OPC UA permet aux infrastructures de recherche « mobilité » et « bâtiment » de communiquer

Les infrastructures « mobilité » et « bâtiment » servent de tests en conditions réelles, à la manière d’un incubateur, dans le domaine de la recherche énergétique. Le choix s’est porté vers OPCUA pour relier les différentes structures du campus (NEST, ehub et Move) qui produisent emmagasinent, transportent, consomment ou transforment diverses énergies. Les PC embarqués de type CX5140 avec TwinCAT 3 OPC UA sont la base pour la transmission des données, la communication et jusqu'à l'analyse des données dans le cloud.

Le laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche Empa sert, en tant qu'institut interdisciplinaire de recherche du domaine des EPF, de lien entre la recherche et les applications pratiques. L'accent est mis notamment sur la recherche dans le domaine des technologies énergétiques et de bâtiments durables à l'aide de différentes plateformes de test, que l'on nomme dans le jargon les Research and Technology Transfer Platforms. Il s'agit des projets de grande ampleur tels que NEST (Next Evolution in Sustainable Building Technologies), ehub (Energy Hub) ou move (Future Mobility Demonstrator), qui développent, en collaboration avec des partenaires de recherche et le secteur industriel, des solutions commercialisables dans le secteur du bâtiment, de la mobilité et de l'énergie.

Un esprit d'ouverture et des interfaces claires rendus possible grâce à l’automation sur base PC et OPC UA

Les plateformes de test de l’Empa étant mises à la disposition d'un grand nombre d'utilisateurs très différents, il est – selon Philipp Heer, Group Leader ehub au sein de l'Empa – essentiel que celles-ci soient aussi ouvertes que possible, indépendantes des fabricants et que les définitions d'interface soient parfaitement claires : « Il existe une seule liaison physique des modules vers la colonne vertébrale du NEST, qui relie ces derniers avec les systèmes thermiques et électriques existants. Chaque unité fonctionne de manière indépendante et avec sa propre solution d'automatisation, qui communique par Ethernet. Le défi pour les plateformes est d’offrir le plus de possibilités d’interactions pour les nouvelles unités, de sorte que, d'une part, la maintenance des systèmes puisse être réalisée par le service technique de l’EMPA et, d'autre part, les systèmes puissent être utilisés de manière illimitée par les chercheurs. L'intégration doit être flexible, car les besoins des systèmes changent, dès l'ajout d'une nouvelle unité ».

Un autre défi était de garantir un accès flexible en dehors du campus Empa. Pour y parvenir, on a renoncé à l'utilisation de serveurs internes et mis en place directement le niveau de gestion des connexions dans le cloud. Il a aussi été nécessaire de prévoir une architecture de logiciel spéciale dans les commandes qui garantit le fonctionnement sûr des installations et permet de gérer la priorité les différents acteurs dans le cadre des travaux de recherche. Pour Philipp Heer, la technologie de communication OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) a permis de satisfaire aux exigences élevées en matière de complexité et de flexibilité : « OPC UA est utilisée pour la communication transversale au niveau de commande, pour l'analyse des données dans le cloud ou encore à des fins d'intégration de recherche. Un modèle d'information OPC UA spécial a été développé à cet effet. Grâce à ce modèle, il est possible d'intégrer de nouveaux composants et de nouvelles unités selon les prescriptions standardisées. Pour réduire au maximum les travaux d'intégration, des composants de l'architecture de logiciel ont directement été intégrés dans le modèle d'information OPC UA, garantissant par la même occasion des procédures standardisée. Il existe en outre la possibilité d'implémenter de nouveaux logiciels et prestations de service dans le domaine de l'Internet of Things (IoT) sans devoir adapter le système existant ».

PC embarqués avec TwinCAT OPC UA en tant qu'élément central de la communication des données

Dix PC embarqués CX5140 avec TwinCAT OPC UA (TF6100) sont utilisés dans les trois plateformes du NEST. Philipp Heer nous explique leur fonctionnement : « Sept CX5140 servent de serveur et client OPC UA dans la colonne vertébrale du NEST pour la connexion des installations de chauffage et de ventilation et la régulation terminale. A cela s'ajoute trois autres PC embarqués utilisés en tant que système de gestion central du NEST, pour la connexion des microgrids et pour l'intégration des unités. Ils permettent de gérer quelques 60 000 objets OPC UA, inclus leurs gestions d’accès, par exemple avec accès en lecture pour les chercheurs ou en écriture pour l’automatisation des bâtiments. De cela, il y a environ 6 000 signaux de capteurs pertinents qui sont directement enregistrés dans une base de données. Malgré cette infrastructure système étendue, il n'y a jamais eu le moindre problème de performance. La passerelle TwinCAT OPC UA offre ici un avantage particulier. Il s'agit d'un point d'accès unique pour le modèle d'information complet au sein duquel chaque capteur est représenté dans une structure correspondante. Il est ainsi possible pour un outil tiers, comme Labview, d’accéder à toutes les informations de la base de données ou d’autres systèmes intégrés via une seule interface. »

Toujours selon Philipp Heer, une autre particularité est que l'automatisation des bâtiments classique réalisée avec la bibliothèque Building Automation de TwinCAT peut être directement interfacée par OPC UA : « Nous pouvons commander chaque acteur individuel en fonction des besoins d'un projet de recherche spécifique. Avec TwinCAT OPC UA, il est possible de créer avec élégance et très simplement une nouvelle instance au sein de l'arborescence du modèle d'information. De cette manière, les chercheurs voient uniquement leur propre arborescence, tandis que l'automatisation des bâtiments reconnaît uniquement l'arborescence destinée au fonctionnement normal. Et, par le biais d'un sélecteur créé dans la commande Beckhoff, nous pouvons définir les autorisations d’accès correspondantes. Cette opération est extrêmement rapide et flexible, ce qui représente un grand avantage ».

La flexibilité, un atout essentiel de l’automation sur base PC

L’automation sur base PC est utilisée au sein de l'Empa depuis 2013. Tout a commencé à l'époque avec l'automatisation d'un petit bâtiment de recherche, au sein duquel un grand nombre d'interfaces différentes devait être couvert. Philipp Heer explique : « Outre une forme compacte, la multitude d'interfaces devait couvrir les normes standards du domaine de la technique des bâtiments, telles que Dali, KNX ou M-Bus. De fait, dans ce premier bâtiment, des protocoles de communication industriels supplémentaires ont été intégrés. Déjà dans ce projet, des bornes d'E/S EtherCAT ou K-Bus ont été utilisées conjointement, ce qui est rendu possible grâce à la technologie Beckhoff. Et, en particulier là où une précision de mesure élevée est nécessaire, nous avons la chance de profiter d'une communication EtherCAT extrêmement performante ».

L'intégration transparente de la technique de mesure énergétique est un autre avantage de l’automation sur base PC. Ainsi, ce sont environ 25 bornes de mesure de puissance à 3 phases EtherCAT EL3403 et EL3443 qui sont utilisées pour saisir et évaluer toutes les données électriques pertinentes du réseau d'alimentation. Philipp Heer considère que TwinCAT Scope permettra de simplifier davantage encore les processus : « Grâce à la facilité d’utilisation et à la fonctionnalité d'analyse performante de TwinCAT Scope, il est possible de tester de manière très efficace des commandes et d'évaluer des compensations de perturbation sur base de données haute résolution. »

En un coup d’œil

Solutions pour l'automatisation des bâtiments

• Mise en réseau des espaces dédiés au bâtiment, à la mobilité et à l'énergie via OPC UA

Avantage client

• Recherche proche de la réalité de nouvelles technologies et résultats de simulation
• Réalisation de modes de fonctionnement aussi divers que variés pour le mode normal et recherche

Commande PC dans l'application

• CX5140 avec TwinCAT OPC UA : Idéal pour la mise en œuvre d'une communication OPC UA flexible
• Passerelle TwinCAT OPC UA : Point d'accès central aux données de tous les serveurs OPC UA enregistrées dans le cloud
• TwinCAT Scope : données haute résolution pour la simplification de tests et d'évaluationsrtungen