Energiamittausjärjestelmän modernisoinnin suunnittelu

Abstract

Tässä opinnäytetyössä suunniteltiin UPM Communication Papersin Rauman tehtaan vanhaan SIMATIC S5 -alustaan perustuvan energiamittausjärjestelmän modernisointi. Tavoitteena oli korvata elinkaarensa päässä oleva S5-kokoonpano, uudistaa tiedonsiirto OPC Data Accessista (OPC DA) nykyaikaisempaan OPC Unified Architectureen (OPC UA) sekä varmistaa energiadatan luotettava reaaliaikainen keruu ja välitys tehtaan energianhallinnan tarpeisiin. Tarkastelu rajattiin kahden laitevalmistajan ratkaisuehdotukseen: Siemens S7-1500/ET 200SP ja Beckhoff CX -sarjan PC-pohjainen ratkaisu.

Opinnäytetyön teoriaosuus kattaa automaatiojärjestelmien rakenteen ja ohjelmistoalustat sekä keskeiset komponenttivalinnat ja tiedonsiirtotekniikat. Tiedonsiirtotekniikoista tarkasteltiin erityisesti nykyistä OPC DA -ratkaisua, uudistettavaa OPC UA -arkkitehtuuria sekä nykyaikaisia kenttäväyläratkaisuja. Energiamittauksen näkökulmasta kuvattiin ABB:n EMS-järjestelmän (Energy Management System) rooli sekä älymittareiden ja pulssimittausten periaatteet.

Käytännön työssä kartoitettiin mittauspisteet, käytiin läpi etäyksiköiden I/O:t ja suunniteltiin integraatio ABB:n energianhallintajärjestelmään. Työssä laadittiin kaksi vaihtoehtoista arkkitehtuuria: Siemens-pohjainen ratkaisu S7-1500:lla (CPU 1514SP-2 PN) ja ET 200SP I/O-asemilla PROFINET-verkossa sekä Beckhoff-pohjainen ratkaisu CX5340-ohjaimella ja EtherCAT I/O -ketjuilla. Molempiin sisällytettiin OPC UA -liitynnät, verkkomäärittelyt ja alustavat komponenttilistat.

Tuloksena syntyi toteutettava modernisointisuunnitelma, joka mahdollistaa energiadatan reaaliaikaisen, tietoturvallisen ja skaalautuvan siirron ABB:n EMS:lle (Energy Management System). Uudistus varmistaa mittaustiedon luotettavuuden ja ajantasaisuuden, parantaa järjestelmän ylläpidettävyyttä ja tuo kokonaisuuden vastaamaan nykyaikaisia standardeja ja vaatimuksia. Järjestelmän tuottamaa dataa hyödynnetään tehtaan tuotannon, kunnossapidon ja energiatalouden päätöksenteossa ja optimoinnissa.

This thesis presents the design of the modernisation of the energy measurement system at UPM Communication Papers’ Rauma mill, which is based on the legacy SIMATIC S5 platform. The objectives were to replace the end-of-life S5 configuration, migrate communications from OPC Data Access (OPC DA) to OPC Unified Architecture (OPC UA), and ensure reliable real-time acquisition and transfer of energy data for the mill’s energy management needs. The study focused on two vendor alternatives: a Siemens S7-1500/ET 200SP solution and a PC-based Beckhoff CX-series solution.

The theoretical section covers the structure of automation systems and engineering platforms, as well as key component choices and communication technologies. In terms of communication technologies, the analysis focused on the existing OPC DA solution, the target OPC UA architecture, and contemporary fieldbus solutions. From the metering perspective, the role of ABB’s EMS (Energy Management System) was described alongside the principles of smart meters and pulse metering.

In the practical part, metering points were surveyed, the I/O of remote units was reviewed, and integration with ABB’s energy management system was designed. Two alternative architectures were produced: a Siemens-based solution using the S7-1500 (CPU 1514SP-2 PN) with ET 200SP I/O stations over PROFINET, and a Beckhoff-based solution using a CX5340 controller with EtherCAT I/O chains. Both designs included OPC UA interfaces, network specifications, and preliminary bills of materials.

The result is an implementable modernization plan that enables real-time, secure, and scalable transfer of energy data to ABB’s EMS. The upgrade ensures the reliability and timeliness of measurement data, improves maintainability, and brings the system into compliance with current standards and requirements. The data produced by the system is utilized in decision-making and optimization for the plant’s production, maintenance, and energy management.