Fachthema
Zukunftsmarkt Energietechnik
Embedded Systems im Energietechnikmarkt müssen richtige „Tausendsassa“ sein: Leistungsstark, zuverlässig und gleichzeitig einfach und intuitiv zu bedienen. Doch wie begegnet man den mannigfaltigen Herausforderungen in der Entwicklung?
Herausforderung Energiewende & Klimaschutz
Der Schutz unseres Klimas und die Energiewende sind die wohl größten Herausforderungen unserer Zeit. Die Rohstoffe werden weniger, der Energiebedarf aber wächst ungebremst. Daher ist es essenziell, auf erneuerbare Energien zu setzen, sowie die Effizienz zu steigern.
Viele Unternehmen bieten innovative Lösungen und Produkte am Markt an, um den kontinuierlich steigenden Energieverbrauch nachhaltig und umweltschonend zu decken. Als robustes Fundament werden dazu leistungsstarke und zuverlässige Embedded Systeme benötigt.
Diese Systeme müssen einfache, intuitive Bedienung genauso leisten, wie die Steuerung und Regelung von großen Energieströmen. Darüber hinaus sind Energiesysteme miteinander vernetzt und sollen die Erzeugung, Verarbeitung und Verteilung von Energie laufend überwachen und optimieren.
Ein weites Einsatzfeld für künstliche Intelligenz. Wie begegnet man den mannigfaltigen Herausforderungen in der Entwicklung von energietechnischen Geräten?
Energietechnik Know-How
Leistungselektronik
Leistungselektronik ist eine der zentralen Komponenten bei der Energiegewinnung, Verarbeitung aber auch beim effizienten Einsatz in Geräten. Für die Ansteuerung von Motoren und Stellgliedern kommen moderne elektronischen Komponenten zum Einsatz. Verteilte, regenerative Energiequellen wie Photovoltaik oder Kleinkraftwerke benötigen fortschrittliche Einspeisegeräte und Wandler, um Energie ins öffentliche Netz zu speisen.
Beim Einsatz moderner Batterietechnologie kommen ausgeklügelte Batteriemanagementsysteme zum Einsatz, um die Energiespeicher langlebig und schonend zu betreiben. Bei der Verarbeitung großer Energiemengen darf Sicherheit, im Sinne von Safety, nie zu kurz kommen. Alles herausfordernde Themen, für die man erfahrene Entwickler benötigt.
Verteilte Systeme & Vernetzung
Energieerzeugung war früher stark zentral durch den Einsatz von Großkraftwerken geprägt. Diese Struktur verändert sich aktuell radikal. Energiequellen, wie Wind, Sonne oder Wasser haben kleinere Dimensionen, sind geografisch verteilt und zum Teil direkt beim Verbraucher. Die Abstimmung zwischen Erzeugung und Verbrauch muss sehr engmaschig erfolgen. Die Energieerzeuger und -verbraucher, sowie die Netzinfrastruktur benötigen moderne Netzwerkverbindungen, um Daten zeitgerecht auszutauschen und Systeme aus der Ferne steuern zu können.
Energietechnik ohne Vernetzung gibt es faktisch nicht mehr. Dies muss mit sämtlichen Sicherheitsaspekten, im Sinne von Security, von Anfang an im Embedded System berücksichtigt werden. Zugriffssicherheit, Verschlüsselung und Authentifizierung sind nachhaltig sicherzustellen und laufend anzupassen werden. All das stellt hohe zusätzliche Anforderungen an Embedded-Entwickler.
Intuitive Bedienung
Ob Umrichter für die hauseigene Photovoltaik oder Steuerung für den Heizkessel - Der erste Eindruck zählt und Smartphones geben zweifellos die Designtrends vor. Gerätehersteller differenzieren sich durch das äußere Erscheinungsbild und die User Experience. Dies steigert die Akzeptanz und reduziert den Lernaufwand und Fehleranfälligkeit beim Bediener. Mehrsprachigkeit und ansprechende Grafik sichern den Markterfolg. Web-Schnittstellen erlauben den bequemen Zugriff auf ein Gerät über das Netzwerk mittels Web-Browser.
Auf diese Art und Weise können Gerätehersteller Servicepersonal oder Endkunden Zugang zu Gerätefunktionen bieten. Zur eigentlichen logischen Entwicklung der Bedienfunktionen kommen grafisches Design und Analyse, Kreation und Optimierung der Nutzererfahrung. Nur so schafft man frustfreie, leicht erlernbare und intuitiv bedienbare Produkte.
Optimierung
Erzeugung, Verteilung und Verbrauch von Energie müssen laufend optimiert werden, um Verluste zu minimieren. Der Energiefluss muss kontinuierlich an externe Gegebenheiten, wie Wetter, Verfügbarkeit und Verbraucherverhalten angepasst werden. Überschussenergie soll zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Verbraucher geleitet oder für die spätere Nutzung abgespeichert werden.
Schwankungen zwischen Angebot und Nachfrage sollen so wirtschaftlich wie möglich ausgeglichen werden. Die Komplexität der verteilten Energiesysteme ist durch eine zentrale Verwaltung nicht mehr kontrollier- und steuerbar. Vielmehr sorgen clevere Regelungssysteme und künstliche Intelligenz direkt in den Geräten für mehr Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Energietechnik von heute denkt mit. Hierfür sind Spezialisten für Maschinenlernen und KI gefragt.
Robustheit
Für die maßgeschneiderte Embedded Plattform eines Geräts in der Energietechnik sind viele Anpassungen und Optimierungen notwendig, technisch wie wirtschaftlich. Auch der Gesetzgeber schreibt laufend neue Standards und Regelwerke vor. Um eine robuste Hard- & Softwareplattform für die Serienproduktion zu schaffen müssen die Aufwände für Integration, laufende Wartung und Erweiterungen von Anfang an und über den gesamten Produktlebenszyklus betrachtet werden. Trotz der sich rasch ändernden Ansprüche verlangt die Energietechnik nach langer Lebensdauer ihrer Geräte.
Schon beim Gerätedesign muss darauf geachtet werden, dass langlebige Bauteile, möglichst aus mehreren Quellen, eingesetzt werden. Bei einer Abkündigung muss rasch reagiert werden, um die Integrität der Hard- und Softwareplattform sicherzustellen. Die Embedded Software muss äußerst stabil, fehlertolerant und robust gestaltet sein. Updates, z.B. bei neuen Bedrohungsszenarien, müssen rasch und sicher eingespielt werden können. In jedem Fall ist über die Entwicklung hinaus eine langfristig stabile Partnerschaft mit dem Entwicklungspartner unabdingbar.
Beispiele aus der Praxis
Teilt man die vielschichtigen Themen der Entwicklung energietechnischer Geräte auf unterschiedliche Dienstleister auf, wird man mit der Zeit erkennen, dass man zusätzliche Komplexität geschaffen hat. Die Koordination und Abstimmung ist eine große Herausforderung, insbesondere im Fehlerfall. Darum gilt es einen Partner zu finden, der eine reibungslose, ganzheitliche Umsetzung unterstützt.
Ginzinger electronic systems ist Komplettanbieter für die Entwicklung maßgeschneiderter, integrierter Embedded Systeme. Bewährte Komponenten für moderne Bedienung, Vernetzung, Linux Hard- und Software, Leistungselektronik und Microcontroller sind die Basis für neue Geräte. Der Kunde erhält eine bewährte und zuverlässige Lösung aus einer Hand und wird über den gesamten Produktlebenszyklus begleitet: Von der ersten Idee, über die Umsetzung, die Industrialisierung inklusive Prüfmittel bis zur Serienproduktion und dem After-Sales-Service.
Langjähriges Know-How und erprobte Lösungen im Bereich der Energietechnik helfen den Kunden, Herausforderungen rasch zu meistern und sich auf ihre Kernkompetenzen zu konzentrieren.
ETA Heiztechnik
Heizkessel mit Touch
Für die Firma ETA Heiztechnik wurden mehrere Generationen an Embedded Systemen mit Touch-Displays für die Bedienung von Heizkessel auf Basis von GELin (Ginzinger Embedded Linux) realisiert. Darüber hinaus entwickelt Ginzinger Zusatzkomponenten für die Steuerungen und unterstützt die Entwickler von ETA bei ihren Designs.
System Tera
Smart Home Server
Das zentrale Gerät jedes smarten Zuhauses ist der SystemTera.Server V. Die Zentrale erledigt alle gestellten Aufgaben, überwacht im Hintergrund und führt Befehle aus.
Eine dieser maßgeschneiderten Lösungen verwendet die Energie AG und managt damit die Fernsteuerung von derzeit 230 Heizkraftwerken. Unter Einhaltung höchster Qualitätsansprüche ist Ginzinger electronic systems für die Produktion des SystemTera.Server verantwortlich, der das Herzstück einer jeden SystemTera-Installation bildet.
Verein E-Wirtschaft Österreich
Smart Meter Adapter für Netzbetreiber
Ginzinger electronic systems übernimmt die Entwicklung und Produktion der Smart Meter Schnittstelle für E-Wirtschaft Österreich, dem Verband der österreichischen Netzbetreiber. Derzeit sind Smart-Meter-Modelle von sieben verschiedenen Herstellern im Einsatz. Mit der neuen Schnittstelle wird ein österreichweit einheitlicher Standard geschaffen. Dieser ermöglicht es allen Netzkunden, ihre Daten unmittelbar vor Ort zu nutzen – unabhängig vom Netzanbieter und dem vorhandenen Smart Meter Modell.
Ulrich Brunner GmbH
Bedienung und Steuerung für Kachelöfen
Die Ulrich Brunner GmbH fertigt seit 1946 Kamine und Kachelöfen. Aufgrund langjähriger Erfahrung rund um das Thema Heizen mit Holz hat sich Brunner zur Premiummarke in der Branche entwickelt. Kachelöfen und Kamine sind mit elektronischer Steuerung auszustatten um falsches Heizen oder schlechtes Heizmaterial zu verhindern. Die Wahl fiel auf Ginzinger electronic systems.
Begriffe & Definitionen
Was ist ein Embedded System?
Ein eingebettetes System („embedded system“) ist ein elektronischer Rechner oder auch Computer, der in einen technischen Kontext eingebunden (eingebettet) ist. Dabei übernimmt der Rechner entweder Überwachungs-, Steuerungs- oder Regelfunktionen oder ist für eine Form der Daten- bzw. Signalverarbeitung zuständig, beispielsweise beim Ver- bzw. Entschlüsseln, Codieren bzw. Decodieren oder Filtern. Eingebettete Systeme verrichten – weitestgehend unsichtbar für den Benutzer – den Dienst in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen und Geräten, beispielsweise in Geräten der Medizintechnik, Energietechnik, oder Unterhaltungselektronik.
Eingebettete Systeme werden speziell an eine Aufgabe angepasst. Aus Kostengründen wird eine optimierte gemischte Hardware-Software-Implementierung gewählt. Dabei vereinigt eine solche Konstruktion die große Flexibilität von Software mit der Leistungsfähigkeit der Hardware. Die Software dient der Steuerung des Systems selbst als auch zur Interaktion des Systems mit der Außenwelt über definierte Schnittstellen oder Protokolle.
Was ist ein Smart Meter?
Smart Meter sind digitale Zählgeräte zur Erfassung des Stromverbrauchs in regelmäßigen Zeitintervallen. Die Verbrauchswerte werden an den Netzbetreiber übertragen, so dass ein Ablesen vor Ort nicht mehr erforderlich ist. Gegenüber den mechanischen Messgeräten verfügen Smart Meter über eine Reihe neuer Funktionen.
Warum Ginzinger ab sofort Mitglied der DLMS ist
Mit der Mitgliedschaft bei der DLMS User Association sichert Ginzinger electronic systems seinen Kunden im Energietechnikmarkt weltweit gültige Standards, wenn es um den Austausch von Daten und die Gewährleistung von Interoperabilität, Effizienz und Sicherheit geht. Ginzinger electronic systems unterstützt seine Kunden im Energietechnikmarkt mit Know-How in der Entwicklung, Industrialisierung und Produktion von Embedded Systems.
Damit diese ein langfristig robustes Fundament darstellen, müssen internationale Normen und Standards der Energietechnikbranche erfüllt werden. Ginzinger electronic systems ist ab sofort Mitglied der DLMS User Association. Deren Spezifikationen sind weltweit akzeptiert, wenn es um den Austausch von Daten, sowie die Gewährleistung von Interoperabilität, Effizienz und Sicherheit in der Energietechnik geht.
Was ist die DLMS?
Die DLMS User Association (DLMS = device language message specification) ist eine Non-Profit-Organisation. Sie entwickelt, pflegt, unterstützt und fördert die DLMS/COSEM-Spezifikation für den Datenaustausch zwischen intelligenten Geräten im Bereich Strom-, Gas-, Wärme- und Wasser-Infrastrukturen, zum Beispiel bei Netzbetreibern. Mitglieder des DLMS/COSEM nutzen diese Spezifikationen in den Bereichen IoT, Smart Metering, e-Mobility und Smart Grid, um interoperable, belastbare und sichere Datenoperationen zu ermöglichen.
Die Organisation bietet Datenaustauschdefinitionen zur Unterstützung vieler Kommunikationstechnologien, darunter NB-IoT, 4G, 6LoWPAN, WiSUN, LoRaWAN, Zigbee LPR und Power Line Carrier (Prime und G3). Internationale Basisnormen von IEC, ISO, CEN, CENELEC, ETSI, IEEE, ANSI und anderen, liegen den Spezifikationen zu Grunde. Darüber hinaus bietet die Organisation Trainings, Entwicklungen, Konformitätszertifizierungen, Spezifikationen und Fachliteratur an.
Ein globaler Standard für den Energiesektor
DLMS/COSEM (IEC 62056, EN13757-1) ist der globale Standard für intelligentes Energie- und Wassermanagement, fortschrittliche Steuerung und innovatives Metering. Er spezifiziert ein objektorientiertes Datenmodell, ein Protokoll über die Anwendungsschicht und medienspezifische Kommunikationsprofile. DLMS/COSEM kann für alle Versorgungsunternehmen und Energiearten, alle Marktegmente, alle Anwendungen und über praktisch jedes Kommunikationsmedium verwendet werden.
Dabei besteht DLMS/COSEM im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten:
- COSEM - Companion Specification for Energy Metering - das Objektmodell, mit dem sich praktisch jede Anwendung beschreiben lässt;
- OBIS – Object Identification System – ein Bennennungssystem der Objekte und
- DLMS – Device Language Message Specification – ein Protokoll der Anwendungsschicht, das die in den Objekten enthaltenen Informationen in Nachrichten umsetzt.
Übermittlung und Spezifikation
Anwendungsnachrichten können über beliebig viele Kommunikationsmedien transportiert bzw. übermittelt werden, etwa für lokale Anschlüsse, PSTN/GSM mit HDLC-Datenverbindungsschicht RS232 / RS485; GPRS; Wi-SUN, LoRAWAN, drahtgebundenen und drahtlosen M-Bus, etc….
Die DLMS/COSEM-Spezifikation wird von der DLMS User Association entwickelt und gepflegt und ist international durch IEC TC13 WG14 und CEN TC294 genormt.
Über die DLMS
Die DLMS UA wurde 1997 von führenden Energieversorgern und Zählerherstellern gegründet und ist mittlerweile zu einer globalen Organisation mit über 300 Mitgliedern aus allen Kontinenten und über 70 Ländern angewachsen. Zu Ihnen gehören Energieversorger, Verteilnetzbetreiber (DSOs), Gerätehersteller, Systementwickler und -integratoren, Softwareplattformen für DSOs, Halbleiterhersteller und Hersteller von Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge. Sitz der DLMS User Association ist in Zug in der Schweiz. https://www.dlms.com/