Komplexe Prozesstechnik hochkompakt automatisiert mit Beckhoff-Lösungen

Die Steuerungsarchitektur nutzt zwei Rechner: einen Embedded-PC CX2043 (unten) und einen Schaltschrank-Industrie-PC C6930 (oben, zukünftig ersetzt durch einen Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030).

Zu den technischen Besonderheiten der Reverion-Biogaskraftwerke zählen insbesondere der hohe Wirkungsgrad sowie die reversible Nutzung einerseits zur Stromerzeugung und anderseits bei gesättigtem Netz zum Speichern von Biogas oder grünem Wasserstoff. Zur Systemeffizienz erläutert Application Enginner Sven Bettendorf: „Den aktuellen Marktstandard zur Nutzung von Biogas stellen die Blockheizkraftwerke dar. Sie erreichen allerdings nur einen Wirkungsgrad von etwa 40 Prozent. Alternative Systeme, die wie unsere Biogaskraftwerke auf der Brennstoffzellentechnik basieren, erreichen immerhin schon rund 60 Prozent. Unsere Systeme arbeiten mit 80 Prozent Wirkungsgrad aber noch deutlich effizienter.“

Einer von zahlreichen EtherCAT-Klemmensträngen in einem der insgesamt neun Schaltschränke für die Steuerungstechnik und Leistungsversorgung

Julian Schauseil
Senior Software Developer bei Reverion

„Gerade für eine Neuentwicklung wie unser Biogaskraftwerk ist PC-based Control mit seiner Flexibilität und Skalierbarkeit ein wichtiger Faktor. Schließlich ändern sich der Aufbau und die Prozessabläufe auf dem Weg vom Prototypen zur Serienreife besonders stark.“ “

Hohe Systemintegration gegeben

Hauptgrund für diese enorme Effizienzsteigerung sei die hohe Systemintegration und die damit verbundene Ausnutzung aller Optimierungspotenziale im Zusammenspiel der vielen verschiedenen Prozessabläufe. Die hohe potenzielle Bedeutung für die Energieversorgung verdeutlicht Julian Schauseil, Senior Software Developer von Reverion: „Es geht hier um durchaus relevante Energiemengen. Würde man alle Biogaskraftwerke in Deutschland auf unsere Technologie umstellen, könnte damit die derzeit noch mit Kohleverstromung abgedeckte Grundlast komplett ersetzt werden.“

Die Biogaskraftwerke von Reverion lassen sich durch die Möglichkeit des reversiblen Betriebs sehr gut zur flexiblen Energiespeicherung einsetzen. Julian Schauseil führt dazu aus: „Bei einer Sättigung des Energieversorgungsnetzes, z. B. aufgrund optimaler Bedingungen für Solar- und Windenergie, kann der zur Verfügung stehende Strom zur Biogasherstellung und -speicherung verwendet werden. Das hierfür in Deutschland aktuell nutzbare Gasnetz entspricht ungefähr der 100.000-fachen Speicherkapazität an verfügbaren elektrischen Speichern.“ Das Biogaskraftwerk dient somit nicht nur als lokales Kraftwerk, das Strom aus Biogas ins Netz einspeist. Vielmehr kann es auch umgekehrt – quasi als Puffer – beispielsweise bei günstigen Strompreisen oder viel Wind- bzw. Solarenergie Biogas oder auch grünen Wasserstoff erzeugen und daraus bei hohem Netzbedarf oder in Hochpreiszeiten erneut Strom einspeisen. Dabei arbeitet das Kraftwerk sogar CO₂-negativ.

Das Expertenteam (v.l.n.r.): Daniel Hausdorf, Applikation bei Beckhoff, Julian Schauseil, Senior Software Developer bei Reverion, Christian Spiegel, Vertrieb Augsburg/Schwaben bei Beckhoff, sowie Sven Bettendorf, Application Engineer bei Reverion.

Komplexe Prozesse PC-basiert automatisiert

Die zugrunde liegende Prozesstechnik – zumal bei der hohen Integration und reversiblen Nutzbarkeit – teilt sich in vielfältigste Teilprozesse auf und erfordert eine sehr hohe Anzahl an Sensoren. Um all die verschiedenen Prozessvarianten zuverlässig und optimiert regeln sowie ein lückenloses Datenmonitoring realisieren zu können, ist eine leistungsfähige Automatisierungstechnik unabdingbar. Reverion nutzt hierfür PC-based Control von Beckhoff, das bereits vor der Unternehmensgründung im Rahmen der Forschungsarbeiten an der TU München eingesetzt wurde. Dazu Bettendorf: „Zu Beginn war der einfache Zugang zur Software TwinCAT entscheidend. So konnte zunächst ohne Softwarekauf umfassend getestet werden. Wichtig waren zudem die einfache Erweiterbarkeit z. B. der TwinCAT-Visualisierung sowie der gute Support durch die Beckhoff-Experten.“

Hohe Flexibilität der Energieversorgungsanlagen

Hauptziel der Automatisierungstechnik war – neben dem zuverlässigen und sicheren Anlagenbetrieb – ein Plug-and-play-Einsatz aus Sicht des Betreibers. Die Reduzierung auf ein einfaches Ein- und Ausschalten ermöglicht dem Endanwender nicht zuletzt eine hohe Flexibilität, durch die sich vorhandene Energieversorgungsanlagen mit minimiertem Aufwand ersetzen lassen: Die Container-Bauweise vereinfacht die Suche nach dem passenden Aufstellungsort.

Zwei Rechner im Einsatz

Hardwareseitig ist die Automatisierungstechnik mit zwei Rechnern umgesetzt worden – ein Embedded-PC CX2043 (Hauptsteuerungsrechner) und ein Schaltschrank-Industrie-PC C6930 bzw. zukünftig ein Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030. Die Gründe hierfür erläutert Bettendorf: „Der Einsatz von zwei miteinander kommunizierenden Industrie-PCs hat sich während der Systementwicklung ergeben, da sich die Komplexität zunehmend erhöht hat und sich auf diese Weise die Leistungsfähigkeit der Steuerungstechnik einfach nach oben skalieren und an die jeweilige Plattform anpassen ließ. Vorteile ergeben sich durch eine solche Redundanz außerdem hinsichtlich der Zuverlässigkeit im Betrieb.“ Komplettiert wird die Hardware durch über 450 EtherCAT-Klemmen für rd. 1.200 Sensoren und 300 Aktoren. Dazu zählen mehr als 220 Analogklemmen, wie die Analog-Eingangsklemmen EL3024 (4…20 mA), EL3064 (0…10 V), EL3208 (Pt100), EL3255 (Potentiometer) und EL3318 (Thermoelement).

TwinCAT mit Mehrwert

Ausgewertet werden die Daten all dieser I/Os über die Beckhoff Software TwinCAT, mit der sich laut Schauseil auch solch komplexe Systeme gut abbilden lassen: „Gerade bei sehr umfangreichen und kontinuierlich weiterentwickelten Steuerungsprogrammen bieten die von TwinCAT unterstützte objektorientierte Programmierung, das automatische Unit-Testing und die modulare Softwarearchitektur Vorteile. Änderungen sind damit einfach und ohne Folgefehler im übrigen Programm möglich. Auch notwendige Abstraktionen lassen sich gut umsetzen, was über das Kapseln von Funktionen, wie z. B. der Regler und eine Analogwertverarbeitung, die Strukturierung deutlich erleichtert.“ Wichtig sei zudem die Kommunikationsfunktionalität innerhalb von TwinCAT. So lassen sich die umfassenden Sensordaten mit TwinCAT 3 IoT Communication (TF6701) über das MQTT-Protokoll ohne großen Aufwand und flexibel an übergeordnete Datenbanken übertragen.

Leistungsfähige und integrierte Visualisierung

Das umfangreiche Datenmonitoring dient nicht nur der Prozesssteuerung, sondern auch als Basis für die technische Weiterentwicklung sowie zum Generieren erforderlicher Nachweise und abrechnungsrelevanter Größen. Dazu entwickelte Reverion eine eigene HMI-Erweiterung für das Datenmonitoring, was von TwinCAT laut Bettendorf sehr gut unterstützt wurde: „Das TwinCAT 3 HMI Engineering (TF2000) ermöglicht insgesamt eine schnelle Applikationsentwicklung und ergibt ein einfach erweiterbares HMI. Und auch die Offenheit der TwinCAT-SPS sowie die Schulungen durch die Beckhoff-Experten haben sehr geholfen.“

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Visualisierung seien zudem die guten Kommunikationsmechanismen innerhalb von TwinCAT gewesen. Die entsprechend effiziente Datenverarbeitung ist bei dieser Applikation laut Bettendorf von besonderer Bedeutung, vor allem aufgrund der großen Datenvielfalt und -menge sowie der zahlreichen erforderlichen HMI Controls. Eine weitere Anforderung an das HMI und die HMI-Erweiterung war die Einfachheit im Betrieb, sowohl bei Kurz- als auch bei Langzeitaufzeichnungen. Die Industrie-PCs von Beckhoff stellen hierbei ausreichend Rechenleistung und Arbeitsspeicher bereit.

Sven Bettendorf
Application Engineer bei Reverion

„Der Einsatz von zwei miteinander kommunizierenden Industrie-PCs hat sich während der Systementwicklung ergeben, da sich die Komplexität zunehmend erhöht hat und sich auf diese Weise die Leistungsfähigkeit der Steuerungstechnik einfach nach oben skalieren und an die jeweilige Plattform anpassen ließ. Vorteile ergeben sich durch eine solche Redundanz außerdem hinsichtlich der Zuverlässigkeit im Betrieb.“