A Grundfos „Élő laboratóriuma” Beckhoff-eszközökkel

Intelligens energiafelhasználás-monitorozás a Microsoft Azure™ IoT Suite és a TwinCAT IoT segítségével

A mai automatizálási trendek között egyformán előkelő helyen szerepel az Internet of Things és az enegiamenedzsment. E két szakmai irány egyesül a dán Grundfos által automatizált iskolaépületben, amelynek energiarendszerét a Beckhoff PC-alapú vezérléstechnikai eszközei felügyelik.

Egy energiafelhasználás-monitorozással és intelligens fogyasztásméréssel kapcsolatos technológiák kutatására irányuló projekt részeként a Grundfos, a Microsoft és a Beckhoff a dániai Århus faluban található „Grundfos Kollegiet” diákkollégiumot olyan intelligens PLC-rendszerekkel szerelte fel, amelyek adatokat továbbítanak a Microsoft felhőalapú számítástechnikai platformján működő energiafelhasználás-monitorozó rendszerbe. A kollégium a település kikötői negyedének közelében helyezkedik el, és a legfejlettebb energiahatékonysági szabványoknak megfelelően a legújabb építési és automatizálási technológiákat hasznosítva épült. Az épületek működésének optimalizálása érdekében az energiafelhasználás-monitorozó rendszer egy adatbázist hoz létre. Mivel az „Élő laboratórium” elnevezésű projektben maguk a lakók is részt vesznek, az épület tulajdonosai az emberek komfortérzetének romlása nélkül képesek fokozni a hatékonyságot.
A Grundfos-projekt első szakasza még 2012-ben valósult meg, amikor egy speciális szerverinfrastruktúrát és -adatbázist telepítettek az épületbe. Ahogyan a monitorozási ciklusok rövidebbé váltak – miközben az aktuális és múltbeli körülmények zökkenőmentes elemzéséhez szükséges adatok mennyisége folyamatosan nőtt –, ennek a számítástechnikai infrastruktúrának a felügyelete pénzben és munkaerőben kifejezve is egyre drágább lett. Az adatok védelme a különböző felhasználói csoportoktól szintén egyre bonyolultabb rendszereket kívánt meg. A követelmények jövőbeni teljesítése érdekében az érintett felek 2015-ben úgy döntöttek, hogy újratervezik a projektet, és a szerverinfrastruktúrát felhőalapú rendszerbe helyezik át. E változtatás során a Beckhoff nagymértékben skálázható vezérlési technológiája sikeresen bizonyította rugalmasságát, mivel segítségével a helyi épületautomatizálási környezetet fennakadásmentesen ki lehetett egészíteni a felhőalapú kapcsolattal. Az energiával kapcsolatos adatokat a PLC-k és a be-kimeneti alrendszerek már a felhőalapú rendszerbe továbbítják a könnyen konfigurálható, programozást nem igénylő TwinCAT IoT-szoftver segítségével.

1. ábra A Grundfos Kollegiet kollégiumépület

A Microsoft Azure™ felhőalapú platform minden szükséges erőforrást tartalmaz ahhoz, hogy az adatok feldolgozásához és tárolásához gyors és bővíthető infrastruktúrát lehessen létrehozni. Az „Élő laboratórium” energiafelhasználásának monitorozásból származó adatokhoz való hozzáférés beállítható és engedélyezhető a felhasználói csoportok széles köre számára. Az adatok az épület lakói és vezetősége, valamint a Grundfos kutatási és technológiai részlegei számára egyaránt elérhetők. A lakók és az épület vezetősége körében folytatott különböző felmérések alapján a Grundfos azt reméli, hogy az adatok felhasználásával olyan lehetőségek, területek tárhatók fel, ahol megjelenítheti a jelenlegi, illetve később az új termékeit, továbbá kamatoztathatja különféle üzleti modelljeit. Az Århusi Egyetem szintén részt vesz a projektben azzal, hogy elemzi a lakók viselkedése és az energiafelhasználás közötti kapcsolatot.

2. ábra Az épületmenedzsment adatkapcsolati rendszere

Korábban az energiafelhasználás-monitorozó rendszer az összes energiafogyasztási adatot tárolta és elemezte, valamint kezelte a riasztásokat is. A 12 emeletes épület 156 lakóegységből áll, ahol három másodpercenként 3000 érzékelő gyűjti az adatokat és adja át a magasabb rendszerszintek számára. Az érzékelők Beckhoff BC9191 típusú buszcsatolókhoz és CX9020 típusú beágyazott PC-khez csatlakoznak. A központi Beckhoff ipari PC futtatja a TwinCAT IoT Data Agent nevű szoftvert, amely az érzékelőktől gyűjti az adatokat OPC-UA protokollon keresztül, emellett gateway-ként szolgál a Microsoft Azure™ felhő, különösen pedig az Azure IoT Hub felé. A TwinCAT IoT Data Agent hatékonyan választja el a PLC-rendszereket a felhő-alapú környezettől. A közzétevő/előfizető (publisher/subscriber) mechanizmusoknak és a központi üzenetközvetítőként működő Azure IoT Hub szolgáltatáson keresztüli kommunikációnak köszönhetően nincs szükség arra, hogy az adatcsere során az érintett eszközök és szolgáltatások megadják egymásnak a címeiket. Ezek kizárólag a központi közvetítőn keresztül kommunikálnak, amely az összes üzenetcímzési feladatot ellátja. A gateway PC elé helyezett tűzfal szemszögéből nézve a kommunikáció során az üzenetek küldése és fogadása titkosított átvitellel történik, a tűzfal pedig lehetővé teszi az összes bejövő kommunikáció letiltását, ezáltal megakadályozva az illetéktelen külső hozzáférést. A leírt folyamat révén megvédhetők a lakók személyes adatai, a vállalat szellemi tulajdona, valamint az épület működése is a véletlenszerű vagy szándékos beavatkozástól.
A Data Agent grafikus felhasználói felületén keresztül könnyen be lehet állítani, hogy az érzékelők adatait az Azure IoT Hub-ba továbbítsa a rendszer. A különböző paraméterek segítségével a rendszergazda azt is beállíthatja, hogy az adatátvitel mikor kezdődjön: periodikusan, esetleg amikor bizonyos értékek megváltoznak, vagy amikor bizonyos műveleteket végrehajtanak. A belső pufferelési mechanizmusok az érzékelők hiányzó adatait is továbbítják egy esetleges áramkimaradás után. Ha az adatkapcsolat összeomlik, a TwinCAT IoT Data Agent rögzít egy időbélyeget. A kapcsolat helyreállítása után a Data Agent visszaolvassa a hiányzó információkat a belső memóriából, majd elküldi az Azure IoT Hub felé.

3. ábra A rendszer tömbvázlata

Központos, biztonságos, üzenetalapú adatkapcsolatot nyújtó szolgáltatásként az Azure IoT Hub felelős az energiafelhasználási adatok fogadásáért, valamint azok továbbításáért a Microsoft Azure™ összes érintett felhőszolgáltatásához. Az energiafogyasztási adatok további elemzése a Microsoft IoT Suite segítségével lehetséges. Ez utóbbi felügyeli a berendezéseket, továbbá összegyűjti a nyers adatokat az Azure SQL Data Warehouse, illetve a PowerBI nevű eszközzel való feldolgozáshoz. Az Azure Stream Analytics és az Azure Machine Learning szolgáltatás a rendellenességeket ismeri fel: különleges algoritmusaikkal kimutatható, hogy egy adott időszakon belül az érzékelők által detektált értékek a szokásos tartományba esnek-e, vagy esetleg nem rögzítették őket. Ilyen esetekben a rendszer elektronikus levélben küld riasztást a felügyeletnek.
Mindezeken túl egy speciális programozói felületen keresztül a különböző felhasználói csoportok – mint például a bent lakó diákok – is hozzáférhetnek az energiafelhasználási adatokhoz. Például egy projekt részeként fejleszthetik saját alkalmazásaikat vagy algoritmusaikat, illetve teljesíthetik egy főiskolai tantárgy követelményeit is. A programozói felület az Azure Service Fabric szolgáltatáson alapul, és tartalmaz egy olyan függvényt is, amellyel korábbi energiafelhasználási információkat lehet lekérdezni. Az adatokat az Azure Active Directory és az Application Insights szolgáltatásai védik, amely hitelesíti a különböző felhasználói csoportokat.

4. ábra A felügyeleti rendszer áttekintő képernyője

Ahogyan ez a projekt kiválóan szemlélteti, a Data Agent segítségével a már meglévő vezérlőrendszerek könnyen kiegészíthetők új technológiákkal és a felhőszol-
gáltatáshoz is csatlakoztathatók. Mindez a tényleges TwinCAT automatizálási projekt módosítása nélkül lehetséges, ezáltal a meglévő rendszerekbe fektetett erőfeszítések nem vesznek el. A felhőalapú szolgáltatások használatával a rendszerek rugalmasan átalakíthatók a megváltozott szükségleteknek megfelelően anélkül, hogy járulékos egységeket vagy programokat kellene beszerezni. Ezáltal a működési költségek is jelentősen csökkennek.

(a képek forrása: Grundfos, Denmark)

További információk:
www.grundfos.com

www.microsoft.com/azure

www.beckhoff.hu/twincat-iot

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 9940
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.beckhoff.hu

Még több BECKHOFF