OPC UA實現樓宇和移動應用之間的靈活通訊

瑞士聯邦材料研究中心（EMPA）積極利用校園內的生活和工作環境進行樓宇和移動領域的跨學科能源研究。EMPA 依靠 OPC UA 通訊標準實現其研究基礎設施，三個名為 「NEST」、「ehub」和「move」的大型專案，以及涉及到生產、儲存、運輸和轉換能源的所有元件之間的互聯互通。配有 TwinCAT 3 OPC UA 軟體的 CX5140 嵌入式電腦負責處理從設備間的控制流量到雲端的數據分析。

EMPA 是從事材料科學和技術的跨學科研究機構，也是ETH Domain的成員之一，他們正致力於縮小研究實驗室與現實世界應用之間的差距。最近正推行一個名為Demonstrators 的重點專案，基於研究和技術轉換平台研發能源和永續的建築技術。專案包括可持續建築技術的未來進化（NEST）、能源中心（ehub）和未來移動示範裝置（move）。藉由和合作夥伴及產業專家的密切合作，EMPA 利用大型建築、移動和能源專案，在這些領域提供符合市場的解決方案。

透過PC-based控制技術和 OPC UA 提供明確定義的開放式介面

由於 EMPA 的Demonstrators可供廣泛的用戶使用，因此需要建立一個獨立於製造商並具有明確定義介面的開放式平台，EMPA 的 ehub組負責人 Philipp Heer 說：「這些裝置只有一個至 NEST 骨幹的物理連結，將它們與熱電聯供系統連接起來。每個裝置都獨立運行，並整合自身的自動化解決方案，透過乙太網進行通訊。挑戰在於如何以最少的限制將新的裝置整合到Demonstrators的基礎設施中，以便技術人員能夠對系統進行維護，並確保使用的安全性，同時充分發揮研究潛力。從整合的角度來看，靈活性非常重要，因為當我們增加一個新的裝置時，系統邊界就會發生變化。」

如何靈活地在 EMPA 校園外進行訪問是另一個難題。為了實現這個目標，程序控制級別被設置在雲端，而不是內部伺服器。這需要一個專用的控制系統軟體架構，以確保系統的資料安全運行，並且能夠在必要時實現執行指令。Philipp Heer 認為OPC UA是滿足系統高複雜性和靈活性要求的理想通訊技術，他說「我們全面使用 OPC UA，從控制層面的設備對設備通訊，直到雲端的數據分析和研究整合。我們專門為此開發OPC UA 資訊模型，有了這個模型，我們就可以根據標準規範整合新的裝置和元件。為了盡可能確保一致性，以便減少集成工作量，我們將軟體架構的一部分整合入 OPC UA 資訊模型本身。這種方法也讓我們能夠實施新的物聯網（IoT）軟體和服務，而無需調整系統。」

配有 TwinCAT OPC UA 的嵌入式電腦實現數據通訊

10 台安裝有 TwinCAT OPC UA 軟體（TF6100）的 CX5140 嵌入式電腦負責控制 EMPA 的三個Demonstrators之間的通訊。Philipp Heer 解釋「其中七台 CX5140 用作 TwinCAT OPC UA 伺服器和用戶端運行在 NEST 支柱上，我們使用它們來連接暖氣、通風和房間自動化系統。另外三台CX5140作為 NEST 的中央管理系統，負責連接微電網並整合各個裝置。整個系統監控約 60,000 個 OPC UA 物件，包括樓宇自動化所需的大量數據或為研究人員提供寫入指令。來自這些物件的約 6,000 個相關的感測器信號被直接存儲到一個資料庫中。儘管系統的規模與範圍都很大，但到目前為止，並未出現過性能問題。TwinCAT OPC UA Gateway 在這裡具有明顯優勢，它提供一個可以訪問整個資訊模型的中心點，每個感測器都被映射到一個相應的結構。透過這種設置，我們可以藉由同一個介面輕鬆訪問資料庫中包含的所有資訊，以及來自 LabVIEW™ 等整合式系統的資訊。」

Philipp Heer 認為，另一個有價值的功能是，可以直接透過OPC UA 操作使用 TwinCAT Building Automation 功能庫實現的傳統樓宇自動化系統。Philipp Heer說：「我們可以為了滿足特定研究專案的需求，訪問到任意單一的現場執行器。TwinCAT OPC UA 讓我們能夠在資訊模型中輕鬆創建通訊點。研發人員只需要關注他們所創建的資訊模型中的通訊資料，而樓宇自動化也只需要按照其內部的程式關係去執行即可。我們可以透過在倍福控制系統中實施的選擇器，來選擇和應用必要的權限。這樣既靈活又快速，是一個巨大的優勢。」

靈活性 — PC-based控制技術的核心優勢

EMPA 自 2013 年開始使用倍福的PC-based控制技術，一開始是為了將配有大量不同介面的研究大樓自動化。Philipp Heer 說：「除了緊湊的設計之外，一個重要因素是介面的多樣化，這遠遠超出了如 DALI、KNX 或 M-Bus 等常用的建築技術標準。建築需要使用額外的工業通訊協議，我們也必須配合這些協議。專案需要混合使用總線端子模組和 EtherCAT 端子模組，而這對倍福技術來說完全不是問題。EtherCAT 出色的通訊性能是我們的另一大優勢，特別是在需要非常精確的測量情況下。」

PC-based控制技術的另一個優點是，它能夠無縫整合能源測量技術。例如，EMPA 使用約 25 個 EL3403 和 EL3443 EtherCAT 三相電力測量端子模組來記錄和分析其供電網路中的關鍵電氣數據。TwinCAT Scope 還能夠簡化工作，Philipp Heer 解釋「TwinCAT Scope 易於使用，並具有強大的分析能力，讓我們可以使用高解析度資料測試控制器，並能夠評估干擾輸入，效果特別好。」

At a glance

樓宇自動化解決方案

• OPC UA 協助Demonstrators實現建築、移動和能源的互聯互通

為客戶帶來的好處

• 新技術研究和實際應用中的模擬結果
• 針對研究和正常運行實施不同的操作模式

PC 控制結構裝有

• TwinCAT OPC UA 的 CX5140：適用於實施靈活的 OPC UA
• TwinCAT OPC UA Gateway：訪問所有存儲在雲端的 OPC UA 伺服器資料的中心點
• TwinCAT Scope：高解析度資料説明簡化測試和分析過程