Weniger Kohlendioxid-Emissionen durch Überwachung und Steuerung

Einleitung

Der Klimawandel gehört zu den schwerwiegendsten globalen und systemischen Phänomenen, mit denen unsere modernen Gesellschaften jemals konfrontiert gewesen sind, und er betrifft uns alle. Angesichts dieser Problematik hat sich zum Beispiel die französische Verwaltung offiziell dazu verpflichtet, die Kohlenstoffemissionen in Frankreich bis zum Jahr 2030 um 40 % zu senken und bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen. Kurz gesagt besteht eine globale Notwendigkeit, kohlenstoffarme Lösungen, die sich noch in der Pionierphase befinden, schnell zu Standardoptionen zu machen.

Was kann also ein Software- und Systemintegrator, der auf industrielle Prozesse und Gebäude spezialisiert ist, tun, um die Industrie beim Management des Energieverbrauchs zu unterstützen? Wie können Steuerungssysteme zur Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes beitragen? Im industriellen Bereich – und spezifischer in Industrieanlagen und -gebäuden – können diverse Funktionen zentralisiert, gesteuert und optimiert werden, um den Energieverbrauch zu verwalten und die CO2-Bilanz zu verbessern.

Energieüberwachung und -management in Gebäuden

Was kann man in Bezug auf die Energieüberwachung und das Energiemanagement an Industriestandorten von der Software erwarten, die für die Gebäudeüberwachung und ‑steuerung zuständig ist? Zur Veranschaulichung sind im folgenden Schema einige Elemente einer typischen Industrieanlage bzw. eines Bereichs von besonderem Interesse dargestellt. Die Hilfsmittel, die die Syclone-x-Low-Carbon-Lösung bietet, um ein Gesamtbild des Energie- und Emissionsflusses zu generieren und den Energieverbrauch zu reduzieren, werden im Anschluss skizziert.

1. Luftqualität und Klimatisierung

• Kalender- und wetterbasiertes Temperaturmanagement in Büroräumen

• Erfassung von Luftverschmutzungsdaten

2. Rechenzentrum

• Stromverbrauchsanalyse

• Temperaturmanagementsystem

3. Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)

• Versorgungsmanagement: Beleuchtung, Heizungen/Kühlgeräte, Dampferzeuger ...

• Datenzentralisierung in Edge oder Cloud

• Szenario- und Sequenzbearbeitung

• Entscheidungsunterstützungssystem

• Offene Architektur

4. Sensoren für das „Internet der Dinge“ (IdD)

• Datenerfassung, z. B. zu Stromverbrauch, Lärm, Luftqualität, Parkhausstellplätzen …

Was die Software selbst betrifft, ist die Mindestanforderung der Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), dass die Anlagen überwacht und gesteuert werden. Ziel ist es, die Beleuchtung, Heizungen oder Generatoren ein- oder auszuschalten.

Ein entscheidendes Merkmal ist die Möglichkeit zur Anbindung vieler verschiedener Protokolle. EES-Clemessy entschied sich dafür, die Syclone-Software um die OPC Unified Architecture (OPC UA) herum aufzubauen. OPC UA ist ein von der OPC Foundation entwickeltes Maschine-zu-Maschine-Kommunikationsprotokoll für die industrielle Automatisierung. Es ist gut dazu geeignet, moderne Geräte zu koppeln, aber auch ideal für die Entwicklung spezifischer Treiber für die Kommunikation mit anderen industriell genutzten Protokollen.

Etwas weiter gedacht, muss der Betreiber in der Lage sein, die Sequenzen zur Steuerung seiner Anlagen einfach zu editieren, und genau das ist mit den Clemessy-Sequenzern möglich.

Heute erklären sich manche Kunden gerne bereit, das Internet der Dinge (IdD) für die direkte Datenerfassung und sogar zur Steuerung einiger Anlagen einzusetzen. Dies wird in den kommenden Jahren zu großen Veränderungen führen. Manchmal kann die Ebene der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) sogar entfallen und die Funktionen können stattdessen entweder in das IdD oder in den Software-Server integriert werden.

Aber selbst wenn einige der aufgelisteten Funktionen automatischer Sequenzen zu Energieeinsparungen führen können, ist das Energiemanagementmodul letzten Endes die Schlüsselkomponente:

5. Energiemanagement

• Verbrauchsverfolgung

• Historienbetrachter

• Statistik- und Kurvenplotter

• Vertragsmanagement gemäß den Bedingungen des Anbieters:
  maximal erlaubte Leistung, Strafzahlungen
  Min/Max-Messgerät
  Durchschnitt pro Periode

• Warnung/Alarm auf dem Handy

• Stromverbrauchsprognose

Skalierbares Energiemanagement-Modul

Das Energiemanagement-Modul ist skalierbar in dem Sinne, dass ständig neue, von den Kunden benötigte Funktionen hinzugefügt werden. Diese reichen von der Verbrauchsverfolgung über den Historienbetrachter, den Statistik- und Kurvenplotter und das Vertragsmanagement gemäß den Bedingungen des Anbieters bis hin zur Stromverbrauchsprognose, die jetzt dank künstlicher Intelligenz hinzugefügt werden kann.

Alle Funktionen werden mittels CLEMESSY-Software in Syclone integriert. Syclone ist eine Software-Toolbox, die zwei Welten in sich vereint:

• die auf einem dedizierten Controller gehostete deterministische Echtzeit-Welt und

• die Überwachungs- oder SCADA-Welt, die in der Edge oder Cloud gehostet werden kann.

Die Syclone-Überwachung wird jetzt ausschließlich auf Webserver-Technologie gehostet. Es wird nichts auf dem Laptop des Kunden installiert, und es ist auch keine spezielle Hardware erforderlich. Es gibt lediglich einen einfachen Web-Link. Diese Lösung wurde gewählt, um die Installation und den Wartungszyklus für den Endbenutzer zu vereinfachen. Zum Beispiel konnte diese SCADA-Software im Sommer – während der Corona-Krise – in Ungarn eingesetzt werden, ohne dass Dienstreisen erforderlich gewesen wären.

Die Benutzer haben nicht nur Zugriff auf alle Überwachungsfunktionen, sondern können auch den Energieverbrauch beobachten und gegebenenfalls reagieren. Und schließlich ist das System hochgradig skalierbar: Auch wenn Demonstrationen der Software mit einem Dutzend Ein- und Ausgängen durchgeführt werden, kann ein Projekt durchaus 10 000 Messpunkte an einem einzigen Standort umfassen.

Im Hardwareschema gewährleistet Syclone x die Schnittstelle mit dem Bedienpult, für die nur ein einfacher Webbrowser erforderlich ist. Das Design ist responsiv und für Laptop, Mobiltelefon oder Tablet geeignet. Der plattformübergreifende Server ist in der Edge gehostet und kann über einem kleinen PC oder sogar ein Laptop verwaltet werden.

Da die Software als Servicelösung bereitgestellt wird, läuft die Anwendung in der Regel in der Cloud. Sie kann im Rechenzentrum von EES-Clemessy oder beim Kunden vor Ort gehostet werden. Als Schnittstelle mit den Prozessen dienen klassische SPS-, IdD- und Datenerfassungs-Frontends.

Die Originalität der Lösung besteht darin, dass die Dewesoft-Datenerfassungssysteme nicht nur für die Datenerfassung, sondern auch als „Drittanbieter“-EtherCAT-Slaves oder per OPC UA genutzt werden.

Einfacher Fall – Energie-Fernüberwachung per OPC UA

Die Möglichkeiten, die OPC UA bietet, lassen sich anhand eines einfachen Anwendungsfalls veranschaulichen. Das Dewesoft-Büro in Paris stattet seinen Stromnetzanschluss mit einem Krypton-Datenerfassungssystem aus, während Clemessy in Mulhouse einen Webserver einrichtet, und schon ist alles bereit für die Energie-Fernüberwachung per OPC UA mit Syclone Web.

Auf einem Büro-Laptop sind zum Umschalten von Microsoft 365 auf den mit Dewesoft in Paris verbundenen Syclone-Webserver zum Zugriff auf die Energieverbrauchsdaten – Spannung, Strom und Leistung, aber auch Beschleunigung oder Temperatur – des Dewesoft-Büros nur wenige Klicks nötig. Auch eine auf dem Stromvertrag basierende Grundkostenberechnung kann hinzugefügt werden. 

Der Zugriff auf Sensoren und Aktuatoren kann einfach über Syclone in einem Webbrowser erfolgen.

In einem kleinen,  vom F&E-Team von Clemessy sehr geschätzten Anwendungsfall ging es darum, Daten von Sensoren und Antriebsaktoren in einer aus Lego® gebauten Mikrofabrik zu zu erfassen. Dazu wurden:

1. eine aus Lego® gebaute Mikrofabrik mit Sensoren ausgestattet,

2. die Ein- und Ausgänge über Dewesoft-Hardware verbunden und

3. der Prozess über eine Web-Schnittstelle gesteuert und überwacht.

Es sind Daten von allen Sensoren und Aktoren verfügbar. Die Webseite kann auf einem Tablet angezeigt werden, während die Steuerungsfunktionen im Webserver ausgeführt werden.

Großprojekt – Automobilfabrik

Solche Fälle im kleinen Maßstab veranschaulichen gut, wie einfach es ist, einen Prozess zu koppeln, die Daten zu erfassen und auf die Energieüberwachung zu reagieren; das System ist aber auch hochgradig skalierbar.
Ein bedeutendes Projekt wurde in der Automobilindustrie realisiert, wo die Energieüberwachung und -steuerung, die Steuerung von Infrastrukturen und die Reduzierung des CO2-Ausstoßes in großem Maßstab bei einem der zehn weltweit größten Hersteller zur Anwendung gebracht wurden.

Das Projekt umfasst mehr als 20 Standorte weltweit. Im Hauptwerk müssen dabei mehr als 30 Gebäude mit insgesamt über 10 000 verknüpften Ein-/Ausgängen überwacht und gesteuert werden.

Die SCADA-Grundfunktionen sind implementiert. Das SCADA-System erfordert keine spezifische Hardware- oder Softwarekonfiguration. Schlüsselelement – neben der voll internetfähigen Software – ist die Implementierung des Energieverbrauchsmoduls.

Das Dashboard umfasst

• eine Übersicht für die Ansicht und Bearbeitung;

• einen Konfigurator zum Hinzufügen neuer Punkte;

• einen Sequenz-Editor, der es erlaubt, bei Überschreitung programmierter Parameter automatische Maßnahmen auszulösen;

• Kurvendiagramme, die sehr nützlich für die Erstellung von Energieberichten sind.

Das typische Kurvendiagramm, das für das Energiemonitoring in Syclone benötigt wird, zeigt die Informationen für das Vertragsmanagement gemäß den Bedingungen des Anbieters an:

• Die grüne Kurve repräsentiert die maximal zulässige Leistungsaufnahme,

• die rote das Modell für den erwarteten Stromverbrauch im Laufe des Tages,

• Strafzahlungen wegen Überschreitung der vertraglich vereinbarten maximalen Leistungsaufnahme können mithilfe von Regeln (wie dem Vermeiden des Anfahrens weniger effizienter Anlagen) vermieden werden.

Fazit

Was ist der Gewinn für den Endkunden? Wie viel Energie kann eingespart und um wie viel können die Kohlendioxid-Emissionen gesenkt werden? Es gibt noch kein offizielles Feedback zu den langfristigen Effekten der installierten Systeme, aber eines steht wohl fest: Wenn man beginnt, ein physikalisches Phänomen zu messen, bekommt man damit immer die Möglichkeit, es zu überwachen und zu steuern.

Mit Syclone x Low Carbon können diverse Funktionen zentralisiert werden. Dadurch erhält man einen besseren Überblick und schafft eine Grundlage für die Steuerung und Optimierung, die es ermöglichen, die Energienutzung effizienter zu gestalten und die CO2-Bilanz von Industriestandorten zu verbessern.