Die europäische Industrie befindet sich in einem Wandel. Durch neue Klimaziele sowie Unsicherheiten und Preisanstiege bei fossilen Rohstoffen wird die bereits begonnene Energiewende zunehmend beschleunigt. Initiativen wie die „All Electric Society“ fordern und fördern eine Elektrifizierung sämtlicher Branchen. Auch der Druck auf die industrielle Produktion steigt.
Energiewende heißt nicht nur Elektrifizierung, vielmehr muss der Strom auch aus erneuerbaren Ressourcen stammen. Das Ziel der Europäischen Union: Bis 2030 sollen erneuerbare Energien 42,5 % des Gesamtenergieverbrauchs in der EU ausmachen. Allerdings führt dieser Wandel auch zu deutlich steigenden Strompreisen. Im internationalen Vergleich liegt nach dem Vergleichsportal Strom-Report Europa mit durchschnittlich 28,7 Cent pro Kilowattstunde weit über den Industrienationen China (6,95 Cent/KWh) und USA (18,14 Cent/KWh). Deutschland liegt mit 39 Cent/KWh weltweit auf Platz 5 der teuersten Strompreise.
Eine Entwicklung, die in Kombination mit dem Fachkräftemangel besonders die Unternehmen der energieintensiven Prozessindustrie belastet und vor Herausforderungen stellt. Nicht selten sind Schließungen von Anlagen oder ganzen Standorten die Konsequenz. Um die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen und europäischen Prozessindustrien langfristig zu sichern, bedarf es wirksamer Maßnahmen. Ein Ansatz ist die konsequente Digitalisierung der Produktionsanlagen und der zugehörigen Infrastruktur. Zum einen können so Prozesse überwacht, optimiert und damit Ressourcen eingespart werden. Zum anderen kann durch das Vernetzen der Erzeuger und Verbraucher die Verteilung von elektrischer Energie über den Produktionsstandort hinweg vorrausschauend gesteuert werden. Auch Initiativen wie Process-X der NAMUR zielen auf eine verstärkte Vernetzung von Unternehmen zum intelligenten Austausch von Rohstoffen. Überschüssige Energie in Form von Strom, aber auch Wasserstoff oder Dampf, soll auf einem digitalen Marktplatz angeboten und von weiteren Unternehmen am Standort abgerufen werden können.
Grundlage solcher Ansätze sind lückenlose und zeitaktuelle Daten. Dabei geht es beispielsweise um Prozessdaten der Anlagen, aktuelle Energieverbräuche, Auslastung von Erzeugern sowie mögliche Ausfälle und Probleme im Stromnetz – Datenmengen, die heute noch nicht abrufbar sind. Außerdem sind diese Daten aufzubereiten und zu analysieren, idealerweise in Echtzeit und unter Berücksichtigung von Datenschutzmaßnahmen.
Zur Erfassung der Daten werden zunehmend sogenannte Smart Meter Gateways eingesetzt.
Smart Meter sind intelligente, kommunikationsfähige Stromzähler. Sie erfassen den aktuellen Energieverbrauch sowie die Rückspeisung eines Gebäudes oder einer Anlage und übermitteln die Daten an zentrale Akteure wie Messstellenbetreiber, Netzbetreiber und Energielieferanten. So können Verbräuche präzise erfasst, flexibel abgerechnet und daraus resultierende Einsparpotenziale identifiziert werden. Auch die zur Verfügung stehende Energie kann intelligent verteilt werden. Das Stromnetz wird zum Smart Grid.
Aber warum sollte Intelligenz auf das Stromnetz beschränkt bleiben? Gerade in industriellen Anwendungen der Chemie- und Pharmaindustrie kommen zahlreiche weitere Energieträger zum Einsatz. Auch Gas, Dampf oder Wasserstoff können intelligent gespeist, verteilt und genutzt werden. Analog zum Smart Grid entsteht so ein ganzheitliches Energiesystem, in dem aktuelle Verbräuche und verfügbare Mengen transparent erfasst werden. Werden neben Strom- und Spannungswerten auch Druck, Durchfluss, Temperatur und weitere prozesstechnische Größen erfasst und analysiert, lassen sich umfassende Effizienz- und Optimierungspotenziale aufdecken.
Die Erfassung der nötigen Messwerte kann durch die Installation von sogenannten Remote Terminal Units (RTU) in Kraftwerken, Verteilstellen und Anlagen realisiert werden. RTUs bestehen aus einer intelligenten Kopfstation mit entsprechender Software sowie diversen physischen Anschlüssen zur Integration von Sensordaten aus dem Feld. Ihre Kernaufgabe besteht darin, sämtliche physikalischen Messgrößen in digitale Kommunikationsnetze einzuspeisen. Dafür müssen die Daten häufig über lange Distanzen übertragen werden. RTUs sollten dabei den Anforderungen der Industrie entsprechen und somit auch unter widrigen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Vibration oder explosiven Atmosphären einsetzbar sein.
Mit dem Automatisierungsportfolio von Beckhoff lassen sich RTUs für die Erfassung sämtlicher relevanter Messgrößen realisieren. Zum Einsatz kommen Embedded-PCs der CX-Serie, die Automatisierungssoftware TwinCAT sowie EtherCAT-Klemmen zur Signalerfassung. Das breite I/O-Spektrum erlaubt die vollständige Integration sämtlicher elektrischer und prozesstechnischer Signale aus dem Feld. Die Modularität der Beckhoff Komponenten ermöglicht es, RTUs flexibel und spezifisch angepasst an die jeweilige Applikation bzw. Messaufgabe zusammenzustellen.
Erfassung und Berechnung elektrischer Energie
Strom stellt laut ZVEI mit etwa 30 % einen großen Anteil der in der Industrie notwendigen Energie. Mit langjähriger Erfahrung aus der Windindustrie bietet Beckhoff umfassende Lösungen zur Leistungsmessung und -regelung. Um diese in die bestehenden Stromnetze der Prozessindustrie zu integrieren, umfasst das Portfolio u. a. einfach nachrüstbare klappbare Stromwandler der SCL-Serie. Das Messsystem, bestehend aus jeweils drei 333-mV-Klappwandlern, lässt sich über eine RJ45-Schnittstelle direkt mit der Leistungsmessklemme EL3475 verbinden. Dabei erkennt die EtherCAT-Klemme automatisch die angeschlossenen SCL-Wandler und stellt entsprechende Verhältnisse und Kennwerte ein. So können ohne Konfigurationsaufwand alle relevanten elektrischen Daten eines Verteilnetzes aufgenommen werden.
Die gelieferten Messwerte können anschließend durch die TwinCAT Power Functions weiterverarbeitet und ausgewertet werden. Unter anderem stehen Bausteine zur Verfügung, um echtzeitoptimierte Berechnungen von Effektivwerten, Oberschwingungen oder weiteren Größen durchzuführen. Ebenso sind Methoden zur Frequenzbestimmung und eine sofortige Clarke/Park-Transformationen enthalten. Auch ein EZA-Regler kann entsprechend der Norm realisiert werden. Sämtliche Bausteine verfügen über standardisierte Schnittstellen, sodass Ergebnisse schnell und einfach in überlagerte Systeme eingebunden werden können.
Erfassung stromunabhängiger Prozessdaten
Neben Strom bezieht die Industrie erforderliche Energie über diverse weitere Medien. So dienen Wasser, Erdgas oder Wasserstoff als wichtige Grundlagen für energieintensive Prozesse. Um den Verbrauch und die Rückspeisung im Sinne des Process-X-Konzeptes zu überwachen, müssen u.a. Druck und Durchfluss gemessen werden. Entsprechende Feldgeräte werden meist über eine 4-20 mA-Schleife eingebunden. Im Beckhoff Portfolio stehen hierfür analoge EtherCAT-Eingangsklemmen wie z. B. EL3182 oder EL3184 zur Verfügung. Diese ermöglichen darüber hinaus die Kommunikation mit den Feldgeräten über das bekannte HART-Protokoll. So können Sensoren parametriert und gewartet werden. Ebenso ist Ethernet-APL als zukünftiger Standard der Industrie bereits fester Bestandteil des Klemmenportfolios. Mit der EL6233 lassen sich APL-fähige Feldgeräte modular integrieren. Sofern es die Umgebung erfordert, kann die Verbindung über die Klemmen der ELX-Serie mit integrierter Trennbarriere auch eigensicher ausgeführt werden.
Feldgerätewartung und Instandhaltung
Um den Aufwand für die Inbetriebnahme und Wartung zu reduzieren, ist ein Fernzugriff sowohl auf die RTU als auch die verbundenen Feldgeräte unerlässlich. Technologien wie HART und Ethernet-APL bieten dafür Möglichkeiten: Zum einen kann über Tools wie FDT/DTM, FDI oder den Webserver im Fall von APL-Geräten auf die Sensoren zugegriffen werden. Zum anderen lassen sich die zusätzlichen Parameter zyklisch und mit standardisierten Informationsmodellen an Asset-Management-Systeme übertragen. Dazu stehen ebenso notwendige Funktionsbausteine in TwinCAT zur Verfügung. Ausführlich beschrieben wird dieser Ansatz in der NAMUR-Empfehlung 175: NAMUR Open Architecture.
Datenweiterleitung an zentrale Systeme
Das Vernetzen der verteilten Stationen stellt allein aufgrund der zu überbrückenden Distanzen eine Herausforderung dar. Es können beispielsweise Glasfaserverbindungen verwendet werden, um auch über lange Strecken gegenüber elektromagnetischen Störungen abgesichert zu sein. Als Kommunikationsprotokolle haben sich OPC UA sowie Fernwirkprotokolle, entwickelt von und für die Windindustrie, etabliert. Mit TwinCAT bietet Beckhoff Funktionen, um Datenmodelle entsprechend der IEC 60870 oder IEC 61850 zu programmieren. Softwarebausteine für die Kommunikation über OPA UA stehen ebenfalls zur Verfügung. Für die Integration der verteilten Stationen in eine übergeordnete Leit- bzw. Überwachungsebene, können auch neue Digitalisierungskonzepte wie das Module Type Package (MTP) verwendet werden. Dabei stellt eine Station ihre Funktionen als sogenannte Services zur Verfügung. Diese Services können dann von einem Leitsystem abgerufen werden. Der MTP-Standard stellt somit eine weitere Abstraktionsebene zwischen den eigentlichen Messwerten und der Auswerteeinheit dar. Auch für die MTP-Integration verfügt die Automatisierungssoftware TwinCAT über zahlreiche Bausteine.
Management verteilter Systeme
Während der Lebensdauer der RTUs werden in regelmäßigen Abständen neue Softwareupdates notwendig sein. Zum einen ändern sich ggf. rechtliche Vorschriften bei der Berechnung. Zum anderen müssen neue Funktionen implementiert werden. Um diese Änderungen schnell und unkompliziert aufspielen zu können, sind containerisierte Anwendungen sinnvoll, die sich mit Linux realisieren lassen. Beckhoff bietet mit dem CX8290 oder CX9240 Linux®-basierte Embedded-PCs, die sich besonders gut für den Einsatz in RTUs eignen. Aus der IT bekannte Systeme übernehmen die Verwaltung und das Management von Software-Containern und verteilen diese auf die Stationen. Auch TwinCAT ist mit den Funktionen als Container-Applikation anwendbar.
Anwendungsbeispiele
RTUs bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten. So können sie in vernetzten Industriegebäuden genutzt werden, um Energieverbräuche zu analysieren und Optimierungspotenziale aufzudecken. Relevant sind dabei besonders Heizungs- und Lüftungsanlagen sowie Wasser- und Stromverbrauch. Sämtliche Messwerte werden in einer zentralen Steuerung pro Gebäude gebündelt und entsprechend verrechnet. Die Verbrauchsdaten werden anschließend über industrielle Protokolle wie BACnet oder Modbus weitergegeben.
Ein weiterer Anwendungsfall ergibt sich aus dem vorgestellten Ansatz der NAMUR: Process-X. Herstellerübergreifend können Verbrauchs- und Einspeisewerte der Anlagen an einem Chemiestandort ausgewertet werden. Überschüssige Energien aus einem Produktionsschritt, z. B. Prozesswärme oder chemische Gase, lassen sich direkt in andere verbrauchende Prozesse einkoppeln. Dazu ist eine Verknüpfung der Anlagen und aktueller Messwerte über eine zentrale Ebene, den sogenannten Datenraum, unerlässlich.
Abschließend zeigen die erwähnten steigenden Zahlen verbauter Smart Meter, wie wichtig die Überwachung von Strom- und Gasnetzen wird. Erzeuger, Verteilstationen und Verbraucher: Sämtliche Bestandteile eines Energienetzes sollen vernetzt und überwacht werden. Nicht nur im allgemeinen Netz, sondern auch innerhalb eines Chemieparks sind diese Größen zu überwachen.
So vielfältig die Anwendungsfälle und zu erfassenden Messwerte sind – mit dem modularen Beckhoff Portfolio lassen sich passende RTUs für jedes Szenario aufbauen. Die Daten werden sicher aufgenommen, passend aufbereitet und weitergegeben. Dabei bietet die Offenheit von PC-based Control einen großen Vorteil: Die vielfältigen Schnittstellen ermöglichen nicht nur die Aufnahme aller gängigen Messsignale, sondern auch eine einfache Weiterleitung der Daten an zentrale Systeme. Beckhoff Technik eignet sich deshalb auch bestens für Retrofit-Projekte, wie sie zur Etablierung von Smart-Grid-Strukturen in der Prozessindustrie nötig sein werden.