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Das wachsame Gateway

Bild 1. Photovoltaik müssen permanent überwacht werden.

Bild 2. Der kompakte Hutschienen-PC H1-A kann als Fernwartungs-Gateway für Einspeiseeinheiten in Solarenergieanlagen eingesetzt werden.

Bild 3. Das 70 mm × 70 mm kleine Qseven-Modul ist zur Kühlung direkt mit dem H1-A-Rechnergehäuse verbunden.

Der Anteil der regenerativen Quellen an der globalen Energieversorgung wächst. Neben Wind, Wasser, Biomasse und Erdwärme ist die Sonnenenergie der wichtigste Primärenergieträger der Zukunft. Der Solarstrom kann direkt über Photovoltaikanlagen oder indirekt durch solarthermische Kraftwerke erzeugt werden. Zur Überwachung von Photovoltaikanlagen kommen kompakte Hutschienen-PC zum Einsatz.

Wie wirtschaftlich sich Strom aus Sonnenlicht gewinnen lässt, hängt unmittelbar mit der Effizienz der industriellen Solarenergieanlagen zusammen. Ein wesentlicher Faktor hierbei ist die Einspeisung der gewonnenen elektrischen Energie ins Stromnetz. Diese Aufgabe übernehmen leistungsfähige Wechselrichter, die mit einem hohen Wirkungsgrad den Gleichstrom der Photovoltaik-Module in einspeisefähigen Wechselstrom wandeln. Entscheidend für die Energieausbeute der Solaranlage ist zudem der optimale Einfallwinkel der Sonnenstrahlen. Deshalb müssen bei großen Anlagen die einzelnen, in Reihe aufgestellten Solar-Panels mittels Trackerantriebe direkt in die Sonne gedreht werden. Sind alle Komponenten aufeinander abgestimmt und miteinander vernetzt, kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems optimiert werden (Bild 1).

Fernwartung für Wechselrichter
Die Wechselrichter, die als Einspeiseeinheiten für eine bestimmte Anzahl an Solar-Panelen größerer Sonnenenergieanlagen zum Einsatz kommen, sind dezentral in kleinen Häuschen im Garagenstil untergebracht. Die Wechselrichter sind vernetzt und gegen Überspannung geschützt. Eingebaute Filter sorgen für die Einhaltung der europäischen EMV-Richtlinien. Mit einstellbarem Netz-Monitoring für Spannung und Frequenz sowie Datenspeicherungs- und Kommunikationsoptionen sind die Geräte für den Dauereinsatz und eine Fernwartung gerüstet. Hierfür stehen zum Beispiel mit Ethernet, RS-485, RS-232 und CAN-Bus handelsübliche Schnittstellen zur Verfügung.
Die Kommunikation eines Solar-Wechselrichters zur Außenwelt kann beispielsweise über den kompakten Hutschienen-PC H1-A von DSM Computer erfolgen (Bild 2). Der als Gateway eingesetzte Rechner lässt sich über einen der schnellen LAN-Ausgänge anschließen. Der zweite LAN-Port kann für den Internet-Anschluss mit einem DSL-Router oder einem UMTS-Router verwendet werden. Damit ist der Anlagenanbieter in der Lage, sich per VPN-Tunnel auf den Hutschienen-PC aufzuwählen und über die Oberfläche des H1-A das Einspeisesystem zu überwachen und zu warten. Beispielsweise können zu jedem Zeitpunkt alle Betriebsdaten angezeigt und der Verschleiß einzelner Maschinenmodule überprüft werden. Als Betriebssystem werden Windows Embedded und Linux unterstützt.

Software-Update für den Wechselrichter
Über den Hutschienen-PC lässt sich bei Bedarf auch ein Software-Update auf die Solar-Wechselrichter spielen. Das ist von Zeit zu Zeit notwendig, um die Wechselrichterlast immer im optimalen Wirkungsgrad zu halten. Um den Vorgang abzuschließen, muss der Wechselrichter in der Regel geflasht werden, das heißt, das Gerät wird über das Netzwerk ausgeschaltet und dann wieder neu hochgefahren. Das Software-Update kann über die im H1-A vorhandene serielle RS-232-Schnittstelle gesteuert werden. Nach dem Neustart überprüft der Betreiber über seine Remote-Management-Konsole, ob das System wieder funktioniert, die neue Software fehlerfrei läuft und der gewünschte Effekt aufgetreten ist. Darüber hinaus kann der Hutschinenrechner auch als Schnittstelle zum Firmennetzwerk fungieren.
Voraussetzung für den Einsatz als Fernwartungs-Gateway ist ein 24/7-Betrieb des Rechners, da die Anlage zu jeder Zeit erreichbar sein muss. Soll der IPC rund um die Uhr laufen, werden hohe Anforderungen an die Qualität aller verbauten Komponenten und des gesamten Systems gestellt. Geht man davon aus, dass ein Solar-Wechselrichter eine Lebensdauer von etwa 15 Jahren aufweist, darf der Rechner nicht das schwächste Glied in der Anlage sein, sondern muss auch einen entsprechend langen fehlerfreien Betrieb gewährleisten. Ein für den Consumer-Bereich entwickelter PC kommt also nicht in Frage. DSM hat den H1-A hochwertig und mit einer MTBF von weit über zehn Jahren auch langlebig ausgelegt. Grundlage der Berechnung ist ein Dauerbetrieb bei bis zu 45 °C Außentemperatur. System-Monitoring, Watchdog und ACPI Power Management sorgen zusätzlich für eine hohe Zuverlässigkeit des Rechners.

Kompakter Hutschienen-PC
Für die Auswahl des robusten Hutschienen-PC als verlässlich arbeitendes Gateway sprach, dass DSM ihre für den Industrieeinsatz geeigneten Produkte im eigenen Hause entwickelt und fertigt. CE-konformes Design, Burn-In und eine Gewährleistung von zwei Jahren sind Standard. Projekt bezogen kann die Garantie sogar auf drei bis fünf Jahre verlängert werden.
Ein weiterer Pluspunkt des kompakten Hutschienen-PC ist seine schnelle, standardisierte Montagemöglichkeit und einfache Inbetriebnahme im Standardelektro- oder Schaltschrank. Mit einer Breite von nur 122 mm (7 TE) passt der PC unter die Hutschienen-Normabdeckung, nur die an der Vorderseite des Gehäuses angebrachten Kühlrippen ragen hervor. Alle Anschlüsse außer die Service-Ports sind von unten zugänglich. Das hochwertige Aluminiumgehäuse des PC weist eine Höhe von nur 90 mm und eine Tiefe von 41 mm (55 mm mit Kühlrippen) auf. Der leichtgewichtige Industrierechner arbeitet im spezifizierten Betriebstemperaturbereich zwischen 0 °C und 45 °C ohne Lüfter sehr leise. Die Stromversorgung mit DC 24 V wird wie die RS-485-Schnittstellen über eine in der Elektroindustrie übliche Schraub- oder Steckklemme sichergestellt.
Entscheidend für Anwendungen in der regenerativen Energietechnik ist eine geringe Stromaufnahme des Gesamtsystems. Der Hutschienenrechner liegt mit unter 10 W bei Volllast sicher im unteren Bereich aller vergleichbaren Produkte.

Erreicht werden kann dies durch das integrierte Qseven-Modul der MSC Vertriebs GmbH, das auf dem Strom sparenden Atom-Prozessor Z510 von Intel mit 1,1 GHz Taktfrequenz basiert. Als Chipsatz kommt der Intel US15W SCH System Controller Hub mit integriertem Intel Graphics Media Accelerator GMA 500 zum Einsatz. Zur optimalen Wärmeableitung ist das Qseven-Modul mittels seitlich angebrachter Heat Rail direkt mit dem Rechnergehäuse verbunden (Bild 3). Das 70 mm × 70 mm kleine Computer-on-Modul steckt auf einem speziell für den H1-A entwickelten Baseboard. Damit wird trotz kompakter Bauweise eine optimale Rechenleistung erzielt. Derzeit sind zwei Versionen des Hutschienen-PC erhältlich. Das erste Modell verfügt über ein 1 GB großes DDR2-RAM und ein 1,8 GB großes Onboard Flash oder alternativ wird eine Variante mit 3,6 GB Flash angeboten. Die Anwenderdaten lassen sich in das Onboard Flash oder in beiden Modellen auf einer SD-Karte speichern.

Für die Anwendung als Gateway- und Kommunikationsrechner wichtig ist das Vorhandensein gängiger Schnittstellen. Neben den erwähnten zwei schnellen 1 000 Base-T LAN-Schnittstellen zur Datenübertragung via Ethernet sind beim H1-A zwei USB-Ausgänge vorhanden. Zusätzlich verfügt der IPC über einen seriellen RS-232-Anschluss, bei Bedarf ist ein zweiter RS-232-Anschluss an Stelle das vorhandene VGA-Interface realisierbar. Die beiden RS-485-Schnittstellen sind zum Ausgleich von Potentialunterschieden galvanisch getrennt. Die Abschlusswiderstände für die Endstelle sind bereits integriert und können je nach Anforderung zugeschaltet werden. Damit lassen sich über die RS485-Schnittstellen Entfernungen von bis zu 1 000 m überbrücken. Über das VGA Interface ist zur Inbetriebnahme des Systems ein Kontrollmonitor anschließbar.
Die Hutschienenrechner von DSM können als Gateway- und Kommunikationsrechner, Web Server oder dezentrale Steuereinheit im industriellen Umfeld eingesetzt werden. Die Anwendungen sind in der Prozessautomatisierung, der Anlagensteuerung oder in der Energietechnik zu finden. Die kompakten Industrie-Systeme sind auch zunehmend für neue Märkten wie Gebäudeautomatisierung, Smart Metering, Elektro-Mobility und Cloud Computing interessant.

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Autor: Christian Lang ist Leiter Marketing bei der DSM Computer GmbH in München.