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 © Empa/Zooey Braun
© Empa/Zooey Braun

2021年9月2日

通过 OPC UA 助力实现楼宇和移动出行应用之间的灵活通信

TwinCAT OPC UA 助力 Empa 校园研究创新基地

瑞士联邦材料测试与开发研究所(Empa)积极利用校园内的生活和工作环境开展楼宇和移动出行领域的跨学科能源研究。Empa 依靠 OPC UA 通信标准实现其研究基础设施(三个名为 “NEST”、“ehub”和“move”的大型项目)以及涉及到生产、储存、运输和转换能源的所有组件之间的互联互通。安装有 TwinCAT 3 OPC UA 软件的 CX5140 嵌入式控制器负责处理数据通信 — 从设备间的控制流量到云端的数据分析。

Empa 是一个从事材料科学和技术的跨学科研究机构,也是瑞士联邦理工学院及研究所联合体(ETH Domain)的成员之一,他们正致力于缩小研究实验室与现实世界应用之间的差距。他们最近推进的一项重点工作是一个名为 Demonstrators 的项目 — 基于研究和技术转换平台研发能源和可持续建筑技术。项目包括可持续建筑技术的未来进化(NEST)、能源枢纽(ehub)和未来移动出行演示装置(move)。通过与合作伙伴及工业界专家的密切合作,Empa 利用这些大型建筑、移动出行和能源项目,在这些领域提供面向市场的解决方案。

Empa NEST 专家团队:城市能源系统技术专家 Reto Fricker、ehub 组负责人 Philipp Heer、城市能源系统技术专家 Sascha Stoller 和 Ralf Knechtle(从左到右)以及倍福瑞士分公司楼宇自动化销售经理 Daniel Rothenberger(中间)
Empa NEST 专家团队:城市能源系统技术专家 Reto Fricker、ehub 组负责人 Philipp Heer、城市能源系统技术专家 Sascha Stoller 和 Ralf Knechtle(从左到右)以及倍福瑞士分公司楼宇自动化销售经理 Daniel Rothenberger(中间)

通过基于 PC 的控制技术和 OPC UA 提供明确定义的开放式接口

由于 Empa 的演示平台受众客户非常广,因此需要创建一个独立于制造商并具有明确定义的接口的的开放式平台,Empa 的 ehub 小组负责人 Philipp Heer 说道:“这些装置只有一个至 NEST 主干网的物理链接,将它们与热电联供系统连接起来。每个装置都独立运行,并整合了自己的基于以太网进行通信的自动化解决方案。难点在于如何以最少的限制将新的装置整合到演示基础设施中,以便技术人员能够对系统进行维护,并确保使用的安全性,同时充分发挥研究潜力。从整合的角度来看,灵活性至关重要,因为当我们增加一个新的装置时,系统边界会发生变化。”

如何灵活地在 Empa 校园外进行访问是另一个难题。为了实现这一目标,过程控制层被设置在云端,而不是内部服务器。这需要一个专用的控制系统软件架构,以确保系统的数据安全运行,并且能够在必要时实现执行指令。Philipp Heer 认为,开放平台通信统一架构(OPC UA)是满足系统高复杂性和灵活性要求的理想通信技术:“我们全面使用 OPC UA,从控制层面的设备对设备通信,直到云端的数据分析和研究整合。我们专门为此开发了一个 OPC UA 信息模型,有了这个模型,我们就可以根据标准规范整合新的装置和组件。为了尽可能确保一致性,以便减少集成工作量,我们将软件架构的一部分整合入 OPC UA 信息模型本身。这种方法也让我们能够实施新的物联网(IoT)软件和服务,而无需调整系统。”

Empa 使用了各种 EtherCAT 端子模块和总线端子模块,包括 KL85xx 手动操作端子模块(最下面)。
Empa 使用了各种 EtherCAT 端子模块和总线端子模块,包括 KL85xx 手动操作端子模块(最下面)。

安装有 TwinCAT OPC UA 的嵌入式控制器助力实现数据通信

10 台安装有 TwinCAT OPC UA 软件(TF6100)的 CX5140 嵌入式控制器负责控制 Empa 的三个演示装置之间的通信。Philipp Heer 解释道:“其中七台 CX5140 用作 TwinCAT OPC UA 服务器和客户端运行在 NEST 主干网上,我们使用它们来连接供暖、通风和房间自动化系统。另外三台嵌入式控制器用作 NEST 的中央管理系统,负责连接微电网并整合各个装置。整个系统监控约 60,000 个 OPC UA 对象,包括楼宇自动化所需的大量数据或为研究人员提供写入指令。来自这些对象的约 6000 个相关的传感器信号被直接存储到一个数据库中。尽管系统的规模与范围都很大,但到目前为止还从未出现过性能问题。TwinCAT OPC UA Gateway 在这里具有明显优势:它提供了一个可以访问整个信息模型的中心点,每个传感器都被映射到一个相应的结构。通过这种设置,我们就可以通过同一个界面轻松访问数据库中包含的所有信息以及来自 LabVIEW™ 等集成式系统的信息。”

Philipp Heer 认为,另一个可贵的优点是,可以直接通过 OPC UA 操作使用 TwinCAT Building Automation 功能库实现的传统楼宇自动化系统:“我们可以为了满足特定研究项目的需要访问到任何一个现场执行器。TwinCAT OPC UA 让我们能够在信息模型中轻松创建通信点。研发人员只需要关注他们所创建的信息模型中的通信数据,而楼宇自动化也只需要按照他内部的程序关系去执行即可。我们可以通过在倍福控制系统中实施筛选来选择和应用必要的权限。这样既灵活又快速,是一个巨大的优势。”

研究装置可以通过大型即插即用原理轻松添加到 NEST 中。
研究装置可以通过大型即插即用原理轻松添加到 NEST 中。

灵活性基于 PC 的控制技术的核心优势

Empa 自 2013 年开始使用倍福基于 PC 的控制技术,一开始是为了实现有大量不同接口需求的研究大楼自动化系统。Philipp Heer 说道:“除了紧凑的设计之外的一个重要因素是接口的多样化,这远远超出了如 DALI、KNX 或 M-Bus 等常用的楼宇技术标准。建筑需要使用额外的工业通信协议,我们也必须适应这些协议。项目需要混合使用总线端子模块和 EtherCAT 端子模块,而这对于倍福技术来说完全不是问题。EtherCAT 出色的通信性能是我们的另一大优势,特别是在需要非常精确的测量情况下。”

基于 PC 的控制技术的另一个优点是,它能够无缝集成电能测量技术。例如,Empa 使用约 25 个 EL3403 和 EL3443 EtherCAT 三相电力测量端子模块来记录和分析其供电网络中的关键电气数据。TwinCAT Scope 还能够简化工作,Philipp Heer 解释道:“TwinCAT Scope 易于使用,并且具有强大的分析能力,因此我们可以使用高分辨率数据测试控制器,并能够评估干扰输入,效果特别好。”

概览

楼宇自动化解决方案

  • OPC UA 助力实现建筑、移动出行和能源演示装置的互联互通

为客户带来的好处

  • 研究新技术和现实世界应用中的仿真结果
  • 针对研究和正常运行实施不同的操作模式

PC 控制结构

  • 安装有 TwinCAT OPC UA 的 CX5140:非常适合用于实施灵活的 OPC UA
  • TwinCAT OPC UA Gateway:访问所有存储在云端的 OPC UA 服务器数据的中心点
  • TwinCAT Scope:高分辨率数据帮助简化测试和分析过程