magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

beckhoff lidAz Empa (a Svájci Szövetségi Anyagvizsgáló és -Kutató Laboratórium) kampuszának lakó- és munkakörnyezetében több tudományágat átfogó, az építési és mobilitási ágazat igényeit kiszolgáló energetikai kutatás folyik. Az intézmény az OPC UA adatátviteli szabványra építve biztosítja a kutatási infrastruktúra összeköttetéseit. Ez az infrastruktúra három nagy projektterületet ölel fel, amelyek neve „NEST”, „ehub” és „move”, továbbá magában foglalja az energia előállításához, tárolásához, szállításához és átalakításához használt összes rendszerelemet is. Az adatátvitelért – az eszközök közötti forgalom vezérlésétől a felhőben végzett adatelemzésig – TwinCAT 3 OPC UA szoftvert futtató, CX5140 típusú beágyazott PC-k felelősek.

 

A svájci egyetemi és kutatási intézményekből álló ETH Egyesület tagjaként és tudományközi kutatóintézetként az Empa célja, hogy áthidalja a laboratóriumi munka és a gyakorlati alkalmazások közötti szakadékot. Munkájának egyik súlypontját kutatási és technológiaátadási platformokon – úgynevezett demonstrátorokon – alapuló energetikai és fenntartható építési technológiák jelentik. Ilyen demonstrátor a NEST (Next Evolution in Sustainable Building Technologies – „fenntartható építési technológiák következő szintje”), az ehub (Energy Hub – „energiagazdálkodási központ”) és a move (a jövő mobilitásának demonstrátora). Az Empa a kutatási és ipari partnerekkel szoros együttműködésben ezekre a nagy építési, mobilitási és energetikai projektekre alapozva kínál piacképes megoldásokat a megfelelő szektorok számára.

 

beckhoff empa

1. ábra  A NEST keleti nézete, középen a kivilágított városi bányászati és újrahasznosító egység, jobbra fent a szembeötlő napelemes Fitness és Wellness egység (Kép/szerzői jog: Empa/Zooey Braun)

 


A NEST, az ehub és a move demonstrátor

  • A NEST egy központi magból – a gerinchálózatból – és három nyílt platformból álló moduláris, rugalmas struktúra. Az egyes kutatási és innovációs modulok ezekre a platformokra telepíthetők, amelyek emeletekként szolgálnak egy nagy kiterjedésű, egyszerű betoldással bővíthető („plug-and-play”) környezet részeként. Ezek a modulok vagy egységek nemcsak lakások vagy munkahelyek, hanem egyúttal valóságos körülmények között működő tesztlaborok is lehetnek. Az egységek termikus és elektromos hálózatokon keresztül kapcsolódnak össze, ezeken keresztül hathatnak egymásra.

  • Az ehub energiakutatási platform köti össze a másik két demonstrátort, a külön épületekben kialakított NEST és move rendszert. Az ehub azonban az adott kutatási követelményeknek megfelelően egyedileg is képes vezérelni az energiainfrastruktúra összes elemét. Az ehub nem egyetlen entitásként kezeli a NEST demonstrátort, hanem külön épületekként látja a különböző NEST egységeket. Az ehub a NEST és a move demonstrátorral közösen lehetővé teszi a közlekedés, valamint a lakások és a munkahelyek energiaáramlásának összekombinálását új energetikai elképzelések valós körülmények között történő teszteléséhez, továbbá a hatásfok növelésével és a szénhidrogén-kibocsátás mérséklésével kapcsolatos potenciális lehetőségek feltárását. Philip Heer, az Empa munkatársa rámutatott, hogy: „Az Energy Hub általános fizikai elemeket – például hőszivattyúkat, geotermikus szondákat és akkumulátorokat – tartalmazó tipikus energiaközpont, amely összesen 15 épületet szolgál ki. Ennél érdekesebb az, hogy hogyan működik a vezérlés szintjén: a vezérlési és energiagazdálkodási projektek virtuális platformjaként üzemel.

  • A move, a mobilitás kutatását szolgáló demonstrátor és technológiaátadási platform a jelentősen csökkentett szénhidrogén-kibocsátású új járműhajtások fejlesztését és kipróbálását támogatja. Az elektromos járművek töltéséhez, valamint az üzemanyagcellával vagy földgázzal/biogázzal működő járművek által igényelt hidrogén és szintetikus metán előállításához szükséges energiát napelemekből vagy vízerőművekből nyert többletenergia biztosítja. Az ehub és a move közötti kapcsolat révén a megújuló energiaforrások átvihetők az építőiparból a mobilitás területére, ahol vagy üzemanyagként használhatók fel, vagy hidrogén formájában tárolhatók.

keretes beckhoff 3

2. ábra  A NEST demonstrátort könnyen lehet bővíteni újabb kutatóegységekkel, nagy méretű, betoldható („plug-and-play”) elemek beillesztésével (Kép/szerzői jog: Empa/Wojciech Zawarski)

 

PC-alapú vezérlésen és OPC UA protokollon alapuló, nyílt, közérthetően definiált kapcsolódási felületek

Mivel az Empa demonstrátorai számos különféle felhasználót céloznak meg, fontos volt egy nyílt, gyártófüggetlen, közérthetően definiált felületekkel rendelkező platform létrehozása, mint azt Philipp Heer, az Empa ehub üzletágának igazgatója kifejtette: „Az egységek egyetlen fizikai összeköttetésen keresztül kapcsolódnak a NEST gerinchálózatához, ezen keresztül érhetik el a termikus és elektromos rendszereket. Mindegyik egység a többitől függetlenül működik, és saját – Etherneten keresztül kommunikáló – automatizálási alrendszerrel rendelkezik. A kihívást itt az jelenti, hogy az új egységek beépítését a demonstrátor-infrastruktúrába a lehető legkevesebb korlátozással kell lehetővé tenni annak érdekében, hogy a szerviztechnikusok is képesek legyenek a rendszerek karbantartására. Az is szempont, hogy kutatási célokra is biztonságosan és képességeiket maximálisan használva lehessen alkalmazni ezeket a rendszereket. Az integrálás szempontjából fontos a rugalmasság, mivel minden egyes újabb egység tovább tágítja a rendszer határait.”
Biztosítani kellett azt is, hogy a rendszer az Empa kampuszán kívülről is elérhető legyen. Ennek érdekében a folyamatvezérlési szintet nem belső kiszolgálókon, hanem felhőben valósították meg. Ezenfelül a vezérlőrendszerhez olyan speciális architektúrájú rendszerszoftverre volt szükség, amely egyrészt biztosítja a biztonságos működést, másrészt kutatási célokból megengedi a beavatkozó szervek kézi állítását is. Philipp Heer szerint az OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture – „egységesített architektúrájú nyílt kommunikációs felület”) ideális kommunikációs technológia egy ilyen rendkívül bonyolult és rugalmas rendszer igényeinek kielégítésére: „Az eszközök közötti vezérlési szintű adatátviteltől a felhőben végzett adatelemzésen át a kutatás integrálásáig mindenhol OPC UA eljárást használtunk. Kifejezetten erre a célra kifejlesztettünk egy OPC UA információmodellt is, amely lehetővé teszi új egységek és rendszerelemek egységesített specifikációk alapján történő beépítését. Az integrálási munka lehetőség szerinti minimalizálása, és az egységesség érdekében a szoftverarchitektúra egyes részeit magába az OPC UA információmodellbe építettük be. Ennek eredményeként új IoT szoftverek és szolgáltatások megvalósítása során nem kell módosítanunk a rendszeren.”

 


Az Empa OPC UA-alapú adatátviteléről részletesebben

  • Az OPC UA szállítási rétege: az Empa demonstrátorpark moduláris felépítésű. OPC UA szerverekként és kliensekként működő, különálló vezérlők vezérlik a NEST gerinchálózatán, a NEST egységekben, valamint az ehub és a move demonstrátorokban lévő különféle alrendszereket. Az alrendszerek OPC UA protokollon keresztül kommunikálnak egymással és a felhőben megvalósított TwinCAT OPC UA kapuátjáróval. Ez utóbbit mint megosztott szervert minden OPC UA kiszolgáló elérheti. A kapuátjáró hozzáférési csomópontként is szolgál a magasabb szintű adatbázisok, kutatási sablonok és SCADA rendszerek számára. A CX5140 típusú beágyazott PC-k közötti eszköz–eszköz kommunikációt az Empa az OPC UA kliens PLCopen függvényblokkjaival valósította meg, amelyeket a TwinCAT szoftver tartalmaz.

  • Az OPC UA információmodell: a NEST információmodell alapját a minden eszköz- és érzékelőcsoportra definiált objektumtípusok képezik. Ezek az objektumtípusok megkülönböztetik az olvasási és írási műveleteket, és minden fontos adatpontot tartalmaznak. Minden eszközcsoportnak saját objektumtípusa van, amelyek igény szerinti gyakorisággal példányosíthatók objektumokhoz. Ez hierarchikus szerkezetet eredményez, amelyben az objektumok az OPC UA kiszolgáló névterén keresztül különböző felbontásokkal kérdezhetők le.

  • Gép–gép kommunikáció: az Empa demonstrátorparkjában lévő üzemekben nagyon sokféle vezérlő található. Az üzemekből származó összes mérésadatot és vezérlőkimenetet a megfelelő vezérlők dolgozzák fel, amelyek be-/kimeneti vagy buszrendszereken keresztül vannak csatlakoztatva, és az OPC UA névtérben definiált objektumokon keresztül érhetők el.

  • Gép–ember kommunikáció: minden üzem normál vagy kutatási üzemmódban működtethető. Utóbbi esetben a vezérlőrendszer logikáját felülírja a felhasználó, amit beavatkozó szervenként létrehozott függvényblokkok tesznek lehetővé. Mindegyik függvényblokk két – egy írási és egy kutatási – OPC UA írási példányon keresztül érhető el.

keretes beckhoff 33. ábra  A TwinCAT PLC HMI szoftvert megjelenítő CP2915 többérintéses vezérlőpanel a demonstrátorüzemek állapotát mutatja

 

Az adatátvitelt TwinCAT OPC UA alapú beágyazott PC-k támogatják

Az Empa három demonstrátora közötti kommunikációt tíz darab CX5140 típusú beágyazott PC vezérli, amelyeken a TwinCAT OPC UA szoftver (TF6100) fut. Philip Heer ezzel kapcsolatban a következőket árulta el: „A NEST gerinchálózatán hét darab, TwinCAT OPC UA szerverként és kliensként működő CX5140 típusú beágyazott PC biztosítja a fűtő, a szellőztető és a helyiség-automatizálási rendszer adatkapcsolati funkcióit. A többi három beágyazott PC a NEST központi felügyeleti rendszereként működik, és feladatuk a mikrohálózatok csatlakoztatása, valamint az egységek integrálása. A teljes rendszer mintegy 60 000 OPC UA objektumot felügyel, többek között számos épületautomatizálási vagy a kutatóknak írási jogosultságot adó adatpontpéldányt is. Ezektől az objektumoktól származó, megközelítőleg 6000 érzékelőjel közvetlenül egy adatbázisba íródik. A rendszer nagy mérete és sokrétűsége ellenére mindeddig nem léptek fel működési zavarok. A TwinCAT OPC UA kapuátjáró nagy előnye itt az, hogy egyetlen központi helyről teszi elérhetővé a teljes információmodellt, amely minden egyes érzékelőt egy megfelelő struktúrára képez le. Ebben az elrendezésben az adatbázis és a hozzáadott rendszerek – például a LabVIEW™ – összes adata könnyen és egyetlen felületen keresztül érhető el.”

 

beckhoff empa4

4. ábra  Az Empa számos különféle EtherCAT- és buszterminált használ, többek között KL85xx kézi kezelőmodulokat is (lent) (Kép/szerzői jog: Beckhoff Automation)


Philipp Heer számára a rendszer másik értékes tulajdonsága az, hogy a TwinCAT Building Automation Library szoftverkönyvtár használatával megvalósított klasszikus épületautomatizálási rendszer közvetlenül OPC UA protokollon keresztül kezelhető: „Az adott kutatási projektek igényei szerint bármely egyedi beavatkozó szerv felülbírálható. A TwinCAT OPC UA architektúrában elegánsan és könnyen hozhatunk létre új példányokat az információmodell fájában. A kutatók csak a saját fájukat láthatják – hasonlóan ahhoz, ahogyan normál üzemeltetés esetén az épület-automatizálási rendszer is csak a saját fáját láthatja. A megfelelő jogosultságokat a Beckhoff vezérlőrendszerében megvalósított választókapcsolóval lehet beállítani és érvényesíteni. Ez a rendkívül rugalmas és gyors módszer óriási előnyt jelent számunkra.”

 


Főbb jellemzők

Épületautomatizálási megoldások 

  • épület-, mobilitás- és energiademonstrátorok összekapcsolása OPC UA protokollon keresztül

Előnyök 

  • új technológiák kutatása és szimulációs eredmények felhasználása életszerű alkalmazásokban

  • külön üzemmód kutatási célú és normál üzemeltetéshez

Alkalmazott PC-alapú vezérlés 

  • TwinCAT OPC UA szoftvert futtató CX5140: ideális rugalmas OPC UA-alapú átvitel megvalósításához

  • TwinCAT OPC UA kapuátjáró: központi hozzáférési pont az összes OPC UA kiszolgáló felhőben tárolt adataihoz

  • TwinCAT Scope: nagy felbontású adatok a tesztelés és elemzés megkönnyítése érdekében

 

 

Rugalmasság – a PC-alapú vezérlés alapvető előnye

Az Empa 2013-ban kezdte használni a Beckhoff PC-alapú vezérléstechnikáját – eleinte egy sok és sokféle interfészt tartalmazó, kis kutatóintézeti épület automatizálására. Philipp Heer kiemelte: „A kis méretű felépítés mellett fontos tényező volt az interfészek széles választéka is, ami lényegesen túlment a szokásos DALI, KNX vagy M-Bus épületautomatizálási szabványok keretein. Az épületben más ipari adatátviteli protokollok is előfordultak, ezeket szintén integrálnunk kellett. A buszterminálok és EtherCAT-terminálok használata a projektben vegyes volt, ami nem jelentett gondot a Beckhoff technológiája számára. Az EtherCAT kiváló kommunikációs jellemzői is komoly előnyt jelentenek számunkra különösen ott, ahol kivételesen pontos mérésekre van szükség.”

 

beckhoff empa5

5. ábra  Az Empa NEST-szakértői – Reto Fricker, a városi energiarendszerek technológiai szakértője; Philipp Heer, az ehub Csoport vezetője; Sascha Stoller és Ralf Knechtle, mindketten a városi energiarendszerek technológiai szakértői (balról jobbra); Daniel Rothenberger (középen), a Beckhoff Svájc épületautomatizálási üzletágának értékesítési vezetője (Kép/szerzői jog: Beckhoff Automation)


A PC-alapú vezérlés további előnye, hogy lehetővé teszi az energiafogyasztást mérő alrendszerek fennakadásmentes integrálását is. Például, az Empa mintegy 25 darab, EL3403 és EL3443 típusú háromfázisú teljesítménymérő EtherCAT terminállal rögzíti és elemzi erősáramú hálózatának főbb elektromos adatait. Amint Philipp Heer kifejtette, a TwinCAT Scope még a munkát is megkönnyíti: „A TwinCAT Scope könnyen kezelhető, és hatékony elemzési képességeinek köszönhetően nagy felbontású adatokkal tesztelhetjük a vezérlőket, valamint rendkívül precíz a beadott zavarok kiértékelése.”

www.empa.ch/nest

www.beckhoff.hu/building

 

Kép szerzői jog:
Empa/Zooey Braun
Empa/Wojciech Zawarski
Beckhoff Automation

 

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 9940
E-mail: info@beckhoff.hu
www.beckhoff.hu

 

Még több Beckhoff