Sicher (ge)-laden dank PSS 4000 von Pilz

Die PSS 4000- hat viele Vorteile, doch einer ist wesentlich: Sie ist in den genormten IEC/IN 61131-Sprachen der Automatisierungstechnik programmierbar. (Bild: Pilz)

Elektrofahrzeuge prägen immer mehr das Stadt- und Landbild. Entsprechende Ladestationen findet man inzwischen auch auf vielen Firmengeländen, da die eigenen Fahrzeugflotten bestenfalls auf Elektro umgestellt werden. Auch größere Einrichtungen wie Shoppingcenter forcieren Ladesysteme für E-Fahrzeuge und bei den Lkw-Flotten gehört nach neuesten Prognosen das elektrische Laden zur grünen Zukunftsvision. Das Ziel ist allen gemein: Emissionen sollen reduziert werden. Doch wie schaut ein modernes Parkplatzsystem aus bzw. welche Automatisierungs- und auch Sicherheitstechnik steckt dahinter? Am Standort von WEB Windenergie AG (kurz W.E.B) aus Pfaffenschlag im niederösterreichischen Waldviertel kann man sich ein Bild davon machen. Dort entsteht im Rahmen eines FFG-Forschungsprojektes ein modernes Demonstrations-Parkplatzsystem, das sich vor allem durch einen wesentlichen Aspekt von anderen unterscheidet: Es wird mit DC-Gleichstrom betrieben.

DI Dominik Hartmann, zuständig für die Umsetzung innovativer Projekte in der Abteilung Energy Data Management & Innovation bei der WEB Windenergie AG, und Karl Haderer, Regional Sales Manager bei Pilz Österreich, sind sich einig: Die Kommunikation zwischen Pilz und W.E.B ist effektiv und funktioniert reibungslos, so wie zwischen der PSS 4000 und dem Park-Ladesystem. (Bild: x-technik)

Gerhard Moser
Customer Support - System Integration bei Pilz Österreich (Bild: Pilz)

„Die Flexibilität unserer Lösungen erlaubt sehr unterschiedliche Anwendungen, auch außerhalb des industriellen Umfelds, wie auch der Einsatz im Forschungsprojekt MADELAINE zeigt.“

Gleichstrom versus Wechselstrom

Im Gespräch mit DI Dominik Hartmann, zuständig für die Umsetzung innovativer Projekte in der Abteilung Energy Data Management & Innovation (EDM), wurde deutlich, welche immensen Vorteile das DC-Gleichstromladen mit sich bringt. Das Hauptargument ist zunächst einmal das schnellere Laden. Dieses ist in höheren Leistungsbereichen mit Gleichstrom umsetzbar und wird seiner Ansicht nach in Zukunft bei immer mehr Ladestationen zu finden sein. Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf die Frage, wo der Strom umgewandelt wird. Dieser Prozess kann entweder außerhalb des Fahrzeugs oder im Fahrzeug selbst passieren. Beim AC-Laden geschieht die Umwandlung im Fahrzeug. Die „Electric Vehicles“ (EV) besitzen einen eingebauten Gleichrichter, auch Bordladegerät bzw. On-Board-Charger (OBC) genannt, der den Wechselstrom aufnimmt und in Gleichstrom für den Akku umwandelt.

Bei DC-Ladestationen hingegen befindet sich der Gleichrichter in der Ladestation. Daher ist das DC-Ladegerät als solches auch größer. Weiters verfügen DC-Ladesäulen über einen Starkstromanschluss, wodurch auch die höheren Ladeleistungen ab 50 kW möglich sind. In Folge benötigt es nur 30 bis 60 Minuten, um den Akkuladezustand von etwa 20 auf 80 Prozent zu erhöhen. Der jedoch wichtigere Vorteil bei einem DC-Ladesystem ist laut Hartmann folgender: „Es ist eine aktive Fahrzeugkommunikation gegeben, was bei der Wechselstromladung nicht möglich ist.“ Hier würde lediglich mittels PWM-Signale der mögliche Ladestrom vorgegeben. Beim DC-System ist die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und den Ladestationen aktiv und liefert zusätzliche Detailinformationen, zum Beispiel wie weit der Fahrzeugakku bereits aufgeladen wurde.

Im Schaltschrank: Die PSS 4000 von Pilz kommt für die Automatisierungs- und Sicherheitstechnik zum Einsatz. Sie ist für Einsätze im Energiebereich und die dortigen Ansprüche bestens geeignet. (Bild: x-technik)

Kommunikation als Entscheidungshilfe

Im Grunde genommen kann laut Hartmann künftig auch der eigene Firmenstandort über das DC-Ladesystem versorgt werden. So die Idee. Demnach wäre einfach gesprochen „ein Energieaustausch in beide Richtungen möglich.“ Bei diesen Argumenten darf eines nicht fehlen: Ein sicherer Stromkreis bzw. die Berücksichtigung aller Sicherheitskomponenten sowie eine moderne Steuerungstechnik. Das Sicherheitskonzept musste dabei laut Hartmann alle möglichen Sicherheitsaspekte beinhalten und sollte sich mit den Sicherheitsfragen sowohl auf das Gleichstromnetz als auch auf das Wechselstromnetz beziehen.

An diesem Punkt kam der Spezialist für Automatisierungs- und Sicherheitstechnik Pilz ins Spiel, der seit vielen Jahren aktiv mit W.E.B zusammenarbeitet. Neben den weiteren zum Forschungsprojekt gehörenden Projektteilnehmern, dem AIT (Austrian Institute of Technology) und der Enio GmbH, einem österreichischen E-Mobilitätsunternehmen aus Wien, hat Pilz wesentlich zum erfolgreichen und vor allem sicheren Umsetzen des Demonstrationsprojektes mit beigetragen.

Gerhard Moser, Customer Support – System Integration bei Pilz Österreich, erläutert: „Es ist immer wieder schön zu sehen, dass in einer Anlage die PSS4000 als Sicherheits-Herz schlägt. Das heißt sie übernimmt die zentrale Rolle der Sicherheitstechnik. Hier sieht man deutlich, dass sie auch außerhalb ihres üblichen industriellen Umfelds problemlos einsetzbar ist. Ein Hauptargument für sie ist sicherlich auch die Möglichkeit, die Programmiersprache Structured Text im Sicherheitsteil verwenden zu können. Die meisten Programmierer befürworten dies.“ Hartmann ergänzt: „Die SPS von Pilz hat zwei grundlegende Funktionen: Sie minimiert die Wahrscheinlichkeit, dass Fehler im System auftreten, und sorgt im Störungsfall dafür, dass das System in einen sicheren Zustand gebracht wird.“ Ein wesentlicher Aspekt beim Laden von Elektrofahrzeugen. Hartmann weiter: „Das Sicherheitskonzept des Projektes beinhaltet alle sicherheitsrelevanten Geräte und Einrichtungen und damit auch eine sichere Steuerung. Es impliziert die Sicherheitseinrichtungen sowohl auf der Wechselstromnetzseite als auch auf der Gleichstromseite nach den Lademodulen.“

Grünes Laden: Das neue DC-Ladenfür den Flottenpark der WEB Windenergie AG wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes umgesetzt. Geplant sind insgesamt zehn Ladepunkte auf dem Firmengelände. (Bild: x-technik)

Karl Haderer
Regional Sales Manager bei Pilz Österreich (Bild: Pilz)

„Die PSS 4000 ist ein Multimastersystem, das gewährleistet, dass eine sichere Netzwerkverbindung auch über weite Distanzen mit SafetyNET p, dem Echtzeit-Ethernet-basierten Protokoll, möglich ist.“

Im Schaltschrank

Bei einem Rundgang wird am W.E.B.-Campus wird am Container, der alle Schaltschrankkomponenten beinhaltet, kurz Halt gemacht und anschaulich demonstriert: Die Sicherheits-SPS ist notwendig, um die Schaltmatrix so zu verschalten, dass die ausgewählten Lademodule für die Ladung auch auf die richtigen Ladepunkte verschaltet werden. Neben der Herstellung der richtigen Leistungsverbindungen, muss die Sicherheits-SPS auch die anderen Sicherheitseinrichtungen managen. Zu diesen Einrichtungen gehören auch die Not-Aus-Kreise. „Da die Sicherheits-SPS von Pilz für dieses Projekt verwendet wurde, lag es nahe, die Not-Aus-Taster ebenfalls von Pilz einzusetzen“, so Hartmann.

Die Grafik veranschaulicht die MADELAINE-Systemarchitektur, wie sie technisch aufgebaut ist und schlussendlich auch zum Einsatz kommt.

Verschiedene Projektphasen

Der Projektstart für das DC-Parksystem war im Mai 2021. Im April 2024 soll nach ausgiebigem Testen das finale Go erfolgen. Schafft das anvisierte Parkladesystem mit dem klangvollen Arbeitsnamen „MADELAINE“ den Schritt von der Forschungsphase in die Produktreife, könnte der Vertrieb über die auf Ladeinfrastruktur spezialisierte W.E.B.-Tochter ella erfolgen. MADELAINE steht dabei für ´Multi-Adaptives DC-Elektrofahrzeug-Lade-Infrastruktur-Netz´. „Die Ladelösung der Zukunft muss möglichst flexibel eine Vielzahl von Abgabepunkten bedienen können. Das sichere Durchschalten der DC-Verbindungen ist dabei ein Herzstück des MADELAINE-Projekts“, untermauert schließlich DI Florian Mader, Head of Energy Data Management & Innovation bei W.E.B, bei der Besichtigung des Systems am Firmengelände.

Er und sein Kollege Dominik Hartmann begleiten das Projekt. Er ergänzt: „Das Besondere hierbei ist, dass die „fünf sich im Einsatz befindenden Lademodule des Parkladesystems parallel geschalten werden können.“ Und: „Die jeweiligen Lademodule können einzeln betrieben werden. Das bedeutet, dass fünf Parkplätze mit jeweils 10 kW geladen werden können.“ Zu bedenken ist, dass „hinter jedem Lademodul, das parallel geschalten wird, ein DC-Schütz vorhanden sein muss“, so Mader. „Damit die Schalter wiederum angesteuert werden können, ist unsere Pilz SPS in Verwendung“, ergänzt Karl Haderer, Regional Sales Manager bei Pilz Österreich.

Passende Lösungen trotz Lieferschwierigkeiten

Haderer erklärt: „Mit der sicheren Kleinsteuerung, dem sogenannten PNOZmulti von Pilz, wurde laut Herrn Hartmann anfangs geliebäugelt. Im Laufe des Projektes stellte sich schnell heraus, dass das PNOZmulti-System, konzipiert als Kleinsteuerung, nicht alle Anforderungen erfüllen kann.“ Er ergänzt: „Zudem kamen zum damaligen Zeitpunkt diverse Lieferschwierigkeiten am Markt hinzu und wir konnten sehr schnell eine geeignete Lösung für das Projekt liefern.“ Hartmann bestätigt dies: „Gemeinsam mit der Firma Pilz haben wir uns dann für die Pilz PSS 4000 entschieden, die optimal für unsere Ansprüche in das System passt. Der fachliche Austausch und die passende Lösung haben uns letztendlich überzeugt.“ Karl Haderer fügt hinzu: „Mit maximaler Flexibilität und im Team konnte das Projekt erfolgreich umgesetzt werden – allen Herausforderungen zum Trotz.“

Testphasen erfolgreich bestanden

Im ersten Projektjahr wurde die gesamte Netzarchitektur und die damit verbundene Verschaltung entwickelt. Auch das optimale Verhältnis zwischen der Anzahl an Lademodulen und Stellplätzen wurde analysiert. Eine Demonstrationsanlage mit fünf Lademodulen und zehn Ladepunkten am Gelände der W.E.B ist errichtet, wobei die Plangröße eines Lademoduls auf einer DC-Ausgangsleistung von 10 kW basiert. Durch die Parallelisierung von fünf Lademodulen können wie erwähnt bis zu 50 kW auf einem einzelnen Stellplatz bereitgestellt werden. Im Rahmen des Demobetriebs liegt der Fokus auf dem Lastmanagement und der Eigenbedarfsoptimierung am Standort.

Hartmann erläutert: „Wir haben dieses Jahr das Parksystem unter Laborbedingungen ausgiebig getestet. Dabei wurde zum einen ohne Leistung, also lediglich die Software, unter die Lupe genommen. Zum anderen wurden Schaltfreigaben gegeben und die Parallelisierung unter Leistung untersucht. Die Daten wurden protokolliert und analysiert sowie im Rahmen der Projektanforderungen dokumentiert.“ Ende September wird dann mit den Fahrzeugen der erste Ladebetrieb durchgeführt. Was in dem Zusammenhang auch nicht fehlen darf, ist eine Lade-App. Diese wurde eigens für das Projekt kreiert. Karl Haderer ergänzt noch einen wesentlichen Aspekt: „Die PSS 4000-Lösung hat viele Vorteile, doch einer ist wesentlich: Sie ist in den genormten IEC/IN 61131-Sprachen der Automatisierungstechnik programmierbar, sodass der Anwender keine neue Sprache dazulernen muss.“ Ein klarer Vorteil und eine Arbeitserleichterung, wie das Projektteam bestätigt.

Zukunft Zero Emission Mobility

Der Trend zur grünen Mobilitätswende nimmt Fahrt auf, wie beim vorliegenden Beispiel klar zu erkennen ist, und diese bedarf sicherer Technik. Der Trend geht laut Experten klar in Richtung DC-Ladetechnik, auch wenn die Kosten derzeit noch flexibler werden müssten. Von Pilz-Seite steht unabhängig der Entwicklungen eines fest: „Wir können auch im Energiesektor die passenden Lösungen anbieten und möchten ganz klar mit unserer Technik und als Gesamtlösungsanbieter ein Zeichen in Richtung Green Energy setzen“, sind sich Karl Haderer und Gerhard Moser einig. MADELAINE beweist es anschaulich.

DI Dominik Hartmann
zuständig für die Umsetzung innovativer Projekte in der Abteilung Energy Data Management & Innovation bei der WEB Windenergie

„Ein Parallelbetrieb mehrerer Lademodule auf eine Vielzahl von Ladepunkten und der Möglichkeit einer Kopplung der Lademodule bietet grundsätzlich Vorteile. So kann etwa die Ladeleistung auf einzelnen Stellplätzen temporär deutlich angehoben werden, um damit Schnellladungen zu ermöglichen.“

Infos zum Anwender

Die WEB Windenergie AG ist ein österreichisches Energieerzeugungs-Unternehmen mit Sitz in Pfaffenschlag bei Waidhofen an der Thaya (Niederösterreich). Das Unternehmen produziert Ökostrom vorwiegend aus Wind- und Sonnenkraft. Aktuell erzeugt die W.E.B mit mehr als 310 Kraftwerken in Österreich, Deutschland, Tschechien, Frankreich, Italien, Kanada und den USA saubere, regionale Energie. (Bild: WEB Windenergie AG)