftigen Erzeugung von elektrischer Energie aus der Fusion von Atomkernen beantworten. 

Die Daten dieser Anlage sind durchaus eindrucksvoll. Mit einem Durchmesser von 5 Metern und einem Gewicht von 800 Tonnen wird in dieser Anlage ein Fusionsplasma mit einer Heizleistung von bis zu 27 Megawatt auf eine Temperatur von 100 Millionen Grad gebracht.

Seit dem Bau der Anlage wurden die Stromversorgungs- und Zusatzheizungssysteme sowie die Mess- und Regeleinrichtungen kontinuierlich erweitert. Dies führte zu einem enormen Geräte- und Anlagenbestand, der den Wissenschaftlern zur Verfügung steht. Mit der Anzahl der Anlagen stieg zwangsläufig auch die Komplexität. Es wurde immer schwieriger, den Überblick über die einzelnen Geräte, deren Anordnung und Abhängigkeiten zu behalten. Dies führte zu der Entscheidung, ein neues Inventarisierungssystem einzuführen. Die Wahl fiel auf i-doit pro.

Was führte zur Entscheidung für i-doit pro?

Viele der Daten des Projekts wären in Excel zu erfassen gewesen. Solche Tabellen sind jedoch vor allem eines: statisch. Die Pflege der Daten effizient und vor allem automatisiert zu realisieren, ist nur unter enormem Aufwand möglich.

Ein weiterer Nachteil: Der Lebenszyklus eines Systems, alle Änderungen, Neuerungen und Updates sind mit Excel schwer abzubilden. Damit war klar, dass eine Datenbanklösung eingesetzt werden muss, um die hohen Anforderungen an Dokumentation und Automatisierung zu erfüllen.

Organisation: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Bereich: ASDEX Upgrade, Grundlagenforschung Plasmaphysik
Mitarbeiter: ca. 1.100
Gebaut: 1991
Zahl durchgeführter Experimente: über 40.000

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Fusionsanlage ASDEX Upgrade: Plasma, Divertor, Plasmagefäß (mit zahlreichen Beobachtungsstutzen), Hauptmagnetfeldspulen und deren Stützstruktur.
(Grafik: MPI für Plasmaphysik, Mathias Dibon)
Quelle: https://www.ipp.mpg.de/bilder/asdex

Evaluierung geeigneter Lösungen

 

Während verschiedene Lösungen für die Inventarisierung geprüft wurden, stellte das Team des Max-Planck-Instituts fest, dass die zu lösenden Probleme auch in einem anderen Bereich bekannt waren: in der IT. Schnell wurde klar, dass eine Configuration Management Database die geeignete Lösung sein würde. Im Rahmen einer Evaluierung wurden verschiedene CMDB-Lösungen auf Herz und Nieren geprüft. i-doit pro konnte hier auf ganzer Linie überzeugen. Letztendlich waren die hohe Flexibilität, die Erweiterbarkeit und die vielen integrierten Schnittstellen ausschlaggebend.

Diese Kriterien waren für die Entscheidung wichtig:

  • Skalierbarkeit von Datenbankgröße und Objektanzahl
  • Mehrsprachig (Deutsch und Englisch)
  • Browserbasiert und damit weitgehend unabhängig von Betriebssystemen oder der Installation spezieller Software
  • Installation vor Ort (on-premise)
  • Daten werden auf einem lokalen Server gespeichert, nicht in einer fremden Cloud
  • Single-Sign-On mit zentralem Mitarbeiterausweis
  • Hierarchische Berechtigungen für Lesen, Schreiben, Zugriff verhindern ungewollte Manipulation von Datensätzen
  • Datensicherung und -archivierung mit Aufzeichnung der Änderungen
  • Regelmäßige Updates mit neuen Funktionen, Fehlerbehebungen und Änderungshistorie, auch unter Berücksichtigung von Anregungen der Nutzerinnen und Nutzer
  • Guter und schneller Support

Einrichtung und Inbetriebnahme von i-doit pro

Für den Betrieb von i-doit wurde die Installation auf einem eigenen Server gewählt. Die Zugriffskontrolle wurde mit Single-Sign-On realisiert, damit die Mitarbeiter ihre gewohnten Zugangsdaten verwenden können. Durch das granulare Rechtesystem von i-doit pro konnten alle Anforderungen des Max-Planck-Instituts erfüllt werden, um den Zugriff auf Informationen bedarfsgerecht zu steuern.

Die Einführung von i-doit an einer Forschungsanlage wie dem ASDEX Upgrade ist kein klassisches IT-Projekt. Das IT-orientierte Konzept von i-doit pro musste angepasst werden, wobei die Software ihre Flexibilität unter Beweis stellen konnte. Hier stand vor allem die Erfassung von Diagnoseeinheiten, Schaltschränken, Sensoren und Aktoren im Vordergrund. Für diese Assets wurden im Vorfeld eigene Objekttypklassen definiert und über die WebGUI angelegt.

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Die Fusionsanlage ASDEX Upgrade in Garching
(Foto: MPI für Plasmaphysik, Jan Michael Hosan)
Quelle: https://www.ipp.mpg.de/bilder/asdex

Bevor i-doit in der Torus-Halle produktiv eingesetzt wurde, dienten über 100 gut dokumentierte Geräte als Testobjekte. Die Daten dieser Geräte lagen in Tabellenkalkulationsdokumenten vor, die in einem Arbeitsgang als CSV-Datei importiert werden konnten.

Für die Diagnosegeräte und die Installationen in der Torus-Halle gab es keine solchen Dokumente. Die fehlenden Daten wurden und werden manuell ergänzt. Um eine einheitliche Struktur und Benennung der Objekte zu gewährleisten, ist derzeit nur ein Mitarbeiter berechtigt, neue Objekte anzulegen. Die Detailinformationen zu den einzelnen Geräten werden hingegen von den „Besitzern“ in Listen gesammelt und anschließend über den Massenimport in i-doit importiert.

Erfassung von Infrastruktur und Diensten

Das Beziehungskonzept der i-doit CMDB wird auch beim ASDEX Upgrade verwendet. Eine Diagnoseeinheit wird über eine lokale Beziehung als Standort definiert, mit dem die Komponenten „Schaltschrank“ und der zugehörige „Laser“ verknüpft sind.

Neben diesen lokalen Beziehungen werden auch funktionale Abhängigkeiten (Services) abgebildet, wie sie aus dem IT-Umfeld bekannt sind. Bestimmte Dienste sind nur dann verfügbar, wenn alle beteiligten Komponenten funktionieren. Beim ASDEX Upgrade ist die Auswertung des Videomaterials ein sehr wichtiger Service. Dieser Dienst ist nur dann verfügbar, wenn alle Komponenten vom Kamerakopf bis zum Auswerteprozessor reibungslos funktionieren.

Eine Besonderheit der funktionalen Abhängigkeiten ist, dass eine Komponente in mehreren Diensten verwendet werden kann. Durch den Einsatz der i-doit CMDB sehen die verantwortlichen Mitarbeiter nun auf einen Blick, welche Komponenten z.B. von der Wartung einer Anlage betroffen sind. Sie sind in der Lage, präventive und korrektive Maßnahmen zu entwickeln.

Anforderung an Verkabelung und Erfassung von Messsignalen

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Blick in das Plasmagefäß der Fusionsanlage ASDEX Upgrade (2015)
(Foto: MPI für Plasmaphysik, Volker Rohde)
Quelle: https://www.ipp.mpg.de/bilder/asdex

Neben der reinen Erfassung der Infrastruktur sind die Signalstrecken in der Forschung ein wichtiges Kriterium. Bei einer komplexen Anlage wie dem ASDEX Upgrade werden hunderte von Sensoren eingesetzt, z. B. Temperatur-, Druck- und Durchflussmesser. Nachvollziehbarkeit ist hierbei essentiell.

Jederzeit muss eine Information darüber verfügbar sein, welcher Sensor sein Signal zu welchem System bzw. Signalübertragungsraum sendet. Die Signale werden dort isoliert, gefiltert, verstärkt und im Anschluss auf verschiedene Aufzeichnungs-, Steuerungs- und Schutzsysteme digitalisiert.

i-doit pro bietet die Möglichkeit, für jedes Asset die Verkabelung zu dokumentieren. Zusätzlich wird zwischen Ein- und Ausgängen unterschieden. Dadurch kann die gesamte Messkette mit ihrer Verkabelung originalgetreu abgebildet werden.

Selbst die verwendeten Kabel werden durch die Vergabe einer Kabelnummer eindeutig identifiziert. Am Max-Planck-Institut wird ebenso das endgültige Ziel für das Messsignal (wissenschaftliche Datenbank) als virtuelles Objekt angelegt. So ist darstellbar, wo die Daten nach der Verarbeitung abschließend gespeichert werden.

Als zusätzliche Unterstützung wird das i-doit pro Add-on Floorplan eingesetzt. Auf jeder Etage sind die Transformatoren und andere Geräte exakt platziert, um eine schnelle Übersicht von jeder Etage zu erhalten.

Zuweisung von Verantwortlichkeiten

Bei der Vielzahl von technischen Geräten sind die Verantwortlichkeiten zu definieren. Hierzu wird die vorhandene Standardkategorie „Kontaktzuweisung“ genutzt. Über diese Kategorie werden zum einen die Bediener und Anwender eingetragen, zum anderen die Verantwortlichen für die Wartung und den Betrieb. In diesem Fall werden jedoch nicht einzelne Nutzer als Kontakte verknüpft, sondern Gruppen.

Diese Lösung bietet einen entscheidenden Vorteil. Bei einem Personalwechsel sinkt der administrative Aufwand. Benutzer werden einfach aus der jeweiligen Gruppe entfernt. Der neue Mitarbeiter wird hinzugefügt. Die Gruppen und Ihre Zuordnungen sind hingegen nicht zu verändern.

Im Tagesbetrieb am ASDEX Upgrade entscheidet jede Gruppe selbst, wie umfangreich sie Informationen über Komponenten dokumentiert. Hier gilt der Grundsatz: Je mehr relevante Informationen vorhanden sind, desto einfacher wird auch die Ursachenanalyse bei auftretenden Problemen. Dies wiederum liegt im Interesse der Gruppen.

Ein positiver Nebeneffekt: Bei der Erfassung der Anlagen in der Torus-Halle wurde festgestellt, dass bei rund 350 Gegenständen die Zuständigkeit nicht klar war. Für diese Objekte ist es nun möglich, Ansprechpersonen zu identifizieren und die weitere Nutzung zu klären. So trägt die Einführung von i-doit zu mehr Transparenz bei.

Die Zukunft von i-doit beim ASDEX Upgrade Projekt

Nach dem erfolgreichem Rollout der CMDB i-doit sind wesentliche Informationen über die vorhandenen Systeme zentral verfügbar. Alle Mitarbeiter haben durch die CMDB einen einheitlichen Zugriff auf Parameter und Status von Anlagen. Verknüpfungen, Wartungsintervalle und verantwortliche Ansprechpartner sind ebenso auf einen Blick ersichtlich wie Übersichtsdiagramme und Anlagenbilder.

Tatsächlich war i-doit zunächst nur für die Dokumentation der elektrischen Komponenten in der Torus-Halle gedacht. Das System ist jedoch mittlerweile für die Erfassung aller Transformatoren des Standortes Garching erweitert worden. Weiterhin werden mit i-doit alle bestrahlten Komponenten erfasst, welche die Torus-Halle verlassen. So wird die Konformität mit bestehenden Strahlenschutzanforderungen unterstützt.

Die zukünftig größte Herausforderung wird im kontinuierlichen Pflegen der angelegten Objekte bestehen. Fehlende und neue Komponenten sind anzulegen und neue Dienste zu implementieren. Doch diese Herausforderung ist gleichzeitig die größte Chance. Die Einführung der neuen CMDB bietet die einmalige Gelegenheit, den Status, die Zuständigkeit und die weitere Verwendung von bisher ungeklärten Objekten zu klären.

Insgesamt bewertet das Max-Planck Institut i-doit als sehr nützliches Werkzeug für die Erfassung von Assets, die Dokumentation der Verkabelungen und Ports sowie der Abbildung ihrer Services.

Quellennachweis: Alle verwendeten Fotos stammen vom Presseportal des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik, Garching