Kifinomult folyamatautomatizálási rendszer rendkívül kis méretben
Vezérléstechnikai és adatfelügyeleti rendszer konténeres biogáz-kiserőművek számára
„Csak egy átkapcsolás” – akár ez is lehetne a Reverion nevű vállalat biogáz-kiserőműveinek mottója a klímasemleges áramtermeléshez vezető úton. Ha még nem könnyítették volna meg eléggé ennek az energiatermelő rendszernek az alkalmazását azzal, hogy egyetlen hordozható konténerbe építették be az eleve kis méretű elrendezést, akkor a kivételesen jónak számító, 80%-os hatásfok és a visszirányú energiakinyerés biztosításával, valamint a Beckhoff PC-alapú vezérléstechnikájával ötvözött, fennakadásmentes adatfelügyeleti rendszer kiépítése révén mindenképp lefektették egy magas szinten automatizált létesítmény alapjait.
Dr. Stephan Herrmann és a Müncheni Műszaki Egyetem mérnökeinek kis csapata által 2022-ben alapított, Eresing-ben működő Reverion GmbH alkalmazottainak létszáma immár 80 fölé emelkedett. Sven Bettendorf, a Reverion alkalmazástechnikai mérnöke kifejtette, hogy a vállalat célja az emberiséget fenyegető nagy problémák közül kettő megoldása: egy ténylegesen fenntartható energiatermelő rendszer létrehozása, továbbá több gigatonna CO2 eltávolítása az atmoszférából. Az új generációs biogáz-erőművek segítségével már teljes mértékben kiaknázhatók a biogázban rejlő lehetőségek, miközben az egyes esetekben kihasználatlan, feleslegként előállt nap- és szélenergia is megfelelően hasznosítható.
A vezérlési architektúra két számítógépre épül: egy CX2043 típusú beágyazott PC-re (lent) és egy C6930 típusú, vezérlőszekrénybe épített ipari PC-re (felül; amelyet a jövőben a C6030 típusú, ultra-kompakt ipari PC fog kiváltani) (Fotó: © Beckhoff)
Magas hatásfok, visszirányú energiakinyerés
A Reverion biogáz-erőműveinek műszaki erősségei közé tartozik, hogy magas a hatásfokuk, és alkalmasak visszirányú energiakinyerésre, energiatermelésre, továbbá a villamoshálózat telítettsége esetén biogáz vagy „zöld hidrogén” tárolására is. A rendszer hatásfoka kapcsán Sven Bettendorf a következőket árulta el: „A mai piaci gyakorlatban a biogázt hőerőművekben égetik el, amivel 40% körüli hatásfok érhető el. Az üzemanyagcellákon alapuló, alternatív rendszerekkel – mint amilyen a mi biogáz-kiserőművünk is – már 60%-ig fel lehet menni, de az általunk kifejlesztett rendszer hatásfoka még tovább növelhető, akár 80%-ig is.” Ilyen jelentős mértékben magas szintű rendszerintegrálással és a különféle folyamatszakaszok közötti kölcsönhatások optimalizálási lehetőségeinek teljes kiaknázásával növelni lehetett a hatásfokot. Julian Schauseil, a Reverion vezető szoftverfejlesztője nem győzi hangsúlyozni, hogy az energiatermelésben milyen komoly hozadéka lehet mindennek: „Óriási energiamennyiségről beszélünk. Ha Németország összes biogáz-erőműve a mi technológiánkra térne át, a jelenleg szénerőművekkel biztosított alapterhelést teljesen ki lehetne váltani ezzel az eljárással.”
A Reverion biogáz-erőművei rendkívül kompakt konténerben kapnak helyet, hatásfokuk magas, mintegy 80%, ráadásul visszirányú energiakinyerésre is alkalmasak (Fotó: © Reverion)
A Reverion biogáz-erőművei komoly lehetőségeket rejtenek magukban a rugalmas energiatárolás terén is, mert visszirányú energiakinyerési képességgel is fel vannak vértezve. Julian Schauseil nyilatkozata szerint „... a vezetékes hálózat telítettsége esetén, ami például a nap- és szélerőművek optimális meghajtásakor léphet fel, a megtermelt villamosenergia biogáz előállítására és tárolására is felhasználható. A Németországban jelenleg erre a célra rendelkezésre álló gázhálózat tárolókapacitása 100 000-szer nagyobb a meglévő elektromos energiatároló létesítmények kapacitásánál”. Mindezek eredményeképpen a biogáz-erőmű nem csupán helyi energiatermelő objektumként működhet, biogázból elektromos energiát állítva elő, amelyet villamos hálózatba táplál fel, hanem pufferként visszirányban is üzemelhet. Az utóbbira egy lehetséges forgatókönyv, hogy biogázt vagy „zöld hidrogént” termel, amikor visszaesik a villamosenergia ára vagy túl nagy teljesítmény áramlik be szél-, illetve napenergiából, majd a fogyasztás növekedésekor vagy az árak emelkedése esetén ismét elektromos energiát juttat a villamoshálózatba. Végeredményben ezzel az erőművel negatív karbonlábnyom érhető el, mert, ellentétben a hőerőművekkel, amelyek a biogázból származó szén-dioxidot a többi égéstermékkel együtt ellenőrizetlenül bocsátják ki a környezetbe, itt rendszerszinten eltárolódik a CO2, amely később akár élelmiszeripari követelményeknek is megfelelő minőségben palackozható további egyedi felhasználásra.
A szakértőkből álló csapat (balról jobbra): Daniel Hausdorf (a Beckhoff alkalmazástechnikai csapatának tagja), Julian Schauseil (a Reverion vezető szoftverfejlesztője), Christian Spiegel (a Beckhoff augsburgi/sváb vidékért felelős értékesítési csapatának tagja), valamint Sven Bettendorf (a Reverion applikációs mérnöke) (Fotó: © Beckhoff)
Kifinomult folyamatok PC-alapú vezérlésre épülő automatizálással
Mivel a kialakított erőmű rendkívül összetett és visszirányú energiakinyerésre is alkalmas, a mögöttes folyamattechnológia számos részfolyamatból épül fel, igen sok érzékelőcsoport jelét dolgozva fel. Ezen a ponton kerül előtérbe a nagy teljesítőképességű automatizálási technológia, amely a különféle folyamatváltozókat megbízhatóan és optimalizáltan tartja kézben, továbbá biztosítja az adatok fennakadásmentes felügyeletét. A Reverion a Beckhoff PC-alapú vezérléstechnikáját vette alapul, amelyet még a vállalat megalapítása előtt használtak a kutatások során a Müncheni Műszaki Egyetemen. Sven Bettendorf minderről a következőket nyilatkozta: „Kezdetben döntő fontosságú volt, hogy könnyen hozzáférjünk a TwinCAT automatizálási szoftverhez, mivel ennek segítségével tudtunk átfogó teszteléseket végezni anélkül, hogy bármilyen más programot be kellett volna szereznünk. További előnyt jelentett, hogy könnyen bővíthető, többek között ábrázolási-megjelenítési funkciókkal, emellett a Beckhoff szakértői által nyújtott példátlan háttértámogatás is nagyon fontos volt. Új fejlesztéseknél, így a biogáz-erőmű megalkotásánál is kritikus jelentőségű a PC-alapú vezérlés rugalmassága és skálázhatósága. Végül is a rendszer szerkezete és a folyamatai jelentősen megváltoznak a prototípus előállításától a sorozatgyártásig vezető úton.” Julian Schauseil hozzátette, hogy „...érdemes még kiemelni a különféle áramköri egységek széles választékát is, ami nézetünk szerint kiváló ár/érték arányt képvisel.”
Az üzemeltető szemszögéből a megbízható és biztonságos rendszerműködés mellett az automatizálási technológiával szemben támasztott legfőbb elvárás az volt, hogy „csatlakoztatást követően azonnal használható” („plug-and-play”) elvet kövessen. Leegyszerűsítve a rendszer kezelését, mindössze egyetlen ki/bekapcsolási műveletre rendkívüli rugalmasságot kap a végfelhasználó – minimális erőfeszítéssel cserélheti le a jelenlegi energiatermelő rendszereit. A konténerbe épített elrendezésnek könnyebb telepítési helyet is találni, mivel mindössze megfelelő villamos távvezeték-hálózatra és gázvezeték-csatlakozási pontra van szükség, amilyennel a hőerőművek már rendelkeznek.
Az áramköri egységeket illetően az automatizálási rendszer gerincét két számítógép alkotja: egy CX2043 típusú beágyazott PC (ez a fő vezérlőgép), és egy C6930 típusú, vezérlőszekrénybe épített ipari PC, amelyet a jövőben egy C6030 típusú, ultra-kompakt ipari PC vált fel. Ennek okára Sven Bettendorf világít rá: „A rendszerfejlesztés során merült fel az a lehetőség, hogy két, egymással kommunikáló ipari PC-t használjunk, mivel a rendszer egyre összetettebb lett, és ezzel a módszerrel egyszerűbben lehetett a vezérléstechnika képességeit bővíteni, a megfelelő környezethez igazítani. Az így kialakuló tartalékolás az üzembiztonság tekintetében is előnyös.” Az áramköri elemek palettáját a két számítógép mellett több mint 450 darab EtherCAT-terminál, hozzávetőlegesen 1200 érzékelő és 300 beavatkozószerv alkotja. A felsoroltak között több mint 220 analóg terminál található, például EL3024 (4…20 mA), EL3064 (0…10 V), EL3208 (Pt100), EL3255 (potenciométer) típusú, illetve EL3318 (hőelemes) analóg bemeneti terminál.
A fent említett be/kimeneti egységektől származó adatokat a Beckhoff TwinCAT szoftvere dolgozza fel, amely Julian Schauseil véleménye szerint ilyen összetett rendszerek leképezésére is alkalmas: „A TwinCAT által támogatott objektumorientált programozás, a programegységek (unit-ok) önműködő tesztelése és a moduláris szoftverarchitektúra kifejezetten segíti a terjedelmes, folyamatosan fejlesztett vezérlőprogramok megalkotását; e funkciók révén könnyen módosíthatók programszakaszok anélkül, hogy a szoftver többi részébe hiba csúszna. A szükséges absztrakciós szintek is jól megvalósíthatók, ami különféle funkciók, például vezérlési műveletek vagy analóg értékek feldolgozásának csoportosításával lényegesen egyszerűbbé teszi a strukturálást. A TwinCAT kommunikációs funkciói szintén komoly szerepet játszanak, ezek segítségével könnyedén, rugalmasan továbbítható számos különféle érzékelő adata magasabb szintű adatbázisokba. Mindezt a TwinCAT 3 IoT Communication nevű (TF6701) szoftvercsomag támogatja, MQTT-protokollt alkalmazva.”
A vezérléstechnikai és tápellátási célokra szolgáló kilenc vezérlőszekrény egyikében elhelyezett számos EtherCAT terminálcsoport egy példánya (Fotó: © Beckhoff)
Hatékony, beépített képi megjelenítések
Nemcsak folyamatszabályozásra, hanem műszaki fejlesztések támpontjaként, esetlegesen bizonyítási célokra és számlázáshoz szükséges mérési értékek létrehozására is szolgál az átfogó adatfelügyelet. Erre a célra a Reverion saját kezelőfelületet fejlesztett ki adatfelügyeleti műveletekhez, amit a TwinCAT rendkívül hatékonyan támogatott Sven Bettendorf szerint: „A TwinCAT 3 HMI Engineering elnevezésű (TF2000) szoftvercsomag hatékonyan segíti átfogó alkalmazások gyors kifejlesztését, könnyen bővíthető kezelőfelületet eredményezve. Sőt, a TwinCAT PLC nyitottsága és a Beckhoff szakemberei által nyújtott képzés további óriási segítséget jelent.”
A TwinCAT automatizálási szoftveren belüli masszív kommunikációs mechanizmusok nélkülözhetetlenek voltak a bővített megjelenítési funkciók kialakításához. Sven Bettendorf elárulta, hogy ezen berendezések esetében különösen fontos az adatok hatékony feldolgozása, leginkább azok nagy mennyisége és sokfélesége következtében, valamint a számos kezelőfelületi funkció miatt. A normál és bővített kezelőfelületi funkciókkal kapcsolatban további elvárás volt, hogy rövid és hosszú ideig tartó adatgyűjtés esetén is könnyen kezelhető maradjon a rendszer. A Beckhoff ipari PC-i elegendő számítási kapacitással és központi memóriával rendelkeznek ezen nagy adatmennyiségek feldolgozásához és megjelenítéséhez, továbbá, szükség esetén a különféle kezelőfelületi képernyők közötti pillanatszerű váltáshoz (négy részterületi ábrázolást is beleértve).
Folyamatos továbbfejlesztés
Noha az első biogáz-erőmű prototípusok már elérték a 100 kW-os megtermelt teljesítményt, a Reverion berkein belül nem áll meg az élet. A sorozatgyártás 2024-ben indul be, és a nagyobb, 500 kW-os rendszerek már készülőben vannak. A biogáz hasznosítása mellett Sven Bettendorf további piaci lehetőségeket is lát a hidrogén, mint alapvető energiahordozó számára. Julian Schauseil mindehhez hozzátette, hogy „a konténerek felépítése és könnyű csatlakoztathatósága a közművekhez már önmagában rengeteg alkalmazási lehetőség előtt nyit utat. Az energiaellátás modularitását mindez jelentős mértékben elősegíti, mert nagyobb teljesítményigény esetén egyszerűen több rendszer telepítésével kiszolgálhatók az igények.”
www.reverion.com
www.beckhoff.com/energiewirtschaft
www.beckhoff.com/twincat-hmi
BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Táblás utca 36-38. G épület 2. emelet
Tel.: + 36 1 501 99 40
E-mail:
www.beckhoff.com
