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Bild: Empa/Zooey Braun

Bild: Empa/Zooey Braun

Gebäude- und Mobilitätsbereich kommunizieren flexibel per OPC UA

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-PC des Typs CX5140 mit Twincat 3 OPC UA.

Der Anlagenstatus der Demonstratoren wird auf Multitouch-Control-Panels CP2915 per Twincat PLC HMI visualisiert. (Bild: Beckhoff)

Der Anlagenstatus der Demonstratoren wird auf Multitouch-Control-Panels CP2915 per Twincat PLC HMI visualisiert. (Bild: Beckhoff)

Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungs ­anstalt Empa übernimmt als interdisziplinäres Forschungs ­institut 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.
Da die Empa-Demonstratoren unterschiedlichen Nutzern zur Verfügung stehen, sind laut Philipp Heer, Group Leader Ehub bei der Empa, eine möglichst offene und herstellerunabhängige Plattform sowie 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.“

Prozessleitebene in der Cloud

Bei der Empa werden Ethercat-Klemmen und Busklemmen, zum Beispiel die Handbedienmodule KL85xx (unten), gemischt eingesetzt (Bild: Beckhoff)

Bei der Empa werden Ethercat-Klemmen und Busklemmen, zum Beispiel die Handbedienmodule KL85xx (unten), gemischt eingesetzt (Bild: Beckhoff)

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 An ­lagen gewährleistet und andererseits im Rahmen von Forschungsarbeiten das Übersteuern jeglicher Aktoren ermöglicht.
Für P. Heer konnte man den hohen Komplexitäts- und Flexibili ­tätsanforderungen mit OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) als Kommunikationstechnologie 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-PC als Kern der Datenkommunikation

Einzelne Forschungs-Units lassen sich nach dem Plug-and-play-Prinzip einfach in Nest integrieren (Bild: Beckhoff)

Einzelne Forschungs-Units lassen sich nach dem Plug-and-play-Prinzip einfach in Nest integrieren (Bild: Beckhoff)

Ein Embedded-PC CX5140 steuert seinen jeweiligen Anlagenbereich und dient als OPC-UA-Server und -Client (Bild: Beckhoff)

Ein Embedded-PC CX5140 steuert seinen jeweiligen Anlagenbereich und dient als OPC-UA-Server und -Client (Bild: Beckhoff)

Hierzu kommen in den drei EmpaDemonstratoren insgesamt zehn Embedded-PC CX5140 mit Twincat OPC UA (TF6100) zum Einsatz. Deren Funktion erläutert P. 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-PC – als zentraler Manager im Nest, zur Anbindung des Microgrids und für die Unit-Inte ­gration. Erfasst werden darüber rund 60 000 OPC-UA-Objekte inklusive verschiedener Datenpunkt-Instanzen zum Beispiel mit Schreibzugriff für die Forschenden oder für die Gebäude ­automation. Davon werden wiederum ungefähr 6.000 relevante Sensorsignale direkt in eine Datenbank geloggt. Trotz dieser umfangreichen Systemstruktur gab es bislang keinerlei Performanceprobleme.
Einen Vorteil bietet dabei das Twincat-OPC-UA-Gateway. Es ist ein zentraler Zugriffspunkt für das komplette Informa ­tionsmodell, 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 P. 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

Die Empa-Nest-Spezialisten: Reto Fricker, Sascha Stoller und Ralf Knechtle, alle technische Fachspezialisten Urban Energy Systems, Philipp Heer, Group Leader Ehub (v. l. n. r.) sowie Daniel Rothenberger, Sales Manager Building Automation bei Beckhoff Schweiz (2. von rechts) (Bild: Beckhoff)

Die Empa-Nest-Spezialisten: Reto Fricker, Sascha Stoller und Ralf Knechtle, alle technische Fachspezialisten Urban Energy Systems, Philipp Heer, Group Leader Ehub (v. l. n. r.) sowie Daniel Rothenberger, Sales Manager Building Automation bei Beckhoff Schweiz (2. von rechts) (Bild: Beckhoff)

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 viele verschiedene Schnittstellen abgedeckt werden mussten. P. Heer: „Wichtig war neben der kompakten Bauweise, dass sich die Schnittstellenvielfalt nicht nur auf die typischen gebäudetechnischen Standards wie Dali, KNX oder M-Bus erstreckt hat. Denn in diesem ersten Gebäude kamen zusätzlich weitere industrielle Kommunika ­tionsprotokolle 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 P. Heer durch Twincat Scope: „Aufgrund der großen Benutzerfreundlichkeit und leistungsfähigen Analysefunktionalität von Twincat Scope lassen sich anhand hoch aufgelöster Daten sehr gut Steuerungen testen und Störgrößenaufschaltungen auswerten.“
www.beckhoff.de/building


Autor:
Stefan Ziegler ist im Editorial Management PR für die Beckhoff Automation GmbH & Co. KG in Verl tätig.

Die Demonstratoren Nest, Ehub und Move

  • Nest ist eine modulare und flexible Gebäudestruktur, die aus einem zentralen Gebäudekern – dem Backbone – und drei offenen Plattformen besteht. Auf den als Etagen dienenden Plattformen lassen sich einzelne Forschungs- und Innovationsmodule nach dem Plug-and-play-Prinzip installieren. Diese sogenannten Units werden sowohl als Arbeits- bzw. Wohnort als auch als belebte und damit realitäts ­nahe Versuchslabors genutzt. Die Units sind über thermische und elektrische Netze miteinander verbunden und können über diese miteinander interagieren.
  • Die Energieforschungsplattform Ehub verbindet die beiden anderen Demonstratoren – Nest und den als separates Gebäude aufgebauten Move – und kann alle energierelevanten Komponenten einzeln und entsprechend der jeweiligen Forschungsarbeiten ansteuern. Dabei betrachtet der Ehub nicht Nest, sondern die verschiedenen Units als einzelne Gebäude. In Verbindung mit den weiteren Demonstratoren Nest und Move lassen sich somit alle Energieflüsse im Mobilitäts-, Wohn- und Arbeitsbereich koppeln, neue Energiekonzepte in der Praxis testen sowie das Potenzial für Effizienzsteigerung oder CO2-Reduktion ausloten. Dazu erläutert P. Heer von der Empa: „Der Energy Hub beinhaltet zum einen als typische Energiezentrale die üblichen physischen Komponenten, wie Wärmepumpen, Erdsonden und Batterien, für insgesamt 15 Gebäude. Interessanter ist aber seine Funktion als Steuerungsebene. Hier dient er als virtuelle Plattform für Regelungstechnik- und Energiemanagementprojekte.“
  • Die Demonstrations- und Technologietransfer-Plattform Move unterstützt die Entwicklung und praktische Erprobung neuer Fahrzeugantriebskonzepte mit signifikant niedrigeren CO2-Emissionen. Als Energiequelle dient überschüssiger Strom aus Photovoltaikanlagen oder aus Wasserkraftwerken. Damit lassen sich einerseits Batterien in Elektrofahrzeugen laden und andererseits Wasserstoff und synthetisches Methan für Brennstoffzellenfahrzeuge bzw. Erdgas-/Biogasfahrzeuge erzeugen. Die Verbindung zwischen Ehub und Move schafft außerdem die Möglichkeit, erneuerbare Energien aus dem Gebäudebereich in die Mobilität zu verlagern und dort als Treibstoff zu verwenden oder in Form von Wasserstoff zu speichern.

OPC-UA-Kommunikation bei der Empa im Detail

  • OPC-UA-Transportschicht: Der Empa-Demonstratorenpark ist modular aufgebaut. Für die unterschiedlichen Teilsysteme im Nest-Backbone und den Units sowie in Ehub und Move werden eigene Steuerungen eingesetzt, die über einen OPC-UA-Server und -Client verfügen. Die Teilsysteme kommunizieren per OPC UA untereinander sowie mit dem Twincat-OPC-UA-Gateway in der Cloud, welches alle OPC-UA-Server in Form eines gemeinsamen Servers zur Verfügung stellt. Dies ist zugleich der Zugangspunkt für übergeordnete Systeme wie Datenbank, Forschungstemplate und Scada-System. Die Querkommunikation zwischen den Embedded-PC CX5140 wurde von der Empa mithilfe der in Twincat zur Verfügung stehenden OPC-UA-Client-PLC-open-Funktionsbausteine realisiert.
  • OPC-UA-Informationsmodell: Das Nest-Informationsmodell basiert auf Objekttypen für alle Geräte- und Sensorgruppen. Diese Objekttypen unterscheiden Read und Write und beinhalten alle wichtigen Datenpunkte. Pro Gerätegruppe gibt es einen Objekttyp, der sich beliebig oft zu Objekten instanziieren lässt. So ist eine hierarchische Struktur möglich, bei der die Objekte mit unterschiedlicher Auflösung über den Namespace des OPC-UA-Servers abgefragt werden können.
  • Machine-to-Machine-Kommunikation: Der Demonstratorenpark umfasst Anlagen mit unterschiedlichen Steuerungen. Alle Mess- und Stellwerte für die Anlagen werden über IO- bzw. Bussysteme in der jeweiligen Steuerung verarbeitet und über die definierten Objekte im OPC-UA-Namespace zur Verfügung gestellt.
  • Machine-to-Human-Kommunikation: Jede Anlage verfügt über die zwei Betriebsarten Normal- und Forschungsbetrieb. Im Forschungsbetrieb wird die Logik auf der Anlagensteuerung übersteuert. Hierzu wurde für jeden Aktor ein Funktionsbaustein erstellt, der über zwei OPC-UA-Write-Instanzen für die beiden Betriebsarten angesprochen werden kann.