Rechenzentren entwickeln sich von reinen Stromverbrauchern zu aktiven Bestandteilen des Energiesystems. Die Rechenlast wird immer größer und dynamischer, bei der Kühlung setzt sich der Trend zu Flüssigkeits- und Hybridkühlungskonzepten durch. Von den Betreibern wird erwartet, dass sie die von ihnen bezogene Energie – und die daraus erzeugte Abwärme – effektiver nutzen.
Zu den Aufgaben gehören präzise Messungen der Energie und der Netzqualität, eine lastabhängige Kühlung, die Rückgewinnung von Abwärme, die Anbindung von dezentraler Stromerzeugung und Batteriespeichern sowie eine vorhersehbare Verbindung zum Netz bei schnellen Laständerungen. All das sind Steuerungsaufgaben – und sie hängen zunehmend voneinander ab.
Vorsprung bei der Automatisierung von Rechenzentren mit Beckhoff:
- eine Plattform für Messung, Anlagensteuerung, Energiemanagement und Netzanschluss
- offene Schnittstellen zur flexiblen Anbindung aller Systeme
- eine einheitliche Datenbank für Digital-Twin-Konzepte und die Simulation von Lastszenarien
- Lösungen für Engineering und Betrieb mit KI-Unterstützung
Automatisierung von Rechenzentren
Leistungsmessung für die Infrastruktur von Rechenzentren
Jede Optimierung beginnt mit der Messung. In einem Rechenzentrum bedeutet dies, in Echtzeit zu wissen, wie viel Strom jedes Rack, jeder Schaltkreis und jedes System tatsächlich aufnimmt und wie sich die Stromqualität auf der gesamten Strecke darstellt: von der Zuleitung über die Schaltschränke und USV-Anlagen bis hin zum einzelnen Rack. Nachgerüstete Messstufen liefern Durchschnittswerte, aber der Betrieb einer Anlage in der KI-Ära erfordert Dynamik.
Bei PC-based Control ist die Leistungsmessung direkt in die Steuerungsarchitektur eingebunden: EtherCAT-Messtechnikklemmen werden in die Stromverteilung eingebaut und liefern zeitlich synchronisierte Daten für die gesamte Anlage. Diese Daten unterstützen das Monitoring, die Kapazitätsplanung und automatisierte Reaktionen und schaffen so eine durchgängige Messkette vom Sensor bis zur Cloud, ohne dass eine separate Messinfrastruktur installiert und gewartet werden muss.
Von Kühllast zu nutzbarer Energie
Die Kühlung ist die größte steuerbare Last in einem Rechenzentrum – und zunehmend auch dessen größte ungenutzte Ressource. Die zunehmende Rack-Dichte treibt die Einführung von Flüssigkeits- und Hybridkühlungskonzepten voran, die dynamisch auf die tatsächliche IT-Auslastung reagieren müssen. Gleichzeitig kann die von den Servern abgeführte Wärme von Fernwärmenetzen und benachbarten Gebäuden wiederverwendet werden.
Bei Beckhoff werden Kühlung und Wärmerückgewinnung über eine einzige Automatisierungsplattform gesteuert. TwinCAT unterstützt die Steuerung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik sowie von Kühlsystemen und koordiniert dabei Kühlkreisläufe, Wärmepumpen und Wärmeübergabestationen als integriertes System. Die integrierte Energiemesstechnik bietet einen klaren Überblick sowohl über die Kühleffizienz als auch über die abgegebene Wärme.
Integrierte Steuerung für Energieerzeugung und -speicherung
Immer mehr Rechenzentren binden eigene Energiesysteme an, darunter Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher und Notstromaggregate, die zunehmend über den reinen Standby-Betrieb hinaus genutzt werden. Zwar lässt sich jede Anlagenkomponente einzeln problemlos steuern, doch besteht die Herausforderung darin, sie als Gesamtsystem zu koordinieren – insbesondere dann, wenn sich die Lasten der Anlage schneller ändern, als herkömmliche Steuerungssysteme darauf reagieren können.
Dies erfordert gemeinsam genutzte Daten, eine koordinierte Steuerung und Reaktionszeiten, die messbare Auswirkungen haben. Eine Batterie, die Lastschwankungen innerhalb von Millisekunden ausgleichen kann, ist nur so effektiv wie der Mess- und Steuerkreis, in den sie eingebunden ist. Mit PC-based Control, Zykluszeiten von nur 50 Mikrosekunden und EtherCAT-Kommunikation schließt Beckhoff diesen Kreis – und ermöglicht so die koordinierte Steuerung von Erzeugung, Speicherung und Verbrauch auf einer einzigen offenen Automatisierungsplattform.
Anbindung an das intelligente Stromnetz und Powermanagement
Der Netzanschlusspunkt ist die Stelle, an der das Rechenzentrum an das Energiesystem angeschlossen ist – und an der sich die Anforderungen am schnellsten weiterentwickeln. Rechenlasten können sich heute innerhalb von Millisekunden um mehrere Megawatt ändern. Gleichzeitig erwarten die Netzbetreiber zunehmend, dass große Anlagen unter diesen Bedingungen berechenbar bleiben und die Netzspannung und -frequenz stützen, anstatt die Stabilität zu gefährden.
Berechenbares Verhalten am Netzanschlusspunkt ist das Ergebnis technischer Maßnahmen. Dies erfordert synchronisierte Messungen über den gesamten Leistungspfad hinweg, eine Steuerung, die schnell genug ist, um noch während der Störung selbst zu reagieren, sowie Gridcode-konforme Kraftwerksfunktionen. Bei Beckhoff laufen diese Funktionen auf derselben offenen Automatisierungsplattform, die auch die Anlage steuert.
Einheitliche Steuerungsplattform für die Automatisierung von Rechenzentren
Ein Rechenzentrum benötigt zahlreiche Systeme wie Kühlung, Stromverteilung, Beleuchtung, Sicherheit und Monitoring. Traditionell verfügt jedes System über eine eigene Steuerung, eigene Engineering-Tools und ein eigenes Datensilo, wodurch die Anbindung zu einem eigenständigen Projekt wird, bei dem Gateways und maßgeschneiderte Middleware zum Einsatz kommen.
PC-based Control verfolgt einen anderen Ansatz: eine offene Automatisierungsplattform für alle Steuerungs-, Messwert und Visualisierungsaufgaben. Industrie-PCs lassen sich von einzelnen Raum-Controllern bis hin zur anlagenweiten Automatisierung skalieren, während EtherCAT Tausende von I/O-Punkten in Echtzeit miteinander verbindet. Die Unterstützung von BACnet, OPC UA, MQTT und anderen gängigen Kommunikationsprotokollen ermöglicht eine flexible Architektur, die sich an die Anlage anpasst – und nicht umgekehrt.
Unsere Technologien für Rechenzentren
Intelligente Gebäudeautomation mit PC-based Control
PC-based Control ermöglicht die integrierte Automatisierung aller Systeme auf einer einzigen Plattform: HLK, Raumautomation, Fernwartung, Energiedatenerfassung, Bedienung und Monitoring. Zu diesem Zweck bieten wir ein umfangreiches Toolkit aus Hardware- und Softwarekomponenten an. Robuste Industrie- oder Embedded-PCs mit der Automatisierungssoftware TwinCAT übernehmen SPS-, Visualisierungs-, Sicherheitstechnik- und Messaufgaben. Die I/O-Systeme von Beckhoff erfassen die gesamte Sensorik und Aktorik. Unsere Automatisierungstechnik unterstützt alle gängigen Protokolle und Schnittstellen der Medien- und Gebäudetechnik und kann somit alle branchentypischen Geräte und Systeme ansprechen. Für Diagnosefunktionen, wie z. B. intelligentes Energiemonitoring, stehen verschiedene TwinCAT-Softwarelibraries zur Verfügung.
Ihre Vorteile mit PC-based Control:
- Wirtschaftlichkeit: von der Investition über die Implementierung bis zur Nutzung
- Zukunftsfähigkeit: Technologien von heute für die Anforderungen von morgen
- Vernetzung: alle Informationen auf einer Plattform
- Flexibilität: Reaktion auf individuelle Nutzerbedürfnisse
- hohe Verfügbarkeit: durch offene Standards
Highspeed-Feldbus für Rechenzentren
In vielen Anlagen kommunizieren Steuerung und Energiemesstechnik über getrennte Netzwerke – mit separaten Zeitsignalen, Engineering-Tools und Datensätzen, die sich nur schwer miteinander in Beziehung setzen lassen. EtherCAT vereint diese Funktionen: Tausende von I/O-Punkten kommunizieren mit Echtzeit-Leistung und werden über Distributed Clocks anlagenweit synchronisiert – mit einer Genauigkeit von deutlich unter einer Mikrosekunde. Dadurch lässt sich ein Spannungs-Event an der Zuleitung anhand vergleichbarer Zeitstempel mit dessen Auswirkungen an einer entfernten Schaltanlage in Zusammenhang bringen. Wenn eine detaillierte Analyse erforderlich ist, erfassen Oversampling-Klemmen die tatsächliche Wellenform. Vorhandene Feldbussysteme müssen nicht ersetzt werden, sondern können als Segmente angebunden werden.
EtherCAT-Highlights für Rechenzentren:
- extrem kurze Zykluszeiten für präzise und effiziente Prozesse
- große Auswahl EtherCAT-kompatibler Sensoren und Aktoren auf dem Markt
- flexible Anbindung anderer Feldbussysteme wie CANopen, IO-Link und PROFINET
Durchgängige Automatisierung mit TwinCAT
Da Rechenzentren in immer schnellerem Tempo errichtet werden, wird die Engineering-Kapazität zu einem entscheidenden Faktor. TwinCAT bietet eine integrierte Engineering-Umgebung für die SPS-Programmierung, die HLK-Steuerung, die Leistungsmessung und die Visualisierung. Modulare Funktionsbibliotheken wie TF8040 tragen dazu bei, wiederkehrende Aufgaben zu standardisieren und den Programmieraufwand durch Konfiguration zu reduzieren. TwinCAT CoAgent integriert KI-gestützte Assistenzfunktionen direkt in die Entwicklungsumgebung. Durch die Anbindung von MATLAB® und Simulink® lassen sich simulierte Modelle in Echtzeit-Steuerungsanwendungen übertragen. Mit TwinCAT Machine Learning können trainierte Machine-Learning-Modelle direkt auf der Steuerung ausgeführt werden. Dadurch lassen sich Inbetriebnahme, Optimierung und Systemanpassungen per Software realisieren.
TwinCAT-Highlights für Rechenzentren:
- TwinCAT 3 Building Automation: Paket mit Funktionen für die Gebäudeautomation
- TwinCAT 3 Lighting Solution: Software für Lichtmanagement
- TwinCAT Analytics: Paket mit Tools für vorausschauende Wartung, verbesserte Diagnose und umfangreiche Fernwartungsmöglichkeiten
Cybersicherheit durch PC-based Control und EtherCAT
Rechenzentren sind auf die nahtlose Anbindung zahlreicher Systeme angewiesen – von der Kühlung und Stromverteilung über die Gebäudetechnik und die Sicherheit bis hin zu übergeordneten IT-Systemen. Mit zunehmender Vernetzung vergrößert sich auch die potenzielle Angriffsfläche der Anlageninfrastruktur. Die wirksamste Absicherung ist die systematische Reduktion von Angriffspunkten. Dies gelingt durch organisatorische Maßnahmen, durchdachtes Anlagendesign und technologische Sicherheitslösungen. Beckhoff unterstützt Sie in allen Bereichen – etwa mit aktuellen Schwachstelleninformationen und Cybersicherheitsleitfäden für das gesamte Portfolio.
Technologisch bilden PC-based Control und EtherCAT ein inhärent sicheres Fundament. Die zentrale Kommunikation über den Industrie-PC ermöglicht die Nutzung nativer Sicherheitsfunktionen der Betriebssysteme auch für die SPS-Runtime, einschließlich integrierter Firewalls. Zusätzlich profitieren Sie durch die Architektur von EtherCAT: Das Protokoll ist konsequent auf hardwarebasierte Echtzeitsteuerung ausgelegt und klar von IP-Netzwerken getrennt, wodurch es nur geringe Angriffsflächen bietet. EtherCAT kann daher ohne Anpassungen cybersicher und normkonform eingesetzt werden.
Mehrstufige Redundanz für hohe Verfügbarkeit
Redundanz in einem Rechenzentrum lässt sich nicht pauschal definieren. Sie wird in mehreren Ebenen umgesetzt, wobei jede Ebene auf die Kritikalität des zu schützenden Systems abgestimmt ist. Auf der Steuerungsebene erhöht TwinCAT Controller Redundancy die Systemverfügbarkeit, indem zwei Standard-Industrie-PCs als redundante Steuerungen eingesetzt werden. Beide Steuerungen führen das gleiche SPS-Programm aus und werden über eine zusätzliche High-Performance-Netzwerkverbindung kontinuierlich synchronisiert. Sollte eine Steuerung ausfallen, übernimmt nahtlos die zweite Steuerung, sodass Anlagenstillstand und Datenverlust verhindert werden.
Die EtherCAT-Kabelredundanz sichert den Kommunikationsweg ab. Im Falle eines Kabelbruchs werden die Telegramme unterbrechungsfrei über die alternative Verbindung versendet. Zusammen tragen diese Maßnahmen dazu bei, dass das Steuerungssystem nicht zum Schwachpunkt in der Verfügbarkeitskette des Rechenzentrums wird.
Häufig gestellte Fragen zur Infrastruktur von Rechenzentren
Beckhoff integriert die Energiemesstechnik direkt in das Automatisierungssystem. EtherCAT-Klemmen zur Leistungsmessung erfassen in Kombination mit SCT-Stromwandlern Strom-, Spannungs-, Leistungs-, Oberwellen- und Netzqualitätsdaten in Echtzeit – von der Hauptzuleitung bis hin zu den einzelnen Rack-Stromkreisen.
Das SCT-Portfolio umfasst Durchsteck- und Klappstromwandler. Klappstromwandler können an bestehenden Leitungen montiert werden, ohne den Stromkreis zu unterbrechen. Die Distributed Clocks von EtherCAT synchronisieren Messpunkte mit einer Genauigkeit von deutlich unter einer Mikrosekunde. Wenn eine detaillierte Analyse erforderlich ist, können Oversampling-Klemmen die tatsächliche Wellenform erfassen. So entsteht eine durchgehende Messkette ohne separate Messinfrastruktur.
Ja. Die von Servern abgeführte Wärme ist Niedertemperaturwärme, die Wärmepumpen auf Temperaturen anheben können, die für Fernwärmenetze und benachbarte Gebäude geeignet sind.
Eine effektive Wärmerückgewinnung erfordert eine abgestimmte Steuerung von Kühlkreisläufen, Wärmepumpen und Wärmeübergabestationen sowie die Messung der abgegebenen Wärme. TwinCAT unterstützt diese Funktionen in einer einzigen Entwicklungsumgebung und bietet eine einheitliche Plattform für die Steuerung der Kühlung von Rechenzentren.
Rechenlasten können sich heute innerhalb von Millisekunden um mehrere Megawatt ändern. Um diese Lastschwankungen auszugleichen, muss das Speichersystem das Ereignis erkennen, die erforderliche Reaktion festlegen und den Leistungswandler ansteuern, bevor sich die Auswirkung am Netzanschlusspunkt bemerkbar macht.
Die erzielbare Reaktionszeit hängt vom gesamten Mess- und Steuerkreis ab. PC- und EtherCAT-basierte Steuerung mit Zykluszeiten von nur 50 Mikrosekunden ermöglicht Hochgeschwindigkeitsregelkreise für den koordinierten Betrieb von Batteriespeichern.
Rechenzentren können ein vorhersehbares Netzverhalten durch präzise, zeitlich synchronisierte Messungen entlang des gesamten Leistungspfads, eine schnelle Anlagensteuerung und Gridcode-konforme Kraftwerksfunktionen unterstützen.
Zu diesen Funktionen gehören Blindleistungssteuerung, Powermanagement und Fault-Ride-Through-Funktionalität. Auf einer offenen Automatisierungsplattform können sie in derselben Steuerungsumgebung betrieben werden, die bereits die Anlage steuert, wodurch koordinierte Reaktionen im Millisekundenbereich ermöglicht werden.
Die Technologie von Beckhoff unterstützt gängige Kommunikationsprotokolle für Gebäude und Industrie, darunter BACnet, OPC UA, MQTT und Modbus. Dies ermöglicht den Datenaustausch mit bestehenden GLT-, SCADA- und DCIM-Plattformen über Standardschnittstellen.
TwinCAT kann als Gebäudemanagementebene fungieren, wobei die webbasierte Visualisierung auf Basis von TwinCAT HMI von jedem Gerät aus zugänglich ist. Es lässt sich auch als Subsystem in eine bestehende GLT-, SCADA- oder DCIM-Architektur anbinden.
Ja. Mit TwinCAT Machine Learning können trainierte Machine-Learning-Modelle direkt in der Echtzeit-Steuerungsumgebung ausgeführt werden. Applikationen wie die Anomalieerkennung auf der Grundlage von Stromqualitätsdaten oder die Lastprognose können daher neben den Mess- und Steuerungsfunktionen in der Steuerung ausgeführt werden.
Im Bereich der Entwicklung bietet TwinCAT CoAgent KI-Unterstützung innerhalb der Entwicklungsumgebung. Durch die Anbindung von MATLAB® und Simulink® lassen sich Regelungsstrategien wie beispielsweise Kühlkonzepte oder Speicherstrategien vor der Inbetriebnahme anhand simulierter Lastszenarien validieren.
