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.“
Mehr Informationen zu den Produkten von Beckhoff finden Sie
HIER.