Der Gebäude- und der Mobilitätsbereich auf dem Campus des interdisziplinären Forschungsinstituts Empa dienen der Energieforschung in einem belebten Wohn- und Arbeitsumfeld. Um diese Bereiche – bestehend aus den Elementen NEST, ehub und move – mit all ihren Energie produzierenden, speichernden, transportierenden und umwandelnden Komponenten zu verbinden, setzt man auf den Kommunikationsstandard OPC UA. Die Basis für die übergreifende Datenübertragung von der Steuerungsquerkommunikation bis zur Datenanalyse in der Cloud bilden Embedded-PCs des Typs CX5140 mit TwinCAT 3 OPC UA.
Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa übernimmt als interdisziplinäres Forschungsinstitut des ETH-Bereichs eine Brückenfunktion zwischen Forschung und praktischer Anwendung. Einen Schwerpunkt bilden dabei Energie- und nachhaltige Gebäudetechnologien, die mithilfe verschiedener Demonstratoren – sogenannte Research and Technology Transfer Platforms – erforscht werden. Dabei handelt es sich um die Großprojekte NEST (Next Evolution in Sustainable Building Technologies), ehub (Energy Hub) und move (Future Mobility Demonstrator), die in enger Zusammenarbeit mit Forschungspartnern und der Industrie marktfähige Lösungen im Gebäude-, Mobilitäts- und Energiebereich hervorbringen sollen.
PC-based Control und OPC UA bieten Offenheit und klare Schnittstellen
Da die Empa-Demonstratoren unterschiedlichsten Nutzern zur Verfügung stehen, sind laut Philipp Heer, Group Leader ehub bei der Empa, eine möglichst offene und herstellerunabhängige Plattform und gleichzeitig klare Schnittstellendefinitionen erforderlich: „Es besteht lediglich eine physikalische Verbindung von den Units zum NEST-Backbone, welche die Units mit den vorhandenen thermischen und elektrischen Systemen koppelt. Jede Unit funktioniert für sich eigenständig und mit ihrer eigenen Automatisierungslösung, welche über Ethernet kommuniziert. Die Herausforderung besteht darin, neue Units mit möglichst wenigen Einschränkungen in die Demonstratoreninfrastruktur zu integrieren, sodass die Systeme einerseits vom technischen Dienst gewartet und andererseits für Forschungszwecke uneingeschränkt und sicher benutzt werden können. Die Integration muss flexibel sein, weil sich die Systemgrenze immer wieder verändert, sobald eine neue Unit hinzukommt.“
Eine weitere Herausforderung lag in der flexiblen Zugänglichkeit auch von außerhalb des Empa-Campus. Um dies zu realisieren, verzichtete man auf interne Server und realisierte die Prozessleitebene direkt in der Cloud. Dabei war u. a. eine spezielle Softwarearchitektur in den Steuerungen erforderlich, die einerseits den sicheren Betrieb der Anlagen gewährleistet und andererseits im Rahmen von Forschungsarbeiten das Übersteuern jeglicher Aktoren ermöglicht. Für Philipp Heer konnte man den hohen Komplexitäts- und Flexibilitätsanforderungen mit OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) als Kommunikationstechnologie optimal gerecht werden: „OPC UA wird von der Querkommunikation auf der Steuerungsebene bis hinauf zur Datenanalyse in der Cloud und zur Forschungsintegration eingesetzt. Hierfür wurde ein eigenes OPC UA-Informationsmodell entwickelt. Mithilfe dieses Modells können neue Units und Komponenten nach standardisierten Vorgaben integriert werden. Um den Integrationsaufwand möglichst gering zu halten, wurden Teile der Softwarearchitektur direkt in das OPC UA-Informationsmodell integriert, damit eine Vereinheitlichung gewährleistet werden kann. Zudem besteht die Möglichkeit, neue Software und Dienstleistungen im Bereich des Internet of Things (IoT) zu implementieren, ohne das bestehende System anpassen zu müssen.“
Embedded-PCs mit TwinCAT OPC UA als Kern der Datenkommunikation
Hierzu kommen in den drei Empa-Demonstratoren insgesamt zehn Embedded-PCs CX5140 mit TwinCAT OPC UA (TF6100) zum Einsatz. Deren Funktion erläutert Philipp Heer: „Sieben CX5140 dienen als TwinCAT OPC UA Server und Client im NEST-Backbone zur Anbindung der Lüftungs- und Heizungsanlagen sowie der Raumautomation. Hinzu kommen drei weitere Embedded-PCs – als zentraler Manager im NEST, zur Anbindung des Microgrids und für die Unit-Integration. Erfasst werden darüber rund 60.000 OPC UA-Objekte inklusive verschiedener Datenpunkt-Instanzen z. B. mit Schreibzugriff für die Forschenden oder für die Gebäudeautomation. Davon werden wiederum ungefähr 6.000 relevante Sensorsignale direkt in eine Datenbank geloggt. Trotz dieser umfangreichen Systemstruktur gab es bislang keinerlei Performanceprobleme. Einen besonderen Vorteil bietet dabei das TwinCAT OPC UA Gateway. Es ist ein zentraler Zugriffspunkt für das komplette Informationsmodell, in dem jeder Sensor in einer entsprechenden Struktur abgebildet ist. Auf diese Weise sind alle Informationen der Datenbank sowie von anderen eingebundenen Systemen wie LabVIEW komfortabel über nur eine Schnittstelle verfügbar.“
Eine weitere Besonderheit besteht für Philipp Heer darin, dass sich die klassische, mit der Building Automation Library von TwinCAT realisierte Gebäudeautomation direkt über OPC UA beeinflussen lässt: „Ganz nach Bedarf eines bestimmten Forschungsprojekts können wir jeden einzelnen Aktor übersteuern. Innerhalb der Baumstruktur des Informationsmodells lässt sich dafür mit TwinCAT OPC UA sehr elegant und einfach eine neue Instanz anlegen. So sehen die Forschenden lediglich ihre eigene Baumstruktur, ebenso wie die Gebäudeautomation nur diejenige für den normalen Betrieb erkennt. Über einen in der Beckhoff-Steuerung realisierten Selektor wird dann von uns über die jeweilige Berechtigung entschieden. Dies funktioniert extrem schnell und flexibel, was einen großen Vorteil darstellt.“
Flexibilität als entscheidender Vorteil PC-basierter Steuerungstechnik
An der Empa setzt man bereits seit 2013 auf die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff. Ausgangspunkt war damals die Automatisierung eines kleinen Forschungsgebäudes, in dem sehr viele verschiedene Schnittstellen abgedeckt werden mussten. Philipp Heer: „Wichtig war neben der kompakten Bauweise, dass sich die Schnittstellenvielfalt nicht nur auf die typischen gebäudetechnischen Standards wie z. B. Dali, KNX oder M-Bus erstreckt hat. Denn in diesem ersten Gebäude kamen zusätzlich weitere industrielle Kommunikationsprotokolle zum Einsatz, die ebenfalls einzubinden waren. Schon bei diesem Projekt wurden gemischt sowohl Bus- als auch EtherCAT-Klemmen eingesetzt, was mit der Beckhoff-Technik problemlos möglich ist. Und gerade in den Bereichen, wo eine sehr hohe Messgenauigkeit erforderlich ist, profitieren wir von der extrem leistungsfähigen EtherCAT-Kommunikation.“
Die nahtlose Integration der Energiemesstechnik ist ein weiterer Vorteil von PC-based Control. So kommen rund 25 EtherCAT-3-Phasen-Leistungsmessklemmen EL3403 und EL3443 zum Einsatz, um alle relevanten elektrischen Daten des Versorgungsnetzes erfassen und auswerten zu können. Eine zusätzliche Vereinfachung sieht Philipp Heer durch TwinCAT Scope: „Aufgrund der großen Benutzerfreundlichkeit und leistungsfähigen Analysefunktionalität von TwinCAT Scope lassen sich anhand hochaufgelöster Daten sehr gut Steuerungen testen und Störgrößenaufschaltungen auswerten.“
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