Prozessleitebene in der Cloud
Der Anlagenstatus der Demonstratoren wird auf Multitouch-Control-Panels CP2915 per Twincat PLC HMI visualisiert. (Quelle: Beckhoff)
Bei der Empa werden Ethercat-Klemmen und Busklemmen, zum Beispiel die Handbedienmodule KL85xx (unten), gemischt eingesetzt. (Quelle:Beckhoff)
Einzelne Forschungs-Units lassen sich nach dem Plug-and-play-Prinzip einfach in Nest integrieren.(Quelle: 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
Hierzu kommen in den drei Empa Demonstratoren 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."