AutomationX5 in combinatie met Beckhoff

(1)

Afstudeerverslag

AutomationX5 in combinatie met Beckhoff

Afstudeerbedrijf: Reditech Engineering B.V. Bedrijfsbegeleider: Dhr. J. Mols

Afstudeerbegeleider: Dhr. P. van den Berg

Studenten: Harm Bastiaansen

2020085

Bram Senders

2017223

Academie voor Industrie & Informatica

(2)

Voorwoord

Dit document dient als afstudeerverslag dat hoort bij het afstudeerproject van Harm Bastiaansen en Bram Senders, twee studenten Industriële Automatisering aan de Avans Hogeschool te

‘s-Hertogenbosch. Het afstudeerproject heeft plaatsgevonden bij Reditech Engineering te Breda. Het afstudeerproject bestaat uit het een onderzoek naar de mogelijkheden van het soft-DCS systeem van AutomationX, genaamd AutomationX5. Dit systeem zal in het onderzoek gekoppeld worden aan hardware van Beckhoff.

Graag willen wij van de gelegenheid gebruik maken om Reditech Engineering B.V. als bedrijf te bedanken voor de mogelijkheid die ze ons hebben geboden om bij hen een interessante afstudeerstage te doorlopen.

Daarnaast willen wij onze afstudeerbegeleider Dhr. P. van den Berg bedanken voor zijn geboden begeleiding gedurende de gehele afstudeerperiode.

Verder willen we onze bedrijfsbegeleider Dhr. J. Mols in het bijzonder bedanken. Dankzij de feedback van Dhr. J. Mols zijn we tot dit resultaat gekomen en hebben we ons kunnen ontwikkelen naar een hoger niveau.

Tot slot willen wij alle medewerkers van Reditech Breda en Reditech Temse bedanken voor de geboden ondersteuning en de prettige samenwerking.

(3)

Samenvatting

In deze scriptie zijn de resultaten van onze afstudeeropdracht terug te vinden. De afstudeeropdracht is gericht op AX5, het nieuwste softwarepakket van AutomationX. AX5 wordt op meerdere vlakken onderzocht. Ten eerste wordt onderzocht wat de softwarematige mogelijkheden zijn van het nieuwe pakket en dan voornamelijk op het gebied van gebouwautomatisering. Vervolgens wordt een AX5 applicatie en een miniatuurmodel van het Reditech kantoor gerealiseerd om deze mogelijkheden te testen. Verder wordt onderzocht met welke hardware AX5 compatible is. Dit deel van het onderzoek zal zich voornamelijk richten op hardware van Beckhoff. Tot slot wordt bepaald welke

hardwareconfiguratie het meest geschikt is voor de automatisering van een middelgroot kantoorgebouw.

De functionaliteiten van AX5 worden getest aan de hand van een AX5 applicatie in combinatie met een miniatuurmodel van het Reditech kantoor. Voor inzet in de gebouwautomatisering lijkt AX5 wel geschikt. Vanwege het object georiënteerd programmeren kan er vlot een applicatie opgezet worden, zeker als er eenmaal een bibliotheek is gecreëerd van diverse objecten. Verder is de functie om rapporten te genereren handig om bijvoorbeeld maandelijks een energierapport van het gebouw te genereren.

Het 3D visualiseren geldt als een van de eyecatchers van AX5, maar werkt in onze beleving nog niet naar behoren. Het is niet eenvoudig om een 3D object te creëren in de geïntegreerde tekenomgeving, omdat deze momenteel nog te beperkt is qua functionaliteit. Daardoor duurt het erg lang om een 3D visualisatie te realiseren.

Een sterk punt van AX5 is dat het compatible is met hardware van andere leveranciers. Uit het onderzoek blijkt dat AX5 compatible is met hardware die gebruik maakt van de PLCopen standaard. AutomationX dient echter wel een class te creëren voor de specifieke hardware, voordat deze geïmplementeerd kan worden in een project. Deze kan bij AutomationX aangevraagd worden. Het onderzoek richt zich op hardware van Beckhoff, die ook gebruik maakt van deze standaard. Voor de hardware die benodigd is in ons onderzoek heeft AutomationX de classes vrijgegeven. Na

configuratie in AX5 is de hardware volledig operationeel.

De meest geschikte hardwareconfiguratie voor een middelgroot kantoorgebouw bestaat uit een server en een centrale controller in combinatie met per kantoor één buseiland. Het netwerkprotocol dat gebruikt wordt is EtherCAT. Het netwerk is redundant uitgevoerd. Dit is kostentechnisch een gunstige configuratie, waarbij toch de betrouwbaarheid gegarandeerd blijft.

(4)

Inhoudsopgave

Voorwoord...1 Samenvatting...3 1. Afkortingentabel...7 2. Inleiding...8 3. Beckhoff...9 3.1. Embedded PC...9 3.2. Bus Coupler...10

3.3. Beckhoff Building Automation Terminals...10

3.4. EtherCAT...11 4. AutomationX5...12 4.1. Klassendocument...12 4.2. PLC...13 4.2.1. PLC-code...13 4.2.2. Image generator...13 4.2.3. Soft-PLC...13 4.2.4. Hardware-PLC...14 4.3. Overview screen...15 4.4. 3D-visualisatie...16 4.5. Verlichting...16 4.6. Brandmelding...18 4.6.1. Handmelder...18 4.6.2. Slow-whoop sirene...18 4.6.3. Alarm configuratie...18 4.7. Vermogensmeting...19 4.8. Camera...20 4.9. System...21

4.10. Weer & Verkeer...22

5. PLCopen...23

5.1. Motion Control...23

5.2. IEC-61131-3...23

5.3. XML...23

6. PLC configuraties...25

(5)

6.1. Case...25 6.2. Beckhoff EK1100...26 6.3. Siemens ET200...28 6.4. Topologie...30 6.4.1. EtherCAT...30 6.4.2. Profibus...31 6.5. Soft-PLC...32 6.6. aXcontroller...32 6.7. Beckhoff EK1100...33 6.8. Siemens ET200...34 6.9. Gekozen configuraties...35 7. Conclusies...37 7.1. AutomationX5...37 7.2. Hardware configuratie...38 Bijlagen...40 Bronnen...53

(6)

Bijlagen

1. Beckhoff hardware...40

1.1. Industrial PC...40

1.1.1. Control Cabinet Industrial PC...40

1.1.2. Control Panel...41 1.1.3. Panel PC...42 1.1.4. Bus coupler...43 2. TwinCAT...44 2.1. TwinCAT I/O...45 2.2. TwinCAT PLC...45 2.3. TwinCAT ADS...45 3. EtherCAT...46 3.1. Werking...46 3.2. Hardware...47 3.3. Configuratie...47 4. Object oriëntatie...48 4.1. Encapsulatie...48 4.2. Aggregatie...49 4.3. Overerving...49

5. Building Management System...50

5.1. Algemeen...50

5.2. Veldbussen...51

5.3. Interfaces...51

5.3.1. I/O communicatie...51

5.3.2. Veldbus communicatie...52

5.3.3. Veldbus gateway communicatie...52

(7)

1. Afkortingentabel

Afkortin

g Betekenis Omschrijving

AX5 AutomationX5 Naam van het nieuwe softwarepakket van

AutomationX.

BMS Building Management System Systeem dat mechanische en elektrische apparatuur binnen een gebouw bewaakt, bestuurd en

controleert.

DLL Dynamically Linked Library Bibliotheek met functies die door meerdere applicaties gebruikt kan worden.

HMI Human Machine Interface Interface tussen mens en machine, meestal in de vorm van een touchpanel. Maakt interactie tussen mens en machine mogelijk.

HTML HyperText Markup Language Opmaaktaal voor documenten, vooral gebruikt voor webpagina’s.

HVAC Heating Ventilation Airconditioning

Term voor de drie deelgebieden van huiscomfort; verwarming, koeling en airconditioning, ventilatie.

I/O Input/Output Inputs en Outputs, benodigd voor de PLC voor het

verzamelen van gegevens en het aansturen van installaties.

IDE Integrated Development

Environment

Engineeromgeving van het softwarepakket AX5.

PLC Programmable Logic Controller Programmeerbare logische eenheid, een

elektronisch apparaat met een microprocessor dat op basis van de informatie op zijn diverse ingangen, zijn uitgangen aanstuurt op basis van ontwikkelde software.

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

Het verzamelen, doorsturen, verwerken en visualiseren van meet- en regelsignalen van verschillende machines in grote industriële systemen

SQL Structured Query Language Taal om data op te vragen uit een database. Is een universele standaard en niet merk gebonden.

XML Extensible Markup Language Standaard van het World Wide Web Consortium voor de syntaxis van formele opmaaktalen waarmee men gestructureerde gegevens kan weergeven in de vorm van platte tekst.

(8)

2. Inleiding

Het bedrijf dat het afstudeerproject aanbiedt is Reditech Engineering B.V. Reditech Engineering is een bedrijf dat gespecialiseerd is in Industriële Automatisering en haar wortels in België heeft liggen. Naast een vestiging in België heeft Reditech Engineering zich gevestigd in Nederland, Singapore en Engeland. Het bedrijf is opgericht in 1995 en telt in totaal ongeveer 40 werknemers, welke verdeeld zijn over verschillende locaties.

Het afstudeerproject gaat voornamelijk over het nieuwe softwarepakket van AutomationX; AX5. Het hoofdonderzoek van de afstudeeropdracht bestaat uit het onderzoeken of AX5 kan werken op of samenwerken met hardware van Beckhoff.

Reditech heeft interesse om AX5 toe te passen in de gebouwautomatisering, zoals kantoren en appartementen. Het hardware onderzoek dient hierop afgestemd te worden.

De kracht van AX5 is dat het compatible is met hardware van andere merken, dus niet enkel hardware van AutomationX. Het pakket biedt tevens een soft-PLC zodat de logica op een server uitgevoerd kan worden. Hier is echter nog weinig over bekend en zal dus een groot gedeelte van het onderzoek beslaan.

Het is aan ons om de koppeling tussen AX5 en Beckhoff hardware te onderzoeken. Gezien de goede ervaringen met hardware van Beckhoff heeft Reditech de interesse om voornamelijk deze combinatie te onderzoeken.

Het eerste deel van dit verslag heeft betrekking op het onderzoek naar de hardware van Beckhoff. Vervolgens worden de functionaliteiten van AX5 onderzocht aan de hand van een BMS-applicatie. Tot slot worden er verschillende configuraties onderzocht, om te concluderen welke configuratie het meest geschikt is voor de opgestelde case.

Uit de onderzoeksresultaten kunnen we concluderen of AX5 compatible is met Beckhoff hardware en welke hardware daarvoor benodigd is. Er worden verschillende hardware configuraties onderzocht. Na vergelijking van deze configuraties wordt bepaald welke configuratie het meest geschikt is voor de gebouwautomatisering. Daarnaast wordt de toepassing van AX5 binnen de gebouwautomatisering toegelicht, aan de hand van één case.

Bij het onderzoek naar de toepassing van AX5 binnen de gebouwautomatisering zullen we waar mogelijk concrete voorbeelden geven die slaan op de specifieke onderdelen van het pakket. Het pakket bestaat namelijk uit een PLC, SCADA 2D en SCADA 3D gedeelte. Deze onderdelen zijn

afzonderlijk te gebruiken in het pakket en kunnen elk een andere toepassing krijgen. Zodoende kan er in één omgeving een gehele installatie geprogrammeerd en gevisualiseerd worden.

Deze punten worden getoetst d.m.v. een gebouwautomatiseringssysteem. Dit betreft een miniatuurmodel van een kantoor met als basis het kantoor van Reditech te Breda.

(9)

(10)

3. Beckhoff

Beckhoff is van origine een duits bedrijf dat automatiseringssystemen levert op basis van PC-compatibele besturingstechniek. Het hoofdkantoor van Beckhoff zit gevestigd in Verl te Duitsland. Naast het hoofdkantoor in Verl zit Beckhoff in 60 andere landen gevestigd en telt ongeveer 2000 werknemers. Het assortiment van Beckhoff bevat veldbuscomponenten, industriële PC’s, TwinCAT soft-PLC, aandrijftechniek en besturingssoftware.[ CITATION Bec12 \l 1033 ]1

In dit onderzoek wordt AX5 software gekoppeld met hardware van Beckhoff. De keuze voor hardware van Beckhoff is allereerst vanwege het feit dat AutomationX5 compatible is met verschillende

hardware componenten van Beckhoff. Dit wordt gegarandeerd door AutomationX[ CITATION Aut122 \l 1033 ]2 en Beckhoff. Daarnaast is Beckhoff zijn markt sterk uit aan het breiden in de richting van gebouwautomatisering. Dat wil zeggen dat Beckhoff actief is in het ontwikkelen van hardware welke in de gebouwautomatisering toegepast kan worden. Bijvoorbeeld terminals die stroomverbruik kunnen meten en interface terminals zoals M-bus en DALI lichtsystemen. Aangezien een onderdeel van dit onderzoek het creëren van een Building Management System is, is ook dit een sterk argument om voor Beckhoff te kiezen. Tot slot is de prijs van Beckhoff componenten relatief laag in vergelijking met andere merken zoals Siemens en Rockwell.

In dit hoofdstuk zullen de verschillende hardware componenten van Beckhoff die voor ons project interessant zijn toegelicht worden. Tevens wordt er aandacht besteed aan EtherCAT, de

veldbusstandaard welke Beckhoff oorspronkelijk ontwikkeld heeft. Overige informatie die betrekking heeft op Beckhoff kan terug gevonden worden in bijlage 1 Beckhoff hardware

3.1. Embedded PC

Beckhoff is een ontwikkelaar van embedded PC’s, een embedded PC is een robuuste mini PC die gemonteerd kan worden op een standaard DIN-rail.[ CITATION Bec121 \l 1033 ]3

De kracht van de embedded PC is dat de PC wereld met de PLC wereld gecombineerd wordt. Op een embedded PC kunnen namelijk input en output kaarten worden aangesloten. Daarnaast biedt de CPU afhankelijk van het type ook verschillende standaard interfaces zoals USB, serieel en DVI voor een monitor.

De Beckhoff embedded PC’s werken met Windows Embedded of Windows CE als besturings systeem. In tegenstelling tot de volledige Windows versie, zijn deze versies in staat om taken real-time uit te voeren. Dankzij deze functie is het mogelijk om PLC taken uit te voeren met een embedded PC. Dit gebeurd via het TwinCAT platform, zie bijlage 2 TwinCAT.

Bij enkele configuraties in ons onderzoek wordt ook gebruik gemaakt van een Embedded PC. De Embedded PC in onze configuraties is de CX1020. De keuze is gevallen op dit type, omdat deze ondersteund wordt door AutomationX5.[ CITATION Aut123 \l 1033 ]4 Meer informatie over Embedded PC en de verschillende beschikbare types is terug te vinden in bijlage 1.1 Industrial PC.

Harm Bastiaansen 10 Reditech Engineering

(11)

3.2. Bus Coupler

Een Bus Coupler zorgt ervoor dat de veldbus verbonden wordt met een terminal system van Beckhoff. [ CITATION Bec122 \l 1033 ]5 Een terminal system is een voorbeeld van decentrale I/O, ook wel bekend onder de naam ‘buseiland’ of ‘I/O-eiland’.

Beckhoff ontwikkelt Bus Couplers die met specifieke veldbussen kunnen communiceren.[ CITATION Bec123 \l 1033 ]6 Meer informatie over de beschikbare Bus Couplers is terug te vinden in bijlage

1.1.4 Bus coupler. De meest gebruikte Bus Coupler is de Beckhoff EK1100. De EK1100 maakt zowel aan de veldbuszijde als aan de terminalzijde gebruik van het EtherCAT protocol.[ CITATION Bec124 \l 1033 ]7 Aan de

terminalzijde blijft de datastructuur van het EtherCAT protocol intact, enkel het transportmedium verandert. Het EtherCAT protocol dat op het terminal system ontstaat, luistert naar de term E-bus. In dit onderzoek worden verschillende configuraties onderzocht, waarin een Bus Coupler terugkomt. Ook in dit onderzoek wordt gebruik gemaakt van de EK1100, omdat deze ondersteund wordt door AutomationX5. Verder zijn er voor de EK1100 diverse terminals beschikbaar die direct toe te passen zijn in de gebouwautomatisering. Denk hierbij aan terminals voor stroommeting, dimmers en het aansturen van rolluiken.

3.3. Beckhoff Building Automation Terminals

Om in te spelen op de vraag naar building automation componenten, ontwikkelt Beckhoff hiervoor speciale terminals.[ CITATION Bec125 \l 1033 ]8 Deze terminals kunnen gekoppeld worden aan een Bus Coupler of een embedded PC. Een beknopt overzicht met korte beschrijving van deze terminals is hieronder terug te vinden. Verder heeft Beckhoff standaard terminals zoals digital in- en outputs, analoge in- en outputs en 230VAC in- en outputs.

Type Functie Omschrijving

EL3403 Power-measurement Voor het meten van gegevens als; stroomverbruik, voltage, vermogen, arbeidsfactor en frequentie.

KL2751 Dimmer-terminal Voor het rechtstreeks dimmen van lichtgroepen.

KL2722 Rolluik-terminal Voor het rechtstreeks schakelen van rolluiken in 2 richtingen.

KL1362 Break-in terminal Voor communicatie met break-in sensors, ook wel bekent als ‘glass-breaking sensor’.

KL6771 MP-Bus master terminal

Voor het aansturen van 16 MP-bus devices. Dit zijn kleppen, gaskleppen, ventielen en brandkleppen voor ventilatiesystemen.

EL3681 Multimeter-terminal Voor het meten van voltage en stroomsterkte.

KL6811 DALI/DSI master terminal

Voor aansturing van 64 DALI (Digital Addressable Lighting Interface) devices.

KL6301 EIB/KNX-terminal Voor communicatie met een EIB/KNX netwerk. EIB/KNX is een communicatieprotocol wat toegepast wordt in de

gebouwautomatisering en domotica.

(12)

3.4. EtherCAT

Voor de communicatie tussen AX5 en de EK1100 is gekozen voor EtherCAT. Dit is een veldbus die gebaseerd is op ethernet.

Het is een real-time veldbus die ondersteuning biedt tot 65.535 terminals. Elke terminal in het veld is een slave. Een I/O eiland met vijf terminals bestaat dus uit zes slaves in het EtherCAT netwerk. De maximale kabellengte tussen twee slaves is

100 meter. Een uitgebreidere beschrijving over EtherCAT is te vinden in bijlage 3 EtherCAT.

(13)

4. AutomationX5

AX5 is een breed pakket, waarin aspecten als engineering, controle en visualisatie in één omgeving bij elkaar komen. Om de functionaliteiten van AX5 te toetsen is een BMS-applicatie met behulp van AX5 gerealiseerd.

4.1. Klassendocument

AX5 werkt volgens het object georiënteerde model. Dit betekend dat er algemene kennis over object oriëntatie aanwezig moet zijn. De algemene theorie over object

oriëntatie staat beschreven in bijlage 4 Object oriëntatie. Elk element in AX5 bestaat uit een class, ook wel een

klassendocument genoemd, voorbeelden hiervan zijn een motor, klep, silo, stoplicht maar ook scherm elementen zoals een navigatiebalk en rapporten.

Een klassendocument kan de volgende aspecten bevatten:  Visualisatie  PLC logica  Alarmen  Simulatie logica  Rapportages  Documentatie  Trends  Data collectie

Een klassendocument kan meerdere elementen van hetzelfde type

bevatten. Zo is het mogelijk om een class meerdere visualisaties te geven, bijvoorbeeld een aparte 2D en 3D weergave.

Daarnaast kan een class opgebouwd zijn uit andere classes. Als voorbeeld nemen we de opbouw van het scherm. De navigatiebalk behoort in elk scherm hetzelfde te zijn. Het steeds opnieuw opbouwen van de navigatiebalk per scherm is niet wenselijk. Om dit op te lossen wordt de navigatiebalk in een aparte class gestopt en deze class wordt op elk scherm aangeroepen.

De code van de navigatiebalk staat nu op een centrale plaats en kan overal aangeroepen worden. Mocht de navigatiebalk veranderd moeten worden, dan

hoeft enkel de class veranderd te worden. Na compileren zal ieder object wat uit deze class voortkomt geüpdatet worden.

Een ander voorbeeld is de pagina header, deze wordt op elke pagina weergegeven maar moet wel bij elke pagina andere waarden bevatten zoals de titel en subtitel. Dit

kan bereikt worden door aan een class variabelen toe te voegen en deze publiekelijk te maken.

Afb. 4 - Klasseoverzicht

(14)

Variabelen kunnen publiekelijk of privé zijn, wanneer een variabele als privé gemarkeerd is dan is deze variabele niet beschikbaar buiten de class, het is met andere woorden een interne variabele. De publieke variabelen zijn wel van buiten de class bereikbaar, deze variabelen kunnen nu per instantie van de class aangepast worden.

4.2. PLC

Binnen AX5 is het mogelijk om op twee manieren een PLC aan te sturen. Dit kan door middel van een soft-PLC of een hardware-PLC. Beide manieren werken volgens hetzelfde principe, de PLC code zal gegenereerd worden door een image generator en zal vervolgens gedeployed worden naar de PLC. Deployen wil zeggen dat de PLC-code vanuit de ontwikkelomgeving naar de PLC gedownload wordt, zodoende wordt de PLC met de ontwikkelomgeving gesynchroniseerd.

4.2.1. PLC-code

De PLC-code in AX5 zal altijd in een class geschreven worden. Er zijn twee programmeertalen

beschikbaar; functieblokken en Visual Basic .NET. De PLC-code is dus net als de visualisatie, onderdeel van een object. AX5 bevat verschillende standaard programmeerfuncties, zoals counters, timers, flipflops en comperators. Verder wordt er gebruik gemaakt van de algemeen bekende datatypen, zoals booleans, strings, integers en reals. [ CITATION Aut12 \l 1033 ]9

Afb. 6 - AX5 PLC code

4.2.2. Image generator

De image generator zorgt ervoor dat de AX5 code omgezet wordt naar uitvoerbare code voor de desbetreffende PLC. Deze draait normaal gesproken op de AX5 server, maar kan ook op een afzonderlijke server draaien.

Het image bestand dat gegenereerd wordt is gebaseerd op de PLCopen standaard, zie hoofdstuk 5 PLCopen, deze standaard beschrijft de opzet van een logisch PLC programma. Hierdoor kan elke PLC die deze

standaard ondersteund aangesproken worden. Het PLC bestand is opgebouwd via XML, dit is een platform onafhankelijk formaat.

4.2.3. Soft-PLC

De soft-PLC is een software onderdeel van AX5 wat een PLC nabootst. Deze module kan op de AX5 server draaien, maar ook op een aparte server die enkel de soft-PLC taak uitvoert.

Het is ook mogelijk om de soft-PLC redundant uit te voeren door twee servers de soft-PLC taak te laten draaien en deze als cluster te configureren

Afb. 7 - Image generator

(15)

binnen AX5. Een cluster is een verzameling van PLC’s die dezelfde taak uitvoeren. De tweede PLC zal nu stand-by staan totdat de eerste PLC wegvalt. Deze methode wordt veel toegepast om het PC platform betrouwbaarder te maken en om Windows systeemupdates eenvoudig uit te voeren zonder dat het PLC systeem gestopt hoeft te worden.

4.2.4. Hardware-PLC

De hardware PLC is een losse controller die gekoppeld is aan de AX5 server. Er worden controllers van verschillende merken ondersteund door AX5:

 Beckhoff  Wago  Kontron  Advantech

 aXController (van AutomationX zelf)

Op controllers van andere merken moet een AutomationX runtime

geïnstalleerd worden die de koppeling legt tussen de AX5 server en de lokale PLC. Deze zal het originele besturingssysteem in zijn geheel vervangen. Het nieuwe besturingssysteem is gebaseerd op Linux. Deze PLC controllers zijn dan vaak ook embedded PC’s.

In dit onderzoek wordt gebruik gemaakt van een Beckhoff controller. Bij normaal gebruik wordt gebruikt gemaakt van TwinCAT software, zie bijlage 2 TwinCAT. Hier zijn echter ook licenties voor benodigd. Bij het gebruik van AX5 zijn geen Beckhoff licenties benodigd, omdat het gehele besturingssysteem vervangen wordt door een image van AutomationX. Zodoende wordt dus bespaard op de licentiekosten.

Afb. 9 - Beckhoff CX1020 i.c.m. AX server

(16)

4.3. Overview screen

Om een beeld te geven van wat er nu allemaal terug te vinden is op een scherm, wordt het 2D overview screen uitgelicht, zie afbeelding 10.

De menubalk is rood omkaderd in afbeelding 10. Deze is op ieder scherm te zien en is gecreëerd uit één class. Met behulp van de menubalk kan naar de andere schermen worden genavigeerd.

Wanneer het 2D overview scherm geselecteerd wordt zal er een sub menu verschijnen. Het sub menu is te zien in afbeelding 11. In dit sub menu kan

gekozen worden om naar het 2D overview scherm te

navigeren of om regelrecht naar een onderliggend scherm te navigeren. Indien er gekozen wordt voor het ‘Building overview’ scherm dan zal het scherm wat te zien is op afbeelding 10 geopend worden en kan via dit scherm alsnog naar onderliggende schermen genavigeerd worden, door op de bijbehorende ruimte te klikken.

In de ruimtes zijn de objecten zoals brandmelding en verlichting zichtbaar. Door het gebruik van layers is het mogelijk om enkel de gewenste objecten weer te geven. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om brandmeld of verlichting objecten onzichtbaar te maken. Het is ook mogelijk om de meubels

onzichtbaar te maken.

Rechtsboven is de inlog functie terug te

vinden. Deze maakt ook onderdeel uit van de menubalk en is dus in ieder scherm terug te vinden. Elke gebruiker is gekoppeld aan een bepaald gebruikersniveau. Hierdoor heeft niet iedere gebruiker dezelfde mogelijkheden.

Afb. 10 - Overview screen

Afb. 11 - Submenu

Afb. 12 - Layer control

(17)

4.4. 3D-visualisatie

In afbeelding 16 zijn 2D visualisaties van objecten te zien. Veel objecten bevatten echter ook een 3D visualisatie. Via deze 3D visualisatie kan het panel dat bij het object hoort geopend worden. Dit is hetzelfde panel als geopend wordt via de 2D visualisatie. De visualisatie van dient dus als soort van verwijzing naar hetzelfde panel, zie afbeelding 14 ter verduidelijking.

In afbeelding 15 is een 3D overzicht van een kantoor te zien, hierin zijn enkele 3D visualiseringen van brandmelders en verlichting terug te zien. Het creëren van een 3D object is echter nog erg lastig. De tekenomgeving

in AX5 werkt nog niet naar behoren en er zijn weinig standaard vormen beschikbaarvoor BMS applicaties. Het is te hopen dat AutomationX updates uitbrengt waarmee dit verbeterd wordt. Indien AutomationX de mogelijkheid van importeren vanuit andere 3D

tekenprogramma’s zou implementeren in AX5, zou dit een sterke aanvulling zijn. Nu is dat nog niet mogelijk, omdat de 3D visualisaties die geïmporteerd zouden worden te zwaar zijn waardoor AX5 instabiel wordt.

4.5. Verlichting

Binnen het gebouw zijn een aantal verlichtingsgroepen te vinden. Omdat deze groepen met één schakelaar bediend worden is er voor gekozen om deze als één object te zien.

Binnen de visualisatie worden wel alle lichtpunten afzonderlijk weergegeven, echter verwijzen verschillende lichtpunten naar hetzelfde object. Alle vier de lichtpunten in afbeelding 16 verwijzen naar hetzelfde lamp object, wat m.b.v. blauwe pijlen aangewezen worden.

Binnen het gebouw komt het ook voor dat één knop meerdere lichtgroepen schakelt. Daarom is er een aparte knop ontwikkeld die gekoppeld kan worden aan onder andere verschillende lampen. Zie afbeelding 17 voor een voorbeeld van een meervoudige lichtschakeling.

Afb. 14 - Panel verwijzing

Afb. 15 - 3D visualisatie

(18)

Afb. 17 - Verlichtingsgroepen

Dit type knop wordt ook gebruikt om alle verlichting uit te schakelen d.m.v. een schakelaar bij de voordeur.

Van elk lamp object wordt de brandduur bijgehouden in een SQL database, zie afbeelding 18. Wanneer de lamp uitschakelt wordt de brandduur in de SQL database gelogd. Hierdoor staat de brandduur logging los van de AX5 applicatie en de PLC en kan daarom ook buiten de applicatie opgevraagd worden. Bijvoorbeeld een web-applicatie.

Afb. 18 - Koppeling SQL database

(19)

4.6. Brandmelding

Een brandmeldsysteem is opgebouwd uit meerdere componenten. Zo is er een handmelder, om het brandalarm te activeren en een slow-whoop sirene om het brandalarmgeluid te produceren. In AX5 is dit eveneens het geval. Er zijn afzonderlijke classes voor de handmelder en de slow-whoop sirene. Ook is er een class voor de configuratie van het brandmeldsysteem om de handmelders aan de slow-whoops te koppelen.

4.6.1. Handmelder

In afbeelding 19 zijn drie handmelders te zien. Het geopende panel, in afbeelding 19 rood omkaderd, hoort bij de

handmelder met de blauwe pijl en het blauwe kader

eromheen. De drie handmelders in afbeelding 19 zijn dus drie verschillende objecten, welke door dezelfde class gevormd zijn. De handmelder is te activeren via het panel, maar tevens via de hardwarematige melder die zich in het pand bevindt. Wanneer de handmelder geactiveerd wordt zal dit zichtbaar worden in het panel en de statusbalk van de visualisatie zal rood gaan knipperen. Indien er een slow-whoop aan de handmelder gekoppeld is, zal deze afgaan zodra de handmelder geactiveerd wordt.

4.6.2. Slow-whoop sirene

Het slow-whoop object zorgt voor de activering van de slow-whoop sirene. De slow-whoop kan afzonderlijk geactiveerd worden via het panel. Daarnaast wordt er

één maal per maand een melding gegeven dat de slow-whoop getest dient te worden. De slow-whoop kan ook geactiveerd worden door middel van een of meerdere bijbehorende handmelder(s) te activeren. Welke handmelders dit zijn wordt bepaald in de configuratie class van de brandmelding.

4.6.3. Alarm configuratie

De brandalarm configuratie class bestaat enkel uit code. In deze class worden de handmelders aan de bijbehorende slow-whoop sirene(s) gekoppeld. Zo is het mogelijk om afzonderlijke brandmeldnetwerken te configureren. In deze case is dat niet van toepassing, aangezien het brandalarm in het gehele kantoor af moet gaan wanneer er brand gemeld wordt.

Afb. 19 - Handmelder panel

(20)

4.7. Vermogensmeting

Binnen de applicatie worden verschillende vermogensmetingen gedaan. De gemeten waarden komen uit input terminal en worden vervolgens omgezet naar de juiste schaal om daarna gelogd te worden. Na de verwerking zijn de waardes

beschikbaar voor de applicatie. Zie afbeelding 21 voor een schematische weergave van het proces.

Er is gekozen om het signaal direct na het verschalen te loggen zodat deze ook

leesbaar in de database staat en gelijk in grafieken getoond kan worden.

In de visualisatie wordt het actuele stroomverbruik per meting weergegeven. Van elke meting is het voltage, ampère en vermogen te zien.

Afb. 22 - Visualisatie vermogensmeting

Bij iedere meting kunnen alarmniveaus ingesteld worden. Er zijn vier verschillende setpoints; High-High, High, Low en Low-Low. Wanneer het High-High of Low-Low setpoint overschreden wordt, zal een alarm met de hoogste prioriteit optreden. Wanneer enkel het High of Low setpint overschreden wordt zal een alarm met een lagere prioriteit optreden.

Naast de actuele weergave is het ook mogelijk om het amperage

en voltage op te vragen in de vorm van een grafiek. In afbeelding 24 is hiervan een voorbeeld te zien.

Afb. 21 - Vermogensmeting schematisch

(21)

Afb. 24 - Vermogensmeting trending

4.8. Camera

Binnen het BMS systeem wordt er gebruik gemaakt van een Axis IP camera. Aangezien AX5 niet direct ondersteuning biedt tot deze camera is er in Visual Basic .NET een aparte class geschreven waarmee het mogelijk is om de camera aan te sturen vanuit AX5.

In afbeelding 25 is te zien hoe de camerabeelden geintegreerd zijn in AX5. Het voordeel hiervan is dat het gebruikerssysteem van AX5 ook toepasbaar is op de externe class.

Omdat de Visual Basic editor in AX5 tegenvalt qua mogelijkheden en foutmeldingen, is ervoor gekozen om de camera code te plaatsen in een VB.NET DLL en deze vervolgens in te laden in AX5 applicatie waardoor daar enkel simpele functie aanroepen staan.

Naast het opnemen van camera beelden is er ook een component gemaakt om camera beelden terug te kijken en te verwijderen. Deze applicatie is ook in Visual Basic .NET geschreven en wordt ingeladen op het moment dat het scherm opgeroepen wordt.

Zoals dit hoofdstuk aangeeft is het binnen AX5 mogelijk om Visual Basic .NET code te schrijven of om .NET bibliotheken aan te roepen. Het is echter raadzaam om de code eerst te ontwerpen in Visual Studio vanwege het feit dat de VB editor in AX5 niet veel mogelijkheden biedt.

Afb. 25 - Camera

(22)

Afb. 27 - Camerabeelden log

4.9. System

De BMS-applicatie bevat een system pagina, waar een overzicht van de gebruikte hardware terug te vinden is. Het is het mogelijk om in- of outputs te forceren, mits de ingelogde gebruiker over de juiste rechten beschikt. Ook de status van alle in- en outputs zijn hier af te lezen. De informatie en

visualisatie zijn afkomstig uit de classes van de desbetreffende hardware.

Verder is er op deze pagina informatie beschikbaar over het EtherCAT netwerk. Deze is afkomstig uit de EtherCAT master class. Hierop zijn zaken zoals het aantal slaves op het netwerk terug te vinden.

Tot slot is er informatie over de PLC terug te vinden op de system pagina. De PLC is in dit geval een soft-PLC. Er is informatie beschikbaar over zaken zoals cyclustijd, status en beschikbaar geheugen.

Afb. 28 - Gebruikte hardware

(23)

(24)

4.10. Weer & Verkeer

Binnen de AX5 applicatie wordt de actuele weer en verkeersinformatie getoond aan de gebruiker. Dit kan bijvoorbeeld in de centrale hal van het gebouw. Er was als eis gesteld dat de bron data dynamisch moet zijn en onafhankelijk van AX5 gewijzigd moet kunnen worden.

Afb. 31 - Weer object

Daarom is er gekozen om de weer en verkeersinformatie op te halen via HTML en deze weer te geven in een WebControl binnen AX5. Dit heeft als voordeel dat het HTML bestand eenvoudig met een tekstbewerker gewijzigd kan worden.

Afb. 32 - HTML code

Deze functionaliteit geeft aan dat AX5 ook op een universele en dynamische manier data kan inladen en presenteren.

(25)

5. PLCopen

PLCopen is een organisatie die actief is binnen de industriële automatisering en streeft naar een standaardisatie van PLC logica en motion control. Dit doen zij door de IEC-61131-3 standaard te promoten en meer toepassingen aan te geven. Een voorbeeld daarvan is dat zij in samenwerking met verschillende bedrijven enkele standaarden ontwikkeld hebben waarmee motion control eenduidig geprogrammeerd kan worden vanaf verschillende platformen.[CITATION PLC \l 1033 ]10

5.1. Motion Control

De meest bekende standaard van PLCopen is de motion control standaard. Deze standaard zorgt dat via een aantal vaste functie blokken de besturing van een motion controller eenvoudig uitgevoerd kan worden. Deze blokken zijn gebaseerd op de IEC-61131-3 norm. [ CITATION PLC \l 1033 ]10

In het verleden gebruikten motion controllers vaak hun eigen interface om bestuurt te kunnen worden. Het bouwen van een interface met een specifieke

motion controller kostte veel tijd en geld. Bij de volgende generatie controller moest alles weer opnieuw gedaan worden. De motion control standaard van PLCopen probeert de software minder hardware afhankelijk te maken door duidelijke definities en functies te benoemen die ongeveer 80% van alle motion toepassingen bedekken.

5.2. IEC-61131-3

Dit deel van de IEC-61131 beschrijft de opbouw van programmeertalen voor PLC’s. Waaronder twee tekstuele talen; IL (Instruction List) en ST (Structured Text) en twee grafische talen; LD (Ladder diagram) en FBD (Function Block Diagram).

Deze talen kunnen door elkaar gebruikt worden door delen onder te brengen in functieblokken. Zo wordt het mogelijk om de juiste taal voor het juiste

doel te gebruiken. Zo is voor het uitvoeren van wiskundige functies instructielijst vaak beter geschikt dan ladder diagrammen.

Deze standaard wordt door alle grote PLC merken grotendeels ondersteund. AX5 ondersteunt op dit moment enkel functieblok diagram (FBD).[ CITATION Aut12 \l 1033 ]9

5.3. XML

De nadruk van PLCopen in dit onderzoek ligt op het XML gedeelte. Deze standaard die ontwikkeld is door PLCopen geeft een specificatie en schema om project structuur en IEC-61131-3 PLC logica op te slaan in een XML bestand. De doelstelling van de IEC-61131-3 standaard is het standaardiseren van PLC programmeertalen zodat deze merk onafhankelijk zijn, maar niet de concrete uitwisseling tussen de verschillende merken. Het PLCopen comité heeft deze

taak op zich genomen om een specificatie te ontwikkelen waarmee een geheel PLC project

opgeslagen kan worden in een universeel formaat wat weer door andere platformen ingelezen kan worden. [ CITATION PLC12 \l 1033 ]11

Afb. 33 - PLCopen motion control

Afb. 34 - PLCopen logic

(26)

XML is een formaat wat ontwikkeld is door het World Wide Web Consortium waarmee data in een gestructureerd formaat opgeslagen kan worden. De XML specificatie beschrijft vooral de syntax om data gestructureerd op te slaan en niet de naamgeving om dat te doen, hiervoor heeft PLCopen een XML schema ontwikkeld. [ CITATION Wik12 \l 1033 ]12

Met een XML schema wordt de structuur en naamgeving van een XML document afgedwongen en gevalideerd. Via deze weg kan een softwarepakket direct zien of hij valide PLCopen XML bestanden verwerkt of produceert.

Binnen AX5 zorgt de image generator er voor dat alle logica van de verschillende objecten die gekoppeld zijn aan een PLC omgezet wordt in PLCopen XML formaat. Hierdoor kan de logica overgedragen worden naar een PLC die deze standaard ook ondersteund.

(27)

6. PLC configuraties

6.1. Case

Voor het kiezen van de PLC opzet is de volgende case opgesteld. De bedoeling is om een middelgroot kantoorgebouw te automatiseren.

Het kantoorgebouw zal drie verdiepingen en een begane grond bevatten. Iedere verdieping bevat acht kantoorruimtes. Het gehele kantoorgebouw zal dus 32 kantoorruimtes bevatten.

De besturing zal de volgende onderwerpen beslaan:  Verlichting

 Brandmelding  Rolluiken  Temperatuur  Energielogging

Deze functies zijn gekozen, omdat deze in vrijwel ieder kantoorgebouw terug te vinden zijn. Energielogging is niet in ieder kantoorgebouw terug te vinden, maar wordt steeds

belangrijker. Dankzij energielogging kan er een beeld gecreëerd worden van het energieverbruik en waar deze verbruikt wordt.

De opzet van een kantoorruimte is te zien op afbeelding 37. De 32 kantoorruimtes die het kantoorgebouw bevat zien er allen identiek uit.

(28)

Afb. 37 - Kantoorruimte case

De besturing dient decentraal opgezet te worden, dit wil zeggen dat er gebruik gemaakt gaat worden van I/O eilanden en/of decentrale processors. De AX5 server zal het centrale punt van het systeem zijn. De verlichting bestaat uit vier groepen, waarvan een groep te dimmen is.

De meest geschikte configuratie in combinatie met de meest geschikte netwerktopologie dient gekozen te worden. Deze keuze wordt gemaakt op basis van de volgende factoren:

• Kosten; inschatting globale kosten van de benodigde hardware en bekabeling. • Betrouwbaarheid; opties als redundante server en controllers.

• I/O mogelijkheden; assortiment aan I/O kaarten.

• Veldbus eigenschappen; kabellengtes, benodigde repeaters.

6.2. Beckhoff koppelstation

Voor het Beckhoff I/O eiland is er gekozen voor de EK1100, dit is de standaard decentrale I/O module die Beckhoff biedt voor het EtherCAT

netwerk[ CITATION Bec124 \l 1033 ]7. Het voordeel van deze module is dat deze het EtherCAT signaal ook intern blijft gebruiken. Meer informatie over EtherCAT is terug te vinden in

hoofdstuk 3.4 EtherCAT

Deze module biedt ondersteuning aan alle E-Bus terminals en kan met een convertor terminal ook K-Bus terminals aansturen, de voorloper van E-Bus. Naast standaard terminals zoals in- en outputs (24VDC en 230VAC) en analoge

(29)

in- en outputs levert Beckhoff terminals die speciaal voor de gebouwautomatisering ontworpen zijn zoals verderop in dit hoofdstuk beschreven staat.

De EK1100 module beschikt over 2 RJ 45 poorten. Dankzij de 2de RJ 45 poort kunnen eventuele meerdere EtherCAT devices in hetzelfde netwerk gekoppeld worden. De maximale kabellengte tussen 2 EtherCAT devices is 100 meter. Een EtherCAT netwerk kan in totaal 65.535 slaves bevatten. Verder is mogelijk om tot maximaal 64 terminals aan een Bus Coupler te koppelen. Om meer terminals aan een Bus Coupler te koppelen dient na deze 64 terminals een powerterminal geplaatst te worden. In het geval van de gebouwautomatisering is het aannemelijker dat er meerdere EK1100 modules geplaatst worden met elk de benodigde terminals.

(30)

De terminals die nodig zijn voor configuraties waarin de Beckhoff EK1100 gebruikt wordt, zijn in onderstaande tabel weergegeven. De prijzen zijn officiële catalogusprijzen[ CITATION Bec126 \l 1033 ]

13. Er is dus nog geen rekening gehouden met kortingen.

Type Omschrijving Prijs Totaal

EL2624 Terminal met 4x 230VAC relay outputs. Voor het schakelen van onder ander verlichting.

1 € 36,30 € 36,30

KL2751 Terminal met 1x output voor het dimmen van verlichting(groep).

1 € 62,00 € 62,00

KL2722 Terminal met 2x output voor het aansturen van een rolluik

3 € 29,40 € 88,20

EL3311 Terminal met 1x input voor een temperatuuropnemer (thermokoppel)

1 €

115,00

€ 115,00

EL1859 Terminal met 8x digital input en 8x digital output. Inputs benodigd voor de hardwarematige knoppen van de aan/uit verlichting, knoppen voor het omhoog en omlaag sturen van de rolluiken en de handbrandmelder. Outputs benodigd voor schakelen van slow-whoop.

1 € 62,50 € 62,50

EL3403 Terminal voor 3x input voor het meten van stroomverbruik.

1 €

166,00

€ 166,00

BK1250 Terminal voor converteren van E-bus naar K-bus. 1 € 108,00

€ 108,00

EK1100 Buscoupler EtherCAT. 1 € 98,00 € 98,00

EK1110 Extra EtherCAT poort voor het koppelen van een volgend station.

1 € 53,00 € 53,00

Totaal €789,00

(31)

6.3. Siemens koppelstation

Van Siemens is gekozen voor de ET200S serie met Profibus. Deze serie wordt volledig door AX5 ondersteund en gepromoot. In de procesindustrie wordt deze serie veelal toegepast vanwege het goede aanbod aan modules en de

betrouwbaarheid daarvan.

De ET200 serie van Siemens biedt digitale in- en uitgangen aan die 230V kunnen

schakelen. Hiermee kunnen eenvoudige lichtschakelingen gemaakt worden. Het aansturen van verlichting die te dimmen is, is niet direct mogelijk met Siemens apparatuur. Het is wel mogelijk om op een analoge ingang een stroomtransformator aan te sluiten waarmee het verbruikte ampère gemeten kan worden. [ CITATION Sie12 \l 1033 ]14

Deze modules werken via Profibus, dit is een van de meest bekende veldbussen in de industrie en is ook prima inzetbaar in de gebouwautomatisering. De maximale kabellengte van Profibus is

afhankelijk van de baudrate. Normaal gesproken is deze ingesteld op 187,5kBit/s met een maximale kabellengte van 1000 meter. Hoe hoger de baudrate wordt hoe lager de maximale kabellengte wordt. [ CITATION Edu12 \l 1033 ]15

Het maximaal aantal deelnemers in een Profibus netwerk is 32 per segment

[ CITATION Sie07 \l 1033 ]16. Met repeaters is dit uit te breiden naar 126 deelnemers in het totale netwerk. Een repeater versterkt het signaal en zet deze door naar het volgende segment, dit zorgt voor enige vertraging. Een repeater heeft geen adres en is dus ook niet zichtbaar voor de master. [ CITATION Edu12 \l 1033 ]15

Iedere Profibus deelnemer kan maximaal 244 inputbytes en 244 outputbytes bevatten. Ter verduidelijking; 1 terminal met 8 digital outputs komt overeen met 1 outputbyte.

Afb. 39 - Siemens ET200

(32)

De modules en terminals die nodig zijn voor de configuraties waarin de Siemens ET200 gebruikt wordt, zijn in onderstaande tabel weergeven. De prijzen zijn afkomstig van één leverancier[ CITATION PLC121 \l 1033 ]17, ook hier is nog geen rekening gehouden met mogelijke kortingen.

Type Omschrijving Prijs Totaal

PM-E

24VDC Module voor het voeden van de modules die 24VDC _{nodig hebben.} 1 €32,06 €32,06 8DI-DC 24V Module met 8x digital input. Inputs benodigd voor de

hardwarematige knoppen van de aan/uit verlichting, knoppen voor het omhoog en omlaag sturen van de rolluiken en de handbrandmelder.

1 €44,37 €44,37

4DO-DC

24V Module met 4 Digital Outputs, voor het schakelen van _{de slow-whoop en relais voor de aansturing van de}

motoren van de rolluiken.

2 €30,70 €61,40

2AI Thermo Module met 2 inputs waarop een thermokoppel

aangesloten kan worden.

1 €191,20 €191,20

PM-E UC

230V Module voor het voeden van de modules die 230VAC _{nodig hebben.} 1 €32,06 €32,06 2DO-230AC Module met 2 outputs die 230VAC schakelen. 2 €40,48 €80,96

2AI Current Module met 2 inputs voor het meten van

stroomsterkte.

2 €178,95 €357,90

2AI Voltage Module met 2 inputs voor het meten van voltage. 2 €175,88 €351,76

TM-P15S23-A1 Terminal voor power modules 2 €7,78 €15,56

TM-E15S24-01 Terminal voor elektronic modules 9 €7,60 €68,40

ET200s ET200s IM-151 koppelstation 1 €276,08 €276,08

Totaal €1511,75

(33)

6.4. Topologie

De eis is dat de besturing decentraal opgezet wordt. Dit kan op verschillende manieren, hieronder beschrijven we de in ons opzicht beste opzetten. We maken onderscheid tussen een EtherCAT of Profibus netwerk aangezien dit twee totaal verschillende busnetwerken zijn.

6.4.1. EtherCAT

Bij een EtherCAT netwerk is het totale aantal deelnemers niet de beperkende factor, deze zal in een normale situatie niet overschreven worden. Als er naar onze case gekeken wordt dan kunnen er een aantal keuzes gemaakt worden.

Beschrijving Afbeelding

Centrale controller

In deze opzet wordt het gebouw gezien als een

EtherCAT netwerk waarbij een controller aanwezig is die onafhankelijk van de AX5 server draait.

Controller per verdieping

Bij deze opzet zal elke verdieping een eigen

controller en EtherCAT netwerk hebben. De centrale regie zal plaatsvinden op de AX5 server via een soft-PLC of een losse controller.

Centrale controller, meerdere ethernetpoorten Bij deze opstelling zal er een centrale AX5 server zijn die met meerdere ethernetpoorten is uitgevoerd. Hierdoor krijgt elke verdieping zijn eigen EtherCAT netwerk maar blijft er wel een enkele CPU in het gebouw.

(34)

6.4.2. Profibus

Bij een Profibus netwerk kan het aantal deelnemers een beperkende factor spelen, vandaar dat de voorkeur bij voorbaat al naar een Profibus netwerk per verdieping gaat. In onderstaande tabel staan de verschillende mogelijkheden opgesomd.

Beschrijving Afbeelding

Centrale controller

In het gebouw zal een centrale AX5 server zijn met eventueel een losse PLC controller. Elke verdieping zal een eigen Profibus netwerk hebben met een eigen Xlink100 module.

Controller per verdieping

Bij deze opzet zal elke verdieping een eigen controller hebben plus Profibus netwerk. Dit zal er voor zorgen dat het aantal repeaters tot een minimum beperkt wordt en een storing op het Profibus netwerk niet het hele gebouw stoort.

(35)

6.5. Soft-PLC

Bij gebruik van de soft-PLC wordt deze redundant uitgevoerd. Hiervoor is een redundante server benodigd. Indien een AX5 server wegvalt, zal de redundante server de

taken overnemen. Naast de redundante servers is er nog een extra server benodigd om data te loggen. Op deze server draait bijvoorbeeld de SQL server. Er zijn dus in totaal drie servers benodigd om gebruik te maken van een redundante soft-PLC.

Een PLC is niet zo degelijk als industriële hardware, omdat een soft-PLC op Windows draait. Indien Windows instabiel draait is de soft-soft-PLC niet meer betrouwbaar. De soft-PLC is dus afhankelijk van de stabiliteit van het operating system. Daarnaast heeft het operating system ook

systeemupdates nodig, met als gevolg dat de server opnieuw opgestart

moet worden. Vandaar dat redundantie vereist is om het systeem continu operationeel te houden.

6.6. aXcontroller

Bij het gebruik van een aXcontroller wordt de AX5 server ontlast. De PLC code zal op de controller uitgevoerd worden. Nu staat de PLC los van het server operating system, hoewel de controller ook een besturingssysteem heeft is deze ontworpen met het oog op stabiel en continu draaien. Wanneer een controller van een ander merk gebruikt wordt, bijvoorbeeld

Beckhoff, wordt deze controller binnen AX5 gezien als aXcontroller aangezien het oorspronkelijke besturingssysteem vervangen wordt door een operating system van AutomationX. Het aantal ethernet of Profibus poorten is afhankelijk van het type controller. Zo heeft de aXcontroller van AutomationX beschikking over een Profibus poort en een CX1020 van Beckhoff niet.

In dit onderzoek wordt een CX1020 controller van Beckhoff ingezet als

aXontroller. Om de CX1020 als aXcontroller te gebruiken moet op de Compact Flash kaart, die zich in de CX1020 bevindt, een image van AX5 geplaatst worden. De CX1020 zal zich exact hetzelfde gedragen als de aXcontroller zoals hierboven genoemd.

Door het onttrekken van de PLC functionaliteit uit de AX5 server hoeft deze niet meer redundant uitgevoerd te worden. Hierdoor is een losstaande data/SQL server niet meer noodzakelijk. Dit scheelt dus twee servers op het gehele systeem. Bij het wegvallen van de server zal het loggen van data niet meer operationeel zijn. De SCADA stations zullen ook wegvallen, maar de PLC besturing blijft echter doorgaan.

De aXcontroller wordt in deze case niet redundant uitgevoerd. De reden hiervan is dat een aXcontroller net als elke andere PLC ontworpen is om stabiel en continu te werken. De

betrouwbaarheid is vele malen hoger dan een standaard server met Windows operating system. Het gebruik van embedded controllers scheelt op het totale onderhoud van het systeem wat de betrouwbaarheid ten goede komt.

Afb. 41 - Topologie met soft-PLC

Afb. 42 - Topologie met aXcontroller

(36)

6.7. Beckhoff EK1100

In deze case zal elke kamer uitgevoerd worden met een EK1100 plus de bijbehorende I/O die de ruimte aanstuurt.

De communicatie tussen AX5 server of aXcontroller en EK1100 verloopt over ethernetkabel. Deze kabel is ten opzichte van Profibuskabel relatief goedkoop. Er is verder geen omvormer zoals aXlink100 nodig, het enige wat de AX5-server nodig heeft is een ethernetpoort. Deze poort dient

geconfigureerd te worden als EtherCAT poort. Wanneer de ethernetpoort als EtherCAT-poort geconfigureerd is kan er gebruik gemaakt worden van het EtherCAT protocol. De EtherCAT-poort wordt dan niet meer herkend als ethernetpoort. Als er gebruik gemaakt wordt van ethernet in de applicatie is hier een afzonderlijke ethernetpoort voor nodig. De server of

aXcontroller moet dus beschikking hebben over meerdere ethernet poorten. Aangezien Beckhoff speciale terminals voor de gebouwautomatisering ontworpen heeft is het niet of nauwelijks nodig om nog onderliggende componenten toe te voegen. Elementen zoals lichtdimmers en rolluiken kunnen rechtstreeks op de EtherCAT-terminals aangesloten worden. Er hoeft dus geen uitgebreide besturingskast per EK1100 gerealiseerd te worden. Ook de prijs van de Beckhoff terminals zijn in de configuratie van deze case goedkoper dan de Siemens I/O kaarten.

Een voordeel van EtherCAT is dat deze verschillende topologieën ondersteunt.

Zo is het gebruik van aftakkingen mogelijk in een EtherCAT netwerk waarmee een flexibel netwerk opgezet kan worden.

(37)

6.8. Siemens ET200

Met deze opzet wordt decentrale I/O van Siemens aangestuurd via Profibus. Elke ruimte binnen het kantoor kan uitgevoerd worden met een I/O eiland voor decentrale aansturing en uitsparing van kabels. Het voordeel van kantoorpanden is dat deze veelal met systeemplafonds werken waardoor de besturing buiten het zicht geplaatst kan worden.

De aXcontroller of soft-PLC wordt via een ethernet netwerk gekoppeld aan een aXlink100. De

aXlink100 vormt het ethernet protocol om in het Profibus protocol De aXlink100 maakt communicatie van standaard servers met Profibus netwerken mogelijk.

Vanwege het feit dat Profibus, met behulp van repeaters, maximaal 126 deelnemers kan bevatten is het een afweging om elke etage een eigen Profibus netwerk te geven. Dit kan door meerdere aXlink100 modules te gebruiken en deze gezamenlijk in een al dan niet redundant ethernet netwerk te plaatsen. Het bijkomend voordeel hiervan is dan wanneer een Profibus

netwerk een storing krijgt niet het hele systeem in storing komt, maar enkel de verdieping waarop deze storing plaats vindt. Naast een Profibus infrastructuur is ook een ethernet netwerk nodig voor communicatie naar de aXlink100 op iedere verdieping.

De ET200 serie is niet ontworpen voor de gebouwautomatisering. Hierdoor zijn veel functies die juist interessant zijn voor gebouwautomatisering niet direct mogelijk met Siemens I/O kaarten. Dit betekent dat er per kamer losse componenten nodig zijn om bijvoorbeeld dimmers te implementeren. Hierdoor moet er per kamper een grotere besturingskast ontworpen worden.

Afb. 44 - Dimmer sturing

(38)

6.9. Gekozen configuraties

Aan de hand van de behandelde hardware kunnen enkele hardware configuraties gevormd worden. Deze configuraties worden tegen elkaar afgezet om zo tot de meest geschikte opzet te komen voor de opgestelde case.

Opzet Afbeelding

Configuratie 1

Soft-PLC + EK1100

- Twee redundante AX5 servers die tevens de soft-PLC uitvoeren - Losse data/SQL server

- xLink100 modules t.b.v. Profibus netwerk - ET200 I/O eilanden

Configuratie 2

Soft-PLC + ET200

- Twee redundante AX5 servers die tevens de soft-PLC uitvoeren - Losse data/SQL server

- EK1100 modules via een EtherCAT netwerk

Configuratie 3

AXcontroller + EK1100

- Een enkele AX5 server die tevens de data/SQL taak uitvoert - Één aXcontroller

- EK1100 modules via een EtherCAT netwerk

Configuratie 4

AXcontroller + ET200

- Een enkele AX5 server die tevens de data/SQL taak uitvoert - Één aXcontroller

- xLink100 modules t.b.v. Profibus netwerk - ET200 I/O eilanden

(39)

Criteria Configuratie 1

Redundante Soft-PLC + EK1100 Configuratie Redundante Soft-PLC + ET200 Configuratie 3AXcontroller + EK1100 Configuratie 4AXcontroller + ET200 Kosten + Beckhoff I/O goedkoper

dan Siemens I/O + Netwerk volledig met ethernetkabel uit te voeren - Extra server benodigd voor dataopslag/SQL

- Siemens I/O duurder dan Beckhoff I/O

- Extra componenten benodigd naast I/O om BMS functies te realiseren

- aXlink100 modules benodigd

- Extra server benodigd voor dataopslag/SQL

+ Beckhoff I/O goedkoper dan Siemens I/O

+ Geen extra servers benodigd

- Controller benodigd

+ Geen extra servers benodigd

- Siemens I/O duurder dan Beckhoff I/O

- Controller benodigd - aXlink100 modules benodigd

Betrouwbaarheid + Betrouwbaarheid SCADA systeem hoog dankzij redundante server

- Servers vergen onderhoud - Soft-PLC afhankelijk van operating system server

+ Betrouwbaarheid SCADA systeem hoog dankzij redundante server

- Servers vergen onderhoud - Soft-PLC afhankelijk van operating system server

+ Controllers vergen minder onderhoud dan servers + Besturing niet afhankelijk van server

- Betrouwbaarheid SCADA systeem lager door enkele server

+ Controllers vergen minder onderhoud dan servers + Besturing niet afhankelijk van server

- Betrouwbaarheid SCADA systeem lager door enkele server

I/O mogelijkheden + Beckhoff terminals direct inzetbaar voor BMS functies + Minimaal aantal extra componenten benodigd

+ Beckhoff terminals direct inzetbaar voor BMS functies + Minimaal aantal extra componenten benodigd + Terminals op controller mogelijk

Veldbuseigenschappen + Enkel ethernetkabel benodigd

+ Maximaal aantal slaves is ruim voldoende

+ Aftakkingen in topologie mogelijk

+ Maximaal aantal slaves is voldoende

- Een Profibus én ethernet netwerk benodigd

- Netwerk moet gesloten zijn, geen aftakkingen mogelijk

+ Enkel ethernetkabel benodigd

+ Maximaal aantal slaves is ruim voldoende

+ Aftakkingen in topologie mogelijk

+ Maximaal aantal slaves is voldoende

- Een Profibus én ethernet netwerk benodigd

- Netwerk moet gesloten zijn, geen aftakkingen mogelijk

Score* 2 4 1 3

(40)

7. Conclusies

7.1. AutomationX5

Aan de hand van de gerealiseerde AX5 applicatie kunnen de conclusies getrokken worden m.b.t. de beoordeling of AX5 geschikt is voor de gebouwautomatisering.

Vanwege het object georiënteerd programmeren kunnen identieke objecten snel toegevoegd en aangestuurd worden. Denk hierbij bijvoorbeeld aan verlichting. Er hoeft maar één class gemaakt te worden van het type ‘verlichting’, van waaruit de gehele verlichting van een gebouw gegenereerd kan worden. Wanneer er eenmaal een bibliotheek opgezet is met classes voor de gebouwautomatisering, die niet standaard aanwezig is bij AutomationX, kan er betrekkelijk eenvoudig een applicatie

opgebouwd worden. Er dient dus rekening gehouden te worden met het ontwikkelen van een bibliotheek met BMS-classes wat de nodige tijd in beslag zal nemen.

Een ander sterk punt van AX5 zijn de hardware mogelijkheden. AX5 is compatible met verschillende hardwarecomponenten die volgens de PLCopen standaard werken. PLCopen is een standaard voor een format om PLC-code op te slaan, waar ook AX5 gebruik van maakt. AutomationX moet echter wel een class er voor vrijgeven om de hardware daadwerkelijk in een applicatie te implementeren. Ook voor alle I/O kaarten is een specifieke class benodigd. AutomationX bezit momenteel classes voor de Siemens ET200 serie en een beperkt aantal Beckhoff kaarten. Classes voor het gebruik van nieuwe hardware kunnen bij AutomationX aangevraagd worden, maar neemt de nodige tijd in beslag. De verwachting is dat er een complete bibliotheek met hardwarecomponenten beschikbaar is wanneer het pakket officieel gereleaset wordt.

AX5 kan gebruik maken van een soft-PLC of een PLC. Een PLC kan een aXcontroller zijn, maar ook een embedded controller van Beckhoff of een ander merk wat door AX5 ondersteund wordt. Bij het gebruik van een Beckhoff controller kan bespaard worden op de licentiekosten hiervan, omdat het gehele besturingssysteem vervangen wordt door een image van AutomationX. Een Beckhoff controller kan dus besteld worden zonder TwinCAT PLC en TwinCAT I/O licentie.

Het is mogelijk om 3D te visualiseren in AX5. De tekenomgeving werkt in onze beleving nog niet naar behoren. Het is niet eenvoudig om een 3D object te creëren in de geïntegreerde tekenomgeving, omdat deze momenteel nog te beperkt is qua functionaliteit. Daardoor zijn er veel tekenuren benodigd om een 3D visualisatie te realiseren. De tijd die benodigd is om een object 3D te

visualiseren weegt nog niet op tegen het resultaat. Misschien dat AutomationX de tekenomgeving door middel van updates weet te verbeteren, zodat het mogelijk is om te importeren vanuit een ander 3D tekenprogramma. Dit zou het 3D visualiseren een stuk aantrekkelijker maken. Het voordeel van 3D visualisatie t.o.v. 2D visualisatie is dat werkelijke posities van componenten aangegeven kunnen worden. Dit is handig voor field-engineers, omdat zij dan niet meer zelf hoeven te zoeken waar het component zich bevindt.

Doordat het mogelijk is om met Visual Basic.NET te programmeren is het relatief eenvoudig om met hoger gelegen systemen te communiceren of andere applicaties, bijvoorbeeld de koppeling met systemen van derden zoals camera’s of vingerscans. Er dient rekening gehouden te worden met de

(41)

beperkte mogelijkheden van de AX5 editor. Het is aan te raden om de code vooraf te ontwerpen in Visual Studio en vervolgens naar de editor in AX5 te kopiëren.

Verder kan AX5 gekoppeld worden aan een SQL database. Dit is handig voor het loggen van data. Op basis van de gelogde data kunnen bijvoorbeeld rapporten en grafieken gegenereerd worden.

Op basis van deze argumentatie kan geconcludeerd worden dat AX5 geschikt is voor de gebouwautomatisering.

7.2. Hardware configuratie

De meest geschikte hardware configuratie voor deze case is opzet 3 uit hoofdstuk 6.9. In deze opzet is gekozen voor een centrale controller; de CX1020. De keuze voor de CX1020 is te danken aan het feit dat deze uit te breiden is met I/O terminals. De controller van AutomationX heeft deze mogelijkheid niet. Zaken als algemene stroommeting en standen van automaatschakelaars kunnen dan direct op de CX1020 binnengehaald worden, aangezien de CX1020 zich naar alle waarschijnlijkheid in de centrale besturingskast zal bevinden.

Deze opzet is qua kosten gunstig omdat er maar één server en één controller benodigd is. Voor een middelgroot kantoorgebouw als deze is één CX1020 voldoende om het gehele gebouw te besturen. In een groter

kantoorgebouw kan overwogen worden om meerdere CX1020’s te plaatsen, om de controllers niet te zwaar te belasten.

Aangezien er van een CX1020 gebruik gemaakt wordt, zal de AX5 server niet redundant uitgevoerd hoeven te worden, want bij het wegvallen van de server zal het systeem operationeel blijven. Het enige gevolg van het wegvallen van de server is het wegvallen van het SCADA systeem en de

datalogging. Als gevolg hiervan kan het systeem niet meer bestuurd worden vanaf de SCADA-stations. Verder wordt er geen data meer weggeschreven in de databases, aangezien deze op de server draait. Indien het van belang is dat de SCADA stations en de datalogging operationeel blijven kan ook de server redundant uitgevoerd worden.

De keuze voor de EK1100 is te danken aan de terminals die Beckhoff ontworpen heeft voor de gebouwautomatisering. De terminals voor bijvoorbeeld het meten van stroomverbruik, het implementeren van lichtdimmers en het schakelen van rolluiken

kunnen rechtstreeks ingezet worden in de building automation. Daarnaast is er maar een EtherCAT netwerk benodigd aangezien het maximale aantal deelnemers niet behaald gaat worden. Het

EtherCAT netwerk wordt redundant uitgevoerd naar iedere verdieping. Op de verdieping zelf wordt het EtherCAT netwerk enkelvoudig uitgevoerd. Er dient een extra ethernetpoort

toegevoegd te worden aan de CX1020 en aan de Bus Couplers. Dit is geen probleem want hier is een standaard terminal voor

beschikbaar. Indien er één Bus Coupler weg zal vallen, zullen de

andere Bus Couplers operationeel blijven, zie afbeelding 46 ter verduidelijking. Indien het netwerk

Afb. 45 - Configuratie advies

(42)

niet redundant uitgevoerd zou worden, dan zouden de achterliggende Bus Couplers eveneens wegvallen.

(43)

Bijlagen

1. Beckhoff hardware

Embedded PC’s zijn in verschillende soorten te verkrijgen. Hieronder staat een opsomming van de verschillende soorten controllers[ CITATION Bec127 \l 1033 ]18:

Embedded PC serie Beschrijving

CX8000 Low-range PLC, bevat geen monitor poort, kan niet uitgebreid worden met PC interfaces. Kan gekozen worden met een specifieke veldbus poort. CX9000, CX9010 Mid-range embedded PC met vrije keuze uit operating system en TwinCAT

software. Is uitbreidbaar met PC interfaces. Kan veldbussen aansturen door middel van speciale I/O kaarten. Kan direct I/O kaarten aansturen

CX1010 Mid-range embedded PC met vrije keuze uit operating system en TwinCAT software. Is uitbreidbaar met PC interfaces. Kan veldbussen aansturen door middel van speciale I/O kaarten. Heeft een aparte voedingsmodule nodig om I/O kaarten aan te sluiten.

CX5010, CX5020 Mid-range embedded PC met vrije keuze uit operating system en TwinCAT software. Kan gekozen worden met een specifieke veldbuspoort,

audiopoort of ethernetswitch. Kan direct I/O kaarten aansturen.

CX1020, CX1030 High-End embedded PC met vrije keuze uit operating system en TwinCAT software, zeer geschikt voor motion toepassingen. Is uitbreidbaar met PC interfaces. Kan gekozen worden met een specifieke veldbuspoort,

audiopoort of ethernetswitch. Heeft een aparte voedingsmodule nodig om I/O kaarten aan te sluiten.

Uit de tabel is op te maken dat er twee groeperingen aan te brengen zijn in de verschillende CPU’s.  De CX10x0 CPU’s zijn modulair opgebouwd en kunnen in alle aspecten uitgebreid en

geconfigureerd worden.

 De CX80xx, CX90x0, CX50x0 CPU’s zijn redelijk vaste CPU’s, er kan niet veel geconfigureerd worden en is een vast object.

Alle CPU’s bevatten ten minste één ethernetpoort, hiermee kan de CPU geprogrammeerd worden via een standaard ethernetkabel. Er is geen aparte programmeerkabel nodig.

1.1. Industrial PC

Een onderdeel uit het assortiment van Beckhoff is de industriële PC. Een industriële pc is een

robuuste pc die voldoet aan de hoogste industriële eisen[ CITATION Bec128 \l 1033 ]19. De industriële PC’s worden samengesteld op basis van de nieuwste technologie uit de pc-wereld en de

beschikbaarheid van componenten op de lange termijn. Beckhoff heeft 3 verschillende types industriële PC’s in het assortiment; Panel PC’s, Control Cabinet Industrial PC’s en Control Panels. Al deze types hebben hun eigen eigenschappen welke in dit hoofdstuk toegelicht worden.

1.1.1. Control Cabinet Industrial PC

Zoals de naam al enigszins verklapt is de Control Cabinet Industrial PC van Beckhoff een industriële PC die geschikt is voor montage in schakelkasten[ CITATION Bec129 \l 1033 ]20. Afhankelijk van de toepassing kan een pc gekozen welke varieert in afmeting en prestatie. De Control Cabinet Industrial

(44)

PC’s zijn onderverdeeld in series. Om een overzicht te creëren van de variatie in afmetingen en prestaties wordt hieronder een overzicht gegeven waarin de verschillen tussen de series duidelijk worden.

Serie Beschrijving C5xxx

C61xx C62xx

Deze series zijn qua prestaties sterk vergelijkbaar met elkaar. De best beschikbare processor voor deze series is de Intel® Celeron® 1.9 GHz, 2 cores. Het geheugen bedraagt 1 GB DDR3 RAM, uitbreidbaar tot 8 GB en de harde schijf bedraagt 320 GB. Verder zijn deze series uitgerust 4x seriële poort RS232, 12x USB 2.0 en 1x parallelle poort en moeten gevoed worden met een spanning van 100-240V. De afmeting en het uiterlijk verschillen wel van elkaar, zie afbeeldingen hieronder.

C5xxx C61xx C62xx

C63xx Deze beste processor uit deze serie is een Intel® Core™ Duo 2.0 GHz. Het geheugen bedraagt 1

GB DDR2 RAM, uitbreidbaar tot 3 GB en de harde schijf bedraagt 80 GB. Verder is deze serie uitgevoerd met 4x seriële poort RS232 en 8x USB 2.0. Het geheel dient gevoed te worden met 24VDC.

C63xx

C65xx

C69xx Deze series zijn qua prestaties vrijwel identiek aan elkaar, enkel het uiterlijk is sterk _{verschillend. De best beschikbare processor voor deze series is de Intel® Celeron® 1.9 GHz, 2}

cores. Het geheugen bedraagt 1 GB DDR3 RAM, uitbreidbaar tot 8 GB en de harde schijf bedraagt 80 GB. Verder zijn de series uitgerust met 1x seriële RS232 poort en 4x USB 2.0 poorten. Het geheel dient gevoed te worden met 24VDC

C65xx _C69xx

1.1.2. Control Panel

Het Control Panel van Beckhoff dient als interface tussen mens en machine[ CITATION Bec1210 \l 1033 ]21. Een Control Panel van Beckhoff wordt bijvoorbeeld ingezet in combinatie met een Control Cabinet Industrial PC. De display grootte varieert tussen de 5,7 en 24 inch en kan geleverd worden met montage arm of als inbouw component voor bijvoorbeeld in de deur van een schakelkast. Het Control Panel is meestal voorzien van een touch screen, maar er is ook de mogelijkheid om een keyboard en muis aan te sluiten. Verder kan het Control Panel naast het display uitgerust worden met opties zoals functietoetsen, numeriek toetsenbord, alfanumeriek toetsenbord en noodstop. Dit is mogelijk voor ieder Control Panel.

(45)