Komplexe Prozesse PC-basiert automatisiert

Die zugrunde liegende Prozesstechnik – zumal bei der hohen Integration und reversiblen Nutzbarkeit – teilt sich in vielfältigste Teilprozesse auf und erfordert eine sehr hohe Anzahl an Sensoren. Um all die verschiedenen Prozessvarianten zuverlässig und optimiert regeln sowie ein lückenloses Datenmonitoring realisieren zu können, ist eine leistungsfähige Automatisierungstechnik unabdingbar. Reverion nutzt hierfür PC-based Control von Beckhoff [2], das bereits vor der Unternehmensgründung im Rahmen der Forschungsarbeiten an der TU München eingesetzt wurde. Dazu erläutert S. Bettendorf: „Zu Beginn war der einfache Zugang zur Software Twincat entscheidend. So konnte zunächst ohne Softwarekauf umfassend getestet werden. Wichtig waren zudem die einfache Erweiterbarkeit zum Beispiel der Twincat-Visualisierung sowie der gute Support durch die Beckhoff-Experten. Gerade für eine Neuentwicklung wie unser Biogaskraftwerk ist PC-based Control mit seiner Flexibilität und Skalierbarkeit ein wichtiger Faktor. Schließlich ändern sich der Aufbau und die Prozessabläufe auf dem Weg vom Prototypen zur Serienreife besonders stark.“ J. Schauseil ergänzt: „Hinzu kommt das umfassende Hardware-Portfolio mit einem aus unserer Sicht guten Preis-Leistungs-Verhältnis.“

Hauptziel der Automatisierungstechnik war – neben dem zuverlässigen und sicheren Anlagenbetrieb – ein Plug-and-play-Einsatz aus Sicht des Betreibers. Die Reduzierung auf ein einfaches Ein- und Ausschalten ermöglicht dem Endanwender nicht zuletzt eine hohe Flexibilität, durch die sich vorhandene Energieversorgungsanlagen mit minimiertem Aufwand ersetzen lassen: Die Container-Bauweise vereinfacht die Suche nach dem passenden Aufstellungsort; der Anschluss erfordert lediglich eine passende Stromleitung und die Anbindung an das Gasnetz – über beides verfügen die Betreiber von Blockheizkraftwerken ohnehin.

Hardwareseitig ist die Automatisierungstechnik mit zwei Rechnern umgesetzt worden – ein Embedded-PC CX2043 (Hauptsteuerungsrechner) und ein Schaltschrank-Industrie-PC C6930 bzw. zukünftig ein Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 (Bild 3). Die Gründe hierfür erläutert S. Bettendorf: „Der Einsatz von zwei miteinander kommunizierenden Industrie-PC hat sich während der Systementwicklung ergeben, da sich die Komplexität zunehmend erhöht hat und sich auf diese Weise die Leistungsfähigkeit der Steuerungstechnik einfach nach oben skalieren und an die jeweilige Plattform anpassen ließ. Vorteile ergeben sich durch eine solche Redundanz außerdem hinsichtlich der Zuverlässigkeit im Betrieb.“ Komplettiert wird die Hardware durch über 450 Ethercat-Klemmen für rund 1 200 Sensoren und 300 Aktoren (Bild 4). Dazu zählen mehr als 220 Analogklemmen, wie die Analog-Eingangsklemmen EL3024 (4 mA bis 20 mA), EL3064 (0 V bis 10 V), EL3208 (Pt100), EL3255 (Potentiometer) und EL3318 (Thermoelement).

Ausgewertet werden die Daten all dieser IO über die Beckhoff-Software Twincat, mit der sich laut J. Schauseil auch solch komplexe Systeme gut abbilden lassen: „Gerade bei sehr umfangreichen und kontinuierlich weiterentwickelten Steuerungsprogrammen bieten die von Twincat unterstützte objektorientierte Programmierung, das automatische Unit-Testing und die modulare Softwarearchitektur Vorteile. Änderungen sind damit einfach und ohne Folgefehler im übrigen Programm möglich. Auch notwendige Abstraktionen lassen sich gut umsetzen, was über das Kapseln von Funktionen, wie der Regler und eine Analogwertverarbeitung, die Strukturierung deutlich erleichtert.“ Wichtig sei zudem die Kommunikationsfunktionalität innerhalb von Twincat. So lassen sich die umfassenden Sensordaten mit Twincat 3 IoT Communication (TF6701) über das MQTT-Protokoll ohne großen Aufwand und flexibel an übergeordnete Datenbanken übertragen.

Leistungsfähige und integrierte Visualisierung

Das umfangreiche Datenmonitoring dient nicht nur der Prozesssteuerung, sondern auch als Basis für die technische Weiterentwicklung sowie zum Generieren erforderlicher Nachweise und abrechnungsrelevanter Größen. Dazu entwickelte Reverion eine eigene HMI-Erweiterung für das Datenmonitoring, was von Twincat laut S. Bettendorf sehr gut unterstützt wurde: „Das Twincat 3 HMI Engineering (TF2000) ermöglicht insgesamt eine schnelle Applikationsentwicklung und ergibt ein einfach erweiterbares HMI. Und auch die Offenheit der Twincat-SPS sowie die Schulungen durch die Beckhoff-Experten haben sehr geholfen.“

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Visualisierung seien zudem die guten Kommunikationsmechanismen innerhalb von Twincat gewesen. Die entsprechend effiziente Datenverarbeitung ist bei dieser Applikation laut S. Bettendorf von besonderer Bedeutung, vor allem aufgrund der großen Datenvielfalt und -menge sowie der zahlreichen erforderlichen HMI Controls. Eine weitere Anforderung an das HMI und die HMI-Erweiterung war die Einfachheit im Betrieb, sowohl bei Kurz- als auch bei Langzeitaufzeichnungen. Die Industrie-PC von Beckhoff stellen hierbei ausreichend Rechenleistung und Arbeitsspeicher bereit, um die große Datenmenge zu verarbeiten bzw. anzuzeigen und um bei Bedarf schnell zwischen verschiedenen HMI-Screens
(bei vierfachem Multiscreen) wechseln zu können.

Kontinuierliche Weiterentwicklung

Mit den ersten Biogaskraftwerk-Protoypen mit 100 kW Leistung bleibt die Entwicklung bei Reverion nicht stehen. Mit dem Jahr 2024 startet zum einen deren Serienproduktion, zum anderen sind auch größere Anlagen mit 500 kW Leistung geplant. Weiteres Marktpotenzial – ergänzend zur Biogas-Nutzung – sieht S. Bettendorf im Einsatz von Wasserstoff als Basisenergieträger. J. Schauseil ergänzt dazu: „Neue Einsatzmöglichkeiten ergeben sich allein schon durch die Container-Bauweise und die einfache Anschlusstechnik. Dies unterstützt sehr gut die Modularisierung der Energieversorgung, indem ein höherer Bedarf einfach durch mehrere Anlagen abgebildet werden kann.“

Literatur

1. Reverion GmbH, Eresing: www.reverion.com
2. Beckhoff Automation GmbH & Co. KG, Verl: www.beckhoff.com/energiewirtschaft, www.beckhoff.com/twincat-hmi