PC-based Control für die Wasserstoffindustrie
Echtzeitsteuerung von Wasserstofftankstellen
Nel Hydrogen, Dänemark
Die Erzeugung und Verwendung von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen ist eine der Schlüsselmaßnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen im Energie- und Verkehrssektor. Aus Wind-, Wasser- oder Solarenergie erzeugter Strom lässt sich durch Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln, der in Tanks gespeichert, transportiert und orts- sowie zeitunabhängig verwendet werden kann. Eingesetzt wird Wasserstoff in der CO2-neutralen Mobilität, z. B. in Brennstoffzellenfahrzeugen, in der Chemieindustrie, der Stahlproduktion oder in Kraftwerken, wo eine erneute Umwandlung in Strom stattfindet.
Vorteile von PC-based Control für die Wasserstoffindustrie:
- innovative Lösungen durch offene und flexible Steuerungstechnik
- lückenlose und sichere Kommunikation von Zone 0 bis in die Cloud
- umfangreiches Portfolio an Komponenten für den Explosionsschutz
- SPS, Motion Control, HMI, Safety und Messtechnik in einem System
- Erhöhung der Verfügbarkeit durch Kabel- und Steuerungsredundanz
Durchgängige Automatisierungslösungen für die Wasserstoffindustrie
Langjährige Erfahrung in relevanten Branchen
Als erfahrener Partner der Wind- und Solarindustrie agiert Beckhoff schon am Anfang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette, der regenerativen Energieerzeugung. Mehr als 100.000 Windenergieanlagen wurden bereits mit unserer offenen PC-basierten Steuerungstechnik automatisiert. Außerdem wird ein Großteil der weltweit installierten Solarpanels mit Hilfe von Beckhoff Technologie produziert. Darüber hinaus verfügt Beckhoff über langjährige Erfahrung in der Prozesstechnik sowie in der Automatisierung von Applikationen mit Explosionsschutzanforderungen.
Auch bei der Verwendung von Wasserstoff, z. B. als Brennstoff für Fahrzeuge, in Brennstoffzellen oder Blockheizkraftwerken, ist Beckhoff Technik bereits in vielen Applikationen erfolgreich vertreten. Zukünftig wird Wasserstoff als nachhaltige Alternative zu fossilen Rohstoffen in weiteren Anwendungen benötigt: bei der Methanisierung und der Erzeugung von Ammoniak, bei der Produktion von E-Fuels und im Rahmen zahlreicher anderer Technologien, an denen derzeit noch geforscht wird. Auch hier kommt PC-based Control zum Einsatz und trägt dazu bei, dass mit der Verwendung von grünem Wasserstoff CO2-Emissionen reduziert werden können.
Effiziente Automatisierung optimiert Elektrolyseure
Bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Um die steigende Nachfrage nach Wasserstoff aus erneuerbaren Energien abzudecken, sind innovative und wirtschaftliche Lösungen für den Elektrolyseprozess gefragt. Unsere Lösung für die durchgängige Steuerungs- und Überwachung trägt sowohl zu einer hohen Effizienz als auch zu einer hohen Sicherheit der Anlage bei.
PC-based Control für die Elektrolyse:
- leistungsstarke Embedded-PCs für die Schaltschrankinstallation
- Control Panels zur Bedienung und Überwachung bis in Zone 2
- EtherCAT-Klemmen zur Erfassung und Verarbeitung aller relevanten Signale
PC-based Control für den sicheren Wasserstoffspeicher und -transport
Gespeichert und transportiert wird Wasserstoff in flüssigem oder gasförmigem Zustand. In Verbindung mit Sauerstoff kann das leicht entzündliche Gas eine explosionsfähige Atmosphäre bilden. Dafür bietet Beckhoff ganzheitliche Lösungen für die sichere Automatisierung bis in Zone 0 und die Datenerfassung und -übertragung bis in die Cloud.
Sichere Steuerung und Überwachung:
- igensichere Signalübertragung und funktionale Sicherheit bis Zone 0 durch ELX-Klemmen mit TwinSAFE SC
- Datenvorverarbeitung und -transfer in die Cloud per Edge Device
- Glasfaserkoppler für die Kommunikation über bis zu 20 km Entfernung
Flexible Automatisierungs- und IoT-Lösungen für Wasserstofftankstellen
Auch im Bereich der Mobilität spielt Wasserstoff eine zentrale Rolle. Vor allem in der Logistik hat er das Potential, der wichtigste Energieträger für den Antrieb von LKWs sowie in der Schiff- und Luftfahrt zu werden. Tanken mit Wasserstoff ist jedoch deutlich komplexer als mit fossilen Brennstoffen: Dabei wird Wasserstoff mit einem Druck von bis zu 1000 bar komprimiert. Im Rahmen der funktionalen Sicherheit muss der Druck während des Befüllens überwacht und, falls erforderlich, der Prozess sicher abgeschaltet werden. Außerdem müssen Bestimmungen des Explosionsschutzes eingehalten werden.
PC-based Control für Wasserstofftankstellen:
- individuelle Anlagenvisualisierung mit TwinCAT HMI
- Prozessdatenverarbeitung und -auswertung mit TwinCAT Analytics
- einfache Cloud-Anbindung mit TwinCAT
Beckhoff Technologie-Highlights für die Wasserstoffindustrie
Das Steuerungssystem für die Prozessautomatisierung
Mit einem durchgängigen Komponentenbaukasten und tiefem, branchenübergreifendem Know-how realisiert Beckhoff offene Automatisierungssysteme auf der Grundlage PC-basierter Steuerungstechnik. Dabei werden alle Steuerungsfunktionen wie SPS, Visualisierung, Cloud-Anbindung, Sicherheits- und Messtechnik auf einer durchgängigen Plattform integriert. Die systemintegrierte Lösung von Beckhoff bietet eine effiziente Alternative zu traditionellen Anbietern und eignet sich für den Einsatz in den Märkten der Prozessindustrie wie der Wasserstoffindustrie.
PC-based Control für die Wasserstoffindustrie:
- durchgängige Plattform zur Automatisierung aller Prozesse und Anlagen
- Integration aller Steuerungsfunktionen in einem System
- hohe Interoperabilität dank offener Schnittstellen in Hard- und Software
- Steuerungs- und Kabelredundanz für erhöhte Anlagenverfügbarkeit
- PC-basierte Steuerungstechnik ist weltweit und branchenübergreifend etabliert
EtherCAT-Klemmen integrieren alle Steuerungsfunktionen
Mit dem Prinzip der PC-basierten Steuerungstechnik ermöglicht Beckhoff die Kombination unterschiedlichster I/O-Komponenten in einem System. So können EtherCAT-Klemmen zur Integration von funktionaler Sicherheit sowohl mit EtherCAT-Messtechnikklemmen als auch mit I/O-Modulen mit integrierter Trennbarriere zum Anschluss eigensicherer Feldgeräte aus dem Ex-Bereich frei kombiniert und in ein ganzheitliches Steuerungssystem eingebunden werden. Anlagenbetreibern steht hiermit eine effiziente Komplettlösung für alle applikationsseitigen Anforderungen zur Verfügung.
Flexibles Anlagendesign mit PC-based Control:
- Integration aller I/O-Komponenten in einem System
- Kombination von Safety, Messtechnik und Explosionsschutz
- Offenheit gegenüber 3rd-Party-Systemen
- hohe Interoperabilität vereinfacht Retrofits
- Systemoffenheit bietet Investitionsschutz
Ideal geeignet für die Wasserstoffindustrie: der offene Feldbus EtherCAT
Als universell einsetzbarer und offener Highspeed-Feldbus eignet sich EtherCAT für alle Einsatzbereiche, von SPS und Antriebstechnik über Sensorik, Mess- und Sicherheitstechnik bis zu Explosionsschutz. Mit EtherCAT benötigen Sie nur eine einzige Kommunikationstechnologie für Ihre gesamte Anlage und profitieren zudem von der Sicherheit und optimalen Performance der durchgängigen EtherCAT-Architektur. Die EtherCAT-basierte Steuerung ermöglicht zudem die Integration von 3rd-Party-EtherCAT-Geräten und die Einbindung anderer Feldbussysteme.
Zukunftstechnologie EtherCAT für die Wasserstoffindustrie:
- große Auswahl EtherCAT-kompatibler Sensoren und Aktoren im Markt
- schnelle Fehlerbeseitigung durch Diagnosefunktionen
- keine Leistungseinbußen in ausgedehnten Anlagen
- einfache Inbetriebnahme durch Scannen der Teilnehmer
- schlanke Anlagenverkabelung durch Remote-I/O
TwinCAT: die Steuerungsplattform für die Wasserstoffindustrie
Mit der Automatisierungssoftware TwinCAT bietet Beckhoff eine zentrale Plattform zur Steuerung prozesstechnischer Maschinen und Anlagen. Neben der klassischen Prozessführung im SPS-Programm können auch in C++ oder MATLAB®/Simulink® geschriebene Algorithmen in Echtzeit ausgeführt werden. Die Unterstützung gängiger und branchentypischer Standards macht den Einsatz von PC-based Control in der Wasserstoffindustrie unkompliziert.
TwinCAT-Highlights für die Wasserstoffindustrie:
- steuerungsintegrierte Industrie-4.0- und IoT-Anwendungen
- umfassende Datenauswertung mit Analytics-Funktionen
- standardisierte Kommunikation über OPC UA
- Unterstützung gängiger Standards wie NAMUR, HART und FDT/DTM
- Ausführung von MATLAB®/Simulink®-Modellen
Integrierte Steuerungsredundanz erhöht die Anlagenverfügbarkeit
In der Wasserstoffindustrie spielt die Anlagenverfügbarkeit eine entscheidende Rolle. Für den Schutz vor Ausfällen bietet PC-based Control verschiedene Redundanzoptionen von der Kabel- bis zur Steuerungsredundanz. Für den redundanten Steuerungsbetrieb steht TwinCAT Controller Redundancy zur Verfügung.
Mit dieser systemintegrierten Softwarelösung lassen sich zwei Standard-Industrie-PCs mit nur wenigen Projektierungsschritten als redundante Steuerungen betreiben, die beide das gleiche SPS-Programm ausführen. Eine zusätzliche, hochperformante Netzwerkverbindung zwischen beiden Steuerungen sorgt für die erforderliche Datensynchronisation. Zum Einsatz kommt dabei Standard-Ethernet, sodass keine dedizierten Hardware-Komponenten benötigt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass lediglich einer der beiden Industrie-PCs die Feldbuskomponenten zu einem bestimmten Zeitpunkt anspricht und dass die Steuerungsprogramme auf beiden Rechnern mit der gleichen Datenbasis ausgeführt werden. Sollte eine Steuerung ausfallen, übernimmt nahtlos die zweite Steuerung, sodass Anlagenstillstand und Datenverlust verhindert werden.
Beckhoff Produkt-Highlights für die Wasserstoffindustrie
Eigensichere Signalerfassung in IP20 und IP67
Die ELX-Klemmen sind hochkompakte Remote-I/O-Module mit integrierten Sicherheitsbarrieren für den direkten Anschluss eigensicherer Feldgeräte aus Zone 0/20 und 1/21. Das Ergebnis: Der Verzicht auf zwischengeschaltete, externe Barrieren führt zu einer deutlichen Reduktion des Platzbedarfs im Schaltschrank und den damit verbundenen Kostenvorteilen.
Die EtherCAT-Box-Module der EPX-Serie kombinieren Eigensicherheit mit Schutzart IP67 und einem erweiterten Temperaturbereich von -25…+60 °C. Die Module im robusten Gehäuse ermöglichen die zuverlässige Datenerfassung in Bereichen, in denen kein Schaltschrank installiert werden kann oder soll. Damit eignen sie sich zur Realisierung modularer und schaltschrankloser Anlagenkonzepte in explosionsgeschützten und rauen Umgebungen.
Hochkompakte I/O-Module mit integrierter Barriere:
- für die ganzheitliche Steuerung von der Zone 0 bis in die Cloud
- Kostenvorteile durch den Wegfall separater Sicherheitsbarrieren
- Installation inner- und außerhalb des Schaltschranks möglich
- kompakte Bauform, große Signalvielfalt und gewohnt hohe Auflösung
- Zertifizierung gemäß ATEX, IECEx und NEC/CEC
Controller und Remote-I/Os erlauben flexible Topologien
Leistungsstarke Industrie-PCs bilden die Basis für einen zentralen Leitstand zur Führung und Überwachung der Prozesse der gesamten Anlage. Die Anbindung an Sensorik und Aktorik erfolgt durch Remote-I/Os, die über einen Feldbuskoppler die Daten aus dem Feld zum Leitstand übertragen.
Soll die Steuerung eines Anlagenteils lokal im Schaltschrank ablaufen, kann dies mit den Embedded Controllern der CX-Serien, die nach ATEX, IECEx und NEC/CEC für den Einsatz in Zone 2/22 zertifiziert sind, umgesetzt werden. Die direkte Anschlussmöglichkeit von I/O-Modulen stellt eine platz- und kostensparende Alternative zu den Feldbuskopplern dar. So reduzieren die kompakten Steuerungen den Platzbedarf im Schaltschrank und ermöglichen eine dezentrale Automatisierungsarchitektur für die Modularisierung von Anlagen.
ELX-Klemmen: eigensichere Signalübertragung und funktionale Sicherheit
Den Anforderungen an die Prozessleittechnik hinsichtlich funktionaler Sicherheit begegnet Beckhoff mit der vollumfänglichen Integration der Sicherheitstechnik in das Automatisierungssystem. Kompakt und modular im Aufbau fügt sich die Sicherheitslösung TwinSAFE nahtlos in die Steuerungsplattform ein. Damit bietet PC-based Control eine einzige Plattform, die sowohl die Anforderungen der funktionalen Sicherheit als auch des Explosionsschutzes erfüllt. So ermöglichen die mit TwinSAFE-SC erweiterten ELX-Klemmen den direkten Anschluss eigensicherer Feldgeräte bis Zone 0/20 für sicherheitsgerichtete Funktionen.
Funktionale Sicherheit und Eigensicherheit in einem System:
- hochkompakte Lösung mit bis zu vier Kanälen auf 12 mm
- direkter Anschluss eigensicherer Feldgeräte bis in Zone 0/20
- funktionale Sicherheit
- deutliche Kostenvorteile
Vom Sensor in die Cloud: durchgängige Lösungen zur Anlagenvernetzung
In der Prozessindustrie sind zunehmend Automatisierungslösungen im Sinne einer anlagenübergreifenden Vernetzung gefragt. PC-basierte Steuerungstechnik bietet mit der Möglichkeit zur Verknüpfung dezentraler Systeme bei gleichzeitig zentraler Auswertung und Steuerungsmöglichkeit der Prozesse alle Voraussetzungen dafür. Dadurch stellt PC-based Control die optimale Basis zur Realisierung vernetzter Anlagen gemäß Industrie-4.0- und IoT-Konzepten dar: Von der horizontalen Integration – auch über Unternehmensgrenzen hinweg – über die vertikale Integration mit vernetzten Systemen bis zur Durchgängigkeit des Engineerings während des gesamten Produktlebenszyklus.
Für die Kommunikation zwischen der Anlagensteuerung und cloudbasierten Diensten haben wir die Softwarebibliothek TwinCAT IoT entwickelt. Sie unterstützt die standardisierten Protokolle OPC UA, AMQP und MQTT zur Kommunikation mit gängigen Cloud-Systemen wie Microsoft Azure™, Amazon Web Services sowie Private-Cloud-Systeme im unternehmenseigenen Netzwerk.
Anschluss von Ethernet-APL-Feldgeräten im I/O-System
Die zunehmende Digitalisierung ist insbesondere zur Anlagendiagnose und -überwachung auch in der Wasserstoffindustrie eines der zentralen Themen. Dabei stellen die meist weit verteilten verfahrenstechnischen Anlagen besondere Anforderungen, denen der speziell hierfür entwickelte Standard Ethernet-APL mit 10 MBit/s Übertragungsrate bei bis zu 1.000 m Leitungslänge gerecht wird.
Beckhoff integriert die Ethernet-APL-Technologie in das modulare Klemmenportfolio. Die kompakte EtherCAT-Klemme ELX6233 kann in Kombination mit weiteren EtherCAT-Klemmen im Schaltschrank montiert werden. Pro Klemme lassen sich zwei Ethernet-APL-Feldgeräte anbinden. Wie alle Klemmen der ELX-Baureihe ermöglicht die ELX6233 den direkten Anschluss von eigensicheren Feldgeräten aus Zone 0.