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IO-Module – wichtiger Faktor für das Energiemanagement

Bild 1. Das Beckhoff-Busklemmensystem bietet neben Standardklemmen auch zahlreiche IO für messtechnische Aufgaben

Bild 2. B&R bietet verschiedene IO-Module im Zusammenhang mit dem Energiemanagement an

Bild 3. Phoenix Contact ermöglicht mit seinem IO-System Inline Modular die Einbindung der gebräuchlichsten Medienzähler für elektrische Arbeit, Wasser oder Gas

Bild 4. Zur Erfassung des elektrischen Leistungsverbrauchs in kWh bietet Wago die Dreiphasen-Leistungsmessklemme, ein spezielles Funktionsmodul aus dem Baukasten des „WAGO-I/O-Systems 750“, an

Die Erfassung von Energie- und Verbrauchsdaten ist wesentliches Element für das Energiemanagement. Hersteller, wie Beckhoff, B&R, Phoenix Contact und Wago, bieten mittels ihrer IO-Systeme die Möglichkeit der dezentralen Signalerfassung. Zumeist wird von ihnen auch eine Lösung zur Auswertung und Weiterverarbeitung der Daten abgeboten.

Energiemanagement nach DIN EN 16001 und DIN EN ISO 50001? ist schon länger ein Thema, gewinnt aber mit weiter steigender Popularität der Energieeffizienz an Bedeutung. Energiedatenerfassung ist dabei ein elementarer Bestandteil, den die Anbieter von IO-Systemen unterschiedlich abdecken. B&R bietet beispielsweise verschiedene IO-Module im Bereich des Energiemanagements an. „Das Spektrum reicht dabei vom hochpräzisen und komplexen Modul für den Einsatz in der dezentralen Energiegewinnung über Module zur exakten Messung des Energieverbrauchs, zum Beispiel für den Maschinen- und Anlagenbau, bis hin zu M-Bus-Modulen für die Kommunikation mit Standard-Energiezählern“, meint Anton Meindl, Business Unit Manager Controls bei B&R.
Wago bietet zur Ermittlung des elektrischen Leistungsverbrauchs eine Dreiphasen-Leistungsmessklemme an, ein spezielles Funktionsmodul des „Wago-I/O-Systems 750“. „Deren Daten werden dann im Prozessabbild des Controllers zur Weiterverarbeitung oder Weiterleitung über verschiedene Feldbusse an übergeordnete Scada-Systeme bereitgestellt. Über die integrierte Webvisualisierung lassen sich die Verbräuche auch direkt vor Ort darstellen“, so Jens Eickelmann, Market Management Industrie bei Wago. Die flüssigen und gasförmigen Energieformen sowie Wärme werden von Messgeräten und Sensoren erfasst, die an das IO-System angebunden sind.

Phoenix Contact ermöglicht mit seinem IO-System Inline Modular die Einbindung der gebräuchlichsten Medienzähler für elektrische Arbeit, Wasser oder Gas. „Diese Messgeräte sind zumeist mit mindestens einer Impulsschnittstelle ausgestattet, die über Inline-Digital-Eingangsklemmen aufgeschaltet werden“, informiert Frank Knafla, Master Specialist Energy Efficiency bei Phoenix Contact Electronics. Im Fall der SØ-Stromschnittstelle empfiehlt er die achtkanaligen SØ-Zählerklemmen. Zur Bewertung müssen die kumulierten Impulse im Auswerteprogramm der Steuerung mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert werden, der vom installierten Zählertyp abhängt. „Moderne Medienzähler, die über eine komplexere Mess- und Auswertelogik verfügen, ermitteln eine Vielzahl weiterer Kennwerte. Die Integration dieser Zähler erfolgt über serielle Protokolle wie Modbus RTU“, erläutert F. Knafla. Die Ankopplung an das Inline-Modular-System erfolgt über eine RS-485-Kommunikationsklemme mittels IEC-61131-3-konformen Treiberbausteinen, die die Programmierung der wichtigsten Funktionen zur Einbindung unterstützen. Standard-Druckmessgeräte werden über die Inline-Analog-Eingangsklemmen in das Datenerfassungskonzept integriert.
„Als ein Pionier der im IO-System integrierten Energiedatenerfassung decken wir inzwischen neben Standard-Messaufgaben auch Analysefunktionen ab“, sagt Michael Jost, Produktmanager Feldbussysteme und Ethercat bei Beckhoff Automation, und fügt an: „Ebenso bieten wir Basisfunktionen in Form von Softwarebausteinen, wie die Synchronisation auf das Netz oder erweiterte Analysen.“

Schwerpunkte bei der Weiterentwicklung
B&R verfügt seit einigen Jahren über praktische Erfahrung im Bereich der Energiemessung. „Die ersten Module, die von uns entwickelt wurden, waren auf die gleichzeitige und genaue Messung mehrerer Energienetze ausgerichtet. Diese Module können beispielsweise dezentrale Kraft-Wärme-Anlagen auf das allgemeine Versorgungsnetz synchronisieren“, so A. Meindl. Auf Basis dieser Erfahrung seien die Energiemessmodule für Maschinen und Anlagen entstanden. „Die Entwicklung verlief hier sozusagen ,Top-down‘“, informiert er weiter und fügt mit Blick in die Zukunft an: „Da das Energiemanagement mehr und mehr zum globalen Thema wird, entwickeln wir unser Portfolio verstärkt in Richtung weltweitem Einsatz für alle Netzformen und -arten weiter.“
Beckhoff hat seit 2003 Produkte zur Energie- und Leistungsmessung im Programm. „Unsere Weiterentwicklungen gehen in verschiedene Richtungen“, erläutert M. Jost und konkretisiert: „Zum einen erweitern wir die Einsatzbereiche durch höhere Spannungen bis 690 V und bieten flexible Anschlussmöglichkeiten für die Strommessung. Zum anderen sind Netz-Analysefunktionen integriert worden. Beispielsweise können Messungen bis zur 21. Harmonischen Oberwellenanalyse durchgeführt werden.“

Phoenix Contact präsentiert zur Hannover Messe 2012 eine Leistungsmessklemme zur Analyse von Wechselstromnetzen. „Sie dient der dreiphasigen Messung von Strom, Spannung und Leistung sowie der Ermittlung der Netzqualität über die Amplituden von Oberschwingungen bis zur 31. Oberwelle“, sagt F. Knafla. Das Portfolio umfasst darüber hinaus Komponenten für die Energie- und Strommesstechnik. „Dazu gehören die netzwerkfähigen Energiemessgeräte der EMpro-Produktfamilie sowie die notwendigen Stromwandler für die Schaltschrankinstallation“, erläutert er weiter.
„Die Dreiphasen-Leistungsmessklemme 750-493 ergänzt bereits seit 2007 unser Angebot an Funktionsklemmen für unser IO-System. Sie berechnet aus den gemessenen Augenblickswerten von Strom und Spannung die gewünschten Größen, zum Beispiel den Gesamtenergieverbrauch“, berichtet J. Eickelmann. Die Schwerpunkte bei der Weiterentwicklung liegen auf einer Steigerung der Gesamt-Performance bei gleichzeitiger Minimierung der Entwicklungs- und Produktionskosten. „Wir wollen das Preis-Leistungs-Verhältnis für die Kunden weiter optimieren“, so J. Eickelmann.

Weiterverarbeitung der Daten
Hinsichtlich eines optimierten Energiemanagements können mit der Dreiphasen-Leistungsmessklemme von Wago gezielte Netzanalysen durchgeführt werden. „Mit einer Sample-Rate von 64 000 Abtastungen pro Sekunde und der 16-bit-Auflösung der AD-Wandler werden alle Anforderungen an entsprechende Systeme nach DIN EN 16001 voll erfüllt“, erklärt J. Eickelmann. Er verweist darauf, dass sich mit dem „Wago-I/O-System 750“ prinzipiell neben der reinen Energieerfassung ein komplettes Energiemanagementsystem abbilden lasse: „Eine logische Verknüpfung der Werte innerhalb der programmierbaren Steuerung erlaubt ein intelligentes Lastmanagement und ein gezieltes Abschalten nicht benötigter Verbraucher.“ Darüber hinaus ermögliche die eingebaute Webvisualisierung nicht nur die Darstellung der Verbrauchswerte vor Ort, sondern auch die Fernabfrage über das Internet, etwa mit einem Smartphone.
Bei Phoenix Contact werden alle Energiekennwerte der angeschlossenen Geräte über die Inline-Kleinsteuerungen eingelesen und weiterverarbeitet. „Mittels Funktionsbausteinen erlaubt die Automatisierungs-Software PC Worx eine direkte Kommunikation mit dem Datenbank-Managementsystem (DBMS), zum Beispiel Microsoft-SQL-Server oder MySQL-Server“, so F. Knafla. Der in die SPS integrierte SNTP-Client (Simple Network Time Protocol) generiert einen Zeitstempel, der jedem Mess- oder Zählwert eindeutig zugeordnet ist und zusammen mit ihm im DBMS abgelegt wird. „Der Zeitstempel dient der zeitgenauen Auswertung von Verbrauchswerten. Über standardisierte Schnittstellen ist somit der Zugriff auf die Messdaten für Software-basierte Monitoring- und Analysewerkzeuge möglich“, so der Experte weiter.

Bei Beckhoff bietet die Steuerungssoftware Twincat viele Möglichkeiten, um Daten weiterzuverarbeiten. „Mit mathematischen Algorithmen, welche in einer Condition-Monitoring-Bibliothek zusammengefasst sind, lassen sich auch Netzdaten analysieren und entsprechende Applikationen erstellen“, erläutert M. Jost. Darüber hinaus biete das Twincat Scope 2 eine ideale Plattform zur Datenaufzeichnung und grafischen Darstellung der Messwerte. M. Jost stellt heraus, dass auch der steuerungsübergreifende Datenaustausch wichtig sei. „Twincat verfügt dafür über eine Vielzahl von standardisierten Schnittstellen, welche es erlauben, die erfassten Energiedaten in einem Smart Grid an die EVU zu kommunizieren“, nennt er als Beispiel.
A. Meindl verweist darauf, dass alle Energiemessmodule von B&R mit einer hohen Eigenintelligenz ausgestattet sind, die den Applikationsaufwand reduziert. Als Beispiel nennt er: Schein-, Blind- und Wirkleistung stehen als Werte zur Verfügung und müssen nicht applikativ berechnet werden. „Zusätzlich entwickeln wir spezielle Funktionsbausteine, um Standardaufgaben im Bereich des Energiemanagements als optimierte Lösung anbieten zu können“, so A. Meindl. Zusammenfassend erklärt er, dass die IO-Module von B&R über alle Voraussetzungen für die präzise Netzanalyse und das optimale Energiemanagement verfügen. Als Stichworte nennt er: „Hohe Auflösung, weitgehend komplette Erfassung und Auswertung des Oberwellenspektrums sowie ein breites Spektrum an Messmöglichkeiten.“

Beispiele aus der Praxis
Die Vorteile von Energiemessungen kann man an vielen Praxisbeispielen festmachen. Aus Sicht von A. Meindl wird Energiemanagement heute meist mit Smart Grid, Smart Metering und Smart Building in Verbindung gebracht. „Diese Assoziation ist zwar richtig, aber Energiemanagement betrifft weit mehr: Es umfasst beispielsweise Bereiche, die weniger in diesem Fokus stehen.“ Mit Blick auf den Maschinenbau müsste man hier von „Smart Machine“ sprechen. Gemäß der B&R-Maxime liegen gerade in der Energierückspeisung aus dem vorhandenen Potenzial der kinetischen Energie einer Anlage die größten Einsparungsmöglichkeiten. Dazu verdeutlicht er: „Fast alle Maschinen leben von Bewegung, das heißt Beschleunigen und Bremsen von Massen. Letzteres wird heute meist in Verlustwärme umgesetzt.“ B&R bietet intelligente Antriebssysteme, die diese Energie in das Netz rückspeisen können. „Gekoppelt mit einem Energiemessmodul und basierend auf dem Echtzeitnetzwerk Powerlink bietet erst die Summe dieser Komponenten die Möglichkeit zur konsequenten Umsetzung von Energiemanagement“, erläutert A. Meindl. Konkrete Beispiele erstrecken sich dabei aus seiner Sicht von Verpackungsmaschinen über Roboter bis hin zu Hochregalanlagen. „Letztendlich verfügt fast jede Maschine über Potenzial für Energiemanagement“, ist er überzeugt.

M. Jost bringt aus Beckhoff-Sicht einen weiteren Aspekt ein: „Ein klassisches Beispiel ist sicherlich die Produktionsoptimierung aufgrund des bekannten Energiebedarfs der Produktionsmaschinen im Zusammenhang mit dem Energietarif des zuständigen EVU.“ Dazu müsse das Produktionsunternehmen zunächst wissen, wann es bei welcher Maschinenauslastung welchen Bedarf an Energie hat. „Dazu bietet sich die in die Steuerung integrierte Energiemessung perfekt an. So können auch immer bessere Bedarfsvorhersagen getroffen werden“, so der Experte.
F. Knafla nennt ein konkretes Beispiel: „Über 60 Ausrüster und Zulieferer der deutschen Automobilindustrie haben sich, koordiniert durch das Fraunhofer Institut IWU, zur Forschungsinitiative ,GreenCarbody‘ zusammengeschlossen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Verbundprojekt. Aktuell werden hier alle relevanten Energieströme einer Automobil-Produktionsanlage durch Messung von elektrischer Leistung, Durchflussmengen, Druck und Temperatur der verwendeten Prozessgeräte erfasst und in einer SQL-Datenbank archiviert.“ Der Einsatz industrieller Automatisierungskomponenten und speicherprogrammierbarer Steuerungen aus dem Portfolio von Phoenix Contact erfülle dabei die Anforderung an eine Lösung, die gemäß den Kenntnissen und Erfahrungen von Automatisierungsexperten flexibel und modular aufgebaut werden kann. „Die Speicherung in der MS-SQL-Datenbank erleichtert den Zugriff und die Analyse der Daten“, so F. Knafla.

Fazit
Die Zukunft des Smart Grids mag noch recht fern liegen – die Hersteller von IO-Systemen sind jedoch schon heute auf grundlegende bis hin zu weiterführende Anforderungen vorbereitet. Weitere Möglichkeiten werden sicherlich aufgrund neuer Bestimmungen bzw. Vorgaben entstehen.


Jens Eickelmann, Market Management Industrie, bei Wago in Minden

„Smart Energy ist bereits heute ein wichtiges Thema und wird in der Zukunft noch mehr an Bedeutung gewinnen. Die von der Bundesregierung durch die Abschaltung der AKW eingeleitete Energiewende erfordert einen stärkeren Ausbau der regenerativen Energieerzeugung. Die Nutzung volatiler Energieträger, wie Wind und Sonne, verlangt ein Umdenken: Stand die Energie aus fossilen Rohstoffen bislang — nahezu — unbegrenzt zur Verfügung, muss der Verbraucher sich zukünftig danach richten, wann wie viel regenerative Energie im Netz verfügbar und damit letztendlich auch günstiger ist. Dieses intelligente Lastmanagement bedarf einer ganzheitlichen Steuerung der Erzeugungs- und Verbrauchsprozesse.“


Michael Jost, Produktmanager Feldbussysteme und Ethercat bei Beckhoff Automation

„Das Thema Smart Energy entwickelt sich zum Standardbestandteil der Steuerung von Maschinen, Anlagen und Gebäuden. Wir sind sowohl in den Anwendungsbereichen als auch im Bereich der Produkte sehr gut aufgestellt und erwarten hier ein weiteres überdurchschnittliches Wachstum.“


Frank Knafla, Master Specialist Energy Efficiency bei Phoenix Contact Electronics in Bad Pyrmont

„Die ressourcenschonende Erzeugung, Verteilung und Nutzung der Energie ist die Herausforderung der Zukunft. Vor diesem Hintergrund entwickelt Phoenix Contact Komponenten und Lösungen für die besonderen Bedürfnisse und Anforderungen der Photovoltaik, Windenergie sowie der smarten Energieverteilung. Denn der Automatisierung kommt in Zukunft die Schlüsselaufgabe zu, die Energieversorgung intelligent zu steuern und den Energieeinsatz in der Produktion bezogen auf die Produktivität nachhaltig zu senken.“


Anton Meindl, Business Unit Manager Controls bei B&R in Eggelsberg/Österreich

„Smart Energy ist einer der großen Trends in der Automatisierungswelt und für uns sehr wichtig. Da wir dessen Potenzial bereits frühzeitig erkannt haben, sind wir heute in der Lage, unseren Kunden optimale Produktlösungen dazu anzubieten. Als Lösungsanbieter offerieren wir jedoch nicht nur Komponenten für das Energiemanagement, sondern können die Aufgabenstellungen ganzheitlich abdecken. Damit sehen wir das Potenzial nicht losgelöst von Smart-Energy-Komponenten, vielmehr sind optimale Produkte und Lösungen unverzichtbar, um am Markt wettbewerbsfähig zu sein.“

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Autor:

Inge Hübner