Digitalisierung unterstützt die Klimaforschung im Vereinigten Königreich

Vor etwa 200 Jahren wurden in diesem Wald in Staffordshire Eichen gepflanzt, um Holz für die britische Holzschiffflotte zu liefern. Dann kam die industrielle Revolution. Stahl ersetzte Holz und der Wald geriet in Vergessenheit. Da es ungestört wachsen kann, dient es jetzt einem ganz anderen Zweck: als Forschungsstandort für das Birmingham Institute of Forest Research, Free Air Carbon Dioxide Enrichment Experiment oder Bifor FACE. Hier setzen Wissenschaftler alte Bäume erhöhten CO2-Werten aus, um zu untersuchen, wie Wälder auf ein sich änderndes Klima reagieren könnten.

Dr. Kris Hart, der in Bodenbiogeochemie promoviert hat und jetzt als Betriebsleiter bei BiFOR FACE tätig ist, erklärt: „Wir wollen verstehen, wie sich der relativ plötzliche Anstieg des atmosphärischen CO2, verursacht durch Emissionen fossiler Brennstoffe, auf die Struktur und Funktion des Waldökosystems auswirkt. Um das zu tun, setzen wir einzelne Abschnitte des Waldes den CO2-Werten aus, die bis 2050 erwartet werden, und untersuchen alles, von Baumphysiologie und Krankheiten bis hin zu Unterholzpflanzen, Böden und Insekten — im Grunde jedes Niveau, das Sie sich vorstellen können.“

Dieser umfassende Ansatz basiert auf einer präzisen Kontrolle und konsistenten CO2-Abgabe sowie auf der Erfassung hochwertiger Daten. Für beide steht unsere Hardware und Software für die industrielle Automatisierung im Mittelpunkt.

Ein zukunftssicheres Update

Innerhalb des Waldes sind die Bäume in sechs sogenannte Reihen gruppiert, die jeweils von offenen Türmen umgeben sind, die es Wind, Regen und Insekten ermöglichen, sich frei durch das Gelände zu bewegen. Drei der Anlagen sind regelmäßig erhöhten Konzentrationen von CO2 in hochreiner Form ausgesetzt, das als Nebenprodukt der anaeroben Vergärung von Lebensmittelabfällen anfällt. In jeder dieser Arrays geben etwa 30 Abgabestellen, die auf unterschiedlichen Höhen positioniert sind, das CO2 ab. Die verbleibenden drei Felder dienen als Kontrolldiagramme zum Vergleich.

Als das Projekt 2017 gestartet wurde, wurde eine textbasierte Programmiersprache gewählt, die auf PCs läuft, um die Instrumente zu steuern, die für die Freisetzung von CO2 in die Arrays verantwortlich sind. Im Laufe der Zeit zeigte das System sein Alter und seine Grenzen, was das Team von BiFor FACE veranlasste, nach einer robusteren und flexibleren Alternative zu suchen — was sie zum Systemintegrator Transicon führte.

„Wir haben uns zunächst die Bedürfnisse der Forscher genau angehört“, sagt Jennifer Hughes, General Manager bei Transicon. „Es wurde schnell klar, dass die effektivste und zukunftssicherste Lösung ein industrielles Steuerungssystem sein würde, das auf Siemens-Technologien basiert.“

Es wurde schnell klar, dass die effektivste und zukunftssicherste Lösung ein industrielles Steuerungssystem sein würde, das auf Siemens-Technologien basiert.

Jennifer Hughes, General Manager, Transicon

Einfache Integration, schnelle Inbetriebnahme

Die Ingenieure von Transicon haben ein umfassendes Paket an Siemens-Technologien zusammengestellt, um das Netzwerk von Ventilen, Gasanalysatoren, Windsensoren und anderen Instrumenten am Standort BiFor FACE zu verwalten und wichtige Daten zu sammeln. Im Mittelpunkt steht die Simatic S7-1200 Speicherprogrammierbare Logiksteuerung (PLC). Als Gehirn des Systems verarbeitet es Echtzeitdaten — wie Windmuster, Niederschlag und Sonneneinstrahlung —, um zu bestimmen, wie viel CO2 freigesetzt werden muss, um die angegebenen Werte aufrechtzuerhalten. PLC-Funktionsblöcke für Simulationen wurden auch im TIA-Portal (Totally Integrated Automation) von Siemens entwickelt, um reale Betriebsbedingungen zur Unterstützung von Systemtests nachzubilden.

Sensors und Aktoren auf dem gesamten Gelände sind mit der SPS verbunden über Simatic ET 200 SP, ein modulares I/O-System, das eine zuverlässige Datenerfassung und Befehlsausführung vor Ort ermöglicht. Dank seiner Halbleiterschaltung ist das System weniger mechanischem Verschleiß ausgesetzt, wodurch es robuster und weniger störanfällig ist. Außerdem können Module im laufenden Betrieb ausgetauscht werden, ohne den Betrieb zu unterbrechen.

Siemens WinCC, eine SCADA-Plattform, überwacht den gesamten Prozess und bietet Forschern von Bifor FACE eine klare Echtzeitansicht des Systemstatus. Wartungsbedarf ist jetzt einfacher zu erkennen, was eine schnellere und gezieltere Fehlerbehebung ermöglicht. Eine wichtige Innovation war die Entwicklung einer 3D-Visualisierungs-Engine, die es Forschern ermöglicht, die relativen Höhen aller Sensoren zu sehen und die Arrays aus mehreren Blickwinkeln zu betrachten — eine deutliche Verbesserung gegenüber der Basisschnittstelle des vorherigen Systems.

Danke an die Digital Twin Funktionen integriert in TIA Portal, Die Ingenieure von Transicon waren in der Lage, das System vor der Installation zu simulieren und zu testen. Dies rationalisierte den Integrationsprozess und verkürzte die Zeit für die Inbetriebnahme, da weniger Anpassungen vor Ort erforderlich waren. Und wenn sie unterwegs Unterstützung benötigten, konnten sie sich an die Ingenieure von Siemens wenden, um Unterstützung zu erhalten.

Ein Modell für andere Forschungsinstitute

Das neue Setup ist genau das, was Dr. Kris Hart und sein Team brauchten. „Die Expertise von Transicon hat es uns ermöglicht, die Präzision und Zuverlässigkeit unseres Kohlendioxid-Liefersystems deutlich zu verbessern, was für die Integrität unserer langfristigen Klimaforschung absolut unerlässlich ist“, sagt er. Darüber hinaus kann die Installation auf andere Standorte auf der ganzen Welt repliziert werden, um die Auswirkungen höherer CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre zu untersuchen.

Das war beabsichtigt, sagt Jennifer Hughes: „Die Lösung, die wir entwickelt haben, bietet eine Blaupause für zuverlässige, konsistente experimentelle Kontrollsysteme, die weltweit implementiert werden könnten, falls die FACE-Experimente in Zukunft auf andere Standorte ausgedehnt werden sollten.“ Denn wenn die Ergebnisse von Bifor FACE die globale Klimapolitik prägen sollen, müssen sie durch Daten aus anderen reifen Wäldern auf der ganzen Welt gestützt werden.

Unternehmensprofile

Bifür GESICHT

Seit 2017 simuliert das Birmingham Institute of Forest Research, Free Air Carbon Dioxide Enrichment, oder Bifor FACE, die für 2050 vorhergesagte Atmosphäre, indem es CO₂ um alte Eichen pumpt. Indem sie die zukünftige Umgebung nachahmen, können Forscher verstehen, wie von Wäldern erwartet werden kann, dass sie auf eine sich ändernde Umwelt reagieren. BiFor FACE ist eine von nur drei derartigen Einrichtungen weltweit und wurde für ihr umweltfreundliches Design gefeiert.

Bifor FACE - Universität Birmingham

Transicon

Transicon wurde 1967 gegründet und hat seinen Sitz im Queensway Business Park in Telford, Großbritannien. Das Unternehmen hat sich einen guten Ruf in der Entwicklung und Herstellung maßgeschneiderter Steuerungssysteme erarbeitet. Die Expertise des Unternehmens umfasst AC-, DC- und Servoantriebe sowie PLC- und SCADA-Systeme. Transicon bedient eine Vielzahl von Industriekunden und arbeitet in ganz Großbritannien und international.

Spezialisten für System Integration und industrielle Automatisierung | Transicon

Weitere Informationen

IT/OT-Integration

SIMATIC Energy Manager zeichnet den Energie- und Medienverbrauch auf und integriert Daten von Maschinen, SCADA und Gebäudesystemen. Es unterstützt gängige Protokolle und Schnittstellen und liefert Daten für Nachhaltigkeits- und ESG-Plattformen.

SIMATIC S7-1200

Einfache Steuerungen sind die kluge Wahl für kompakte Automatisierungslösungen mit integrierten Kommunikations- und Technologiefunktionen. SIMATIC S7-1200-Steuerungen sind in Standard- und Fail-Safe-Versionen erhältlich.